Lai hóa (hóa học)

Trong hóa học, lai (tạp chủng) hóa orbital (vân đạo) là khái niệm về việc trộn lẫn các orbital nguyên tử thành những orbital lai hóa mới (với mức năng lượng, hình dạng,... khác với các obitan (vân đạo) nguyên tử thành phần) phù hợp để các electron hình thành liên kết hóa học trong thuyết liên kết hóa trị. Orbital lai hóa (vân đạo tạp chủng) rất có ích trong việc giải thích hình học phân tử và tính chất liên kết (nối) nguyên tử. Tuy đôi lúc được dạy cùng với thuyết đẩy lùi cặp electron vỏ hóa trị (VSEPR), thực tế là liên kết cộng hóa trị và sự lai hóa không liên quan tới mô hình VSEPR.^[1] Các obitan (vân đạo) tham gia lai (sự tạp chủng) hóa phải có năng lượng không khác nhau nhiều.

Lịch sử

Nhà hóa học Linus Pauling lần đầu phát minh ra thuyết lai (tạp chủng) hóa vào năm 1931 để giải thích cấu trúc của những phân tử đơn giản như methan (CH₄) bằng cách dùng obitan nguyên tử.^[2] Pauling chỉ ra rằng một nguyên tử carbon hình thành bốn nối bằng cách dùng một obitan (vân đạo) s và ba obitan (vân đạo) p, do đó "có thể suy ra" rằng một nguyên tử carbon sẽ hình thành ba liên kết tại góc vuông (sử dụng các obitan p) và một liên kết thứ tư yếu hơn bằng obitan s với hướng tùy ý. Tuy nhiên theo thực tế, methan có bốn liên kết với sức mạnh bằng nhau và với góc tứ diện 109.5°. Pauling giải thích bằng cách giả sử sự xuất hiện của bốn nguyên tử hydrogen, obitan s và p hình thành bốn tổ hợp tương đương hay là obitan lai hóa, mỗi tổ hợp được biểu thị là sp³ để thể hiện thành phần của nó, thứ nằm dọc theo bốn liên kết C-H.^[3] Khái niệm này được phát triển cho hệ thống hóa học đơn giản nhưng sau này đã được áp dụng rộng rãi, ngày nay còn được coi là một phương pháp hiệu quả để giải thích hợp lý cơ cấu hợp chất hữu cơ. Nó cho ta một bức tranh đơn giản tương đương với cấu trúc Lewis. Thuyết tạp chủng hóa chủ yếu được sử dụng trong hóa học hữu cơ, một trong những ví dụ thuyết phục nhất là quy tắc Baldwin.

Obitan (vân đạo) nguyên tử

Bài chi tiết: Obitan nguyên tử

Obitan (vân đạo) là một mô hình đại diện cho chuyển động của các electron (điện tử) trong phân tử. Trong trường hợp tạp chủng hóa đơn giản, sự ước chừng này được dựa trên obitan nguyên tử, tương tự với những obitan của nguyên tử hydrogen, nguyên tử trung tính duy nhất mà phương trình Schrödinger có thể giải quyết chính xác. Với các nguyên tử nặng hơn như carbon, nitrogen và oxigen, vân đạo nguyên tử được sử dụng là 2s và 2p, tương tự với trạng thái obitan bị kích thích của hydro.

Tổng quan

Lai hóa Obitan (sự tạp chủng hóa vân đạo) được cho là sự trộn lẫn các obitan nguyên tử, xen phủ nhau theo nhiều tỉ lệ. Ví dụ, với methan, obitan lai hóa của C hình thành từ các liên kết carbon–hydro chứa 25% đặc tính s và 75% đặc tính p do vậy được mô tả là lai hóa sp³ (đọc như s-p-ba). Cơ học lượng tử mô tả sự lai hóa này như một hàm sóng sp³ với hình thức N(s + √3pσ), tại đó N là một hằng số chuẩn (tại đây là 1/2) và pσ là một obitan p định hướng dọc theo trục C-H để hình thành một liên kết sigma. Trong ví dụ này hệ số tỉ lệ (thường được biểu thị là λ) là √3. Từ khi mật độ electron liên kết với một obitan tỉ lệ với bình phương hàm sóng, tỉ lệ của đặc tính p với đặc tính s là λ² = 3. Đặc tính p hoặc khối lượng của phần p là N²λ² = 3/4.

Lượng đặc tính p hay đặc tính s, vốn được quyết định chủ yếu bởi sự lai hóa obitan, có thể dùng để dự đoán các đặc tính của phân tử như tính axit hay tính base.^[4]

Khái niệm

Lai hóa (sự tạp chủng hóa) là sự tổ hợp các obitan nguyên tử khác nhau để tạo ra các obitan nguyên tử hoàn toàn giống nhau về hình dạng, kích thước và năng lượng nhưng có hướng khác nhau.

Ví dụ: Trong phân tử CH₄, khi nguyên tử cacbon (C) tham gia liên kết với bốn nguyên tử H tạo thành phân tử CH₄ thì obitan 2s đã trộn lẫn với ba obitan 2p tạo thành bốn obitan mới giống hệt nhau gọi là bốn obitan lai hóa sp³. Bốn obitan lai hóa sp³ xen phủ với bốn obitan 1s của bốn nguyên tử H tạo thành bốn liên kết C - H giống nhau.

Nguyên nhân của sự lai hóa là các obitan hóa trị ở các phân lớp khác nhau có năng lượng và hình dạng khác nhau cần phải đồng nhất để tạo được liên kết bền với các nguyên tử khác.

Lai (Sự tạp chủng) hóa giữa obitan 2s và obitan 2p

Khi obitan 2s của nguyên tử cacbon tổ hợp với 1 hoặc nhiều obitan 2p thì sẽ xảy ra ba trường hợp sau:

Obitan 2s + 1 Obitan 2p → 2 Obitan lai hóa sp + 2 Obitan 2p còn lại

Obitan 2s + 2 Obitan 2p → 3 Obitan lai hóa sp² + 1 Obitan 2p còn lại

Obitan 2s + 3 Obitan 2p → 4 Obitan lai hóa sp³

?Obitan lai hóa sẽ được dùng trong liên kết sigma với nguyên tử khác, các obitan còn lại được dùng cho liên kết pi. Obitan lai hóa sp thường được dùng để liên kết với 2 nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử, obitan lai hóa sp² thường liên kết với 3 và obitan lai hóa sp³ thường liên kết với 4 nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử.

Lai (Sự tạp chủng) hóa sp³

Lai hóa sp³ là sự tổ hợp 1 obitan s với 3 obitan p của một nguyên tử tham gia liên kết tạo thành 4 obitan lai hóa sp³ định hướng từ tâm đến 4 đỉnh của hình tứ diệnđều, các trục đối xứng của chúng tạo với nhau một góc khoảng 109°28'

Lai hóa sp³ được gặp ở các nguyên tử O, N, C trong các phân tử H₂O, NH₃, CH₄ và các ankan.

Ví dụ: phân tử methan CH₄

Cấu hình electron của nguyên tử C ở trạng thái kích thích:

${\displaystyle C^{*}\quad {\frac {\uparrow \downarrow }{1s}}\;{\frac {\uparrow \,}{2s}}\;{\frac {\uparrow \,}{2p_{x}}}{\frac {\uparrow \,}{2p_{y}}}{\frac {\uparrow \,}{2p_{z}}}}$

Obitan 2s lai hóa với 3 obitan 2p tạo thành 4 obitan lai hóa sp³

${\displaystyle C^{*}\quad {\frac {\uparrow \downarrow }{1s}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp^{3}}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp^{3}}}{\frac {\uparrow \,}{sp^{3}}}{\frac {\uparrow \,}{sp^{3}}}}$

4 obitan lai hóa sp³ xen phủ với obitan 1s của nguyên tử Hydro tạo thành 4 liên kết sigma.

chuyển thành

Góc liên kết trong phân tử CH₄ là 109°28'

Lai (Sự tạp chủng) hóa sp²

Công thức phân tử C₂H₄

Lai hóa sp² là sự tổ hợp 1 obitan s với 2 obitan p của một nguyên tử tham gia liên kết tạo thành 3 obitan lai hóa sp² nằm trong một mặt phẳng, định hướng từ tâm đến đỉnh của tam giác đều. Góc liên kết là 120°.

Lai hóa sp² được gặp trong các phân tử BF₃, C₂H₄...

Ví dụ: phân tử etilen C₂H₄:

3 vân đạo tạp chủng sp²

Cấu hình electron của nguyên tử C ở trạng thái kích thích:

${\displaystyle C^{*}\quad {\frac {\uparrow \downarrow }{1s}}\;{\frac {\uparrow \,}{2s}}\;{\frac {\uparrow \,}{2p_{x}}}{\frac {\uparrow \,}{2p_{y}}}{\frac {\uparrow \,}{2p_{z}}}}$

Obitan 2s lai hóa với 2 obitan 2p tạo thành 3 obitan lai hoá sp2

${\displaystyle C^{*}\quad {\frac {\uparrow \downarrow }{1s}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp^{2}}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp^{2}}}{\frac {\uparrow \,}{sp^{2}}}{\frac {\uparrow \,}{p}}}$

Ba obitan lai hóa (vân đạo tạp chủng) sp² tạo 1 liên kết sigma giữa hai nguyên tử carbon và 2 liên kết sigma với hai nguyên tử hydrogen. Mỗi nguyên tử carbon còn 1 obitan p không tham gia lai hóa sẽ xen phủ bên với nhau tạo liên kết pi.

Lai (Sự tạp chủng) hóa sp

Công thức phân tử C₂H₂

Lai hóa sp là sự tổ hợp 1 obitan s với 1 obitan p của một nguyên tử tham gia liên kết tạo thành 2 obitan lai hóa (vân đạo tạp chủng) sp nằm thẳng hàng với nhau hướng về hai phía, đối xứng nhau. Góc liên kết là 180°.

Lai hóa sp được gặp trong các phân tử BeH₂, C₂H₂, BeCl₂...

Ví dụ: phân tử C₂H₂

Cấu hình electron của nguyên tử C ở trạng thái kích thích:

${\displaystyle C^{*}\quad {\frac {\uparrow \downarrow }{1s}}\;{\frac {\uparrow \,}{2s}}\;{\frac {\uparrow \,}{2p_{x}}}{\frac {\uparrow \,}{2p_{y}}}{\frac {\uparrow \,}{2p_{z}}}}$

Obitan 2s lai hóa với 1 obitan 2p tạo thành 2 obitan lai hóa sp

${\displaystyle C^{*}\quad {\frac {\uparrow \downarrow }{1s}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp}}\;{\frac {\uparrow \,}{sp}}{\frac {\uparrow \,}{p}}{\frac {\uparrow \,}{p}}}$

Hai vân đạo sp tạo 1 nối sigma giữa hai nguyên tử carbon và 2 nối sigma với 2 nguyên tử hydrogen. Hai vân đạo p còn lại xen phủ bên với nhau từng đôi một tạo ra 2 nối pi.

Ngoài ra còn có lai hóa sp³d và sự tạp chủng hóa sp³d².

Tham khảo

1. Gillespie, R.J. (2004), “Teaching molecular geometry with the VSEPR model”, Journal of Chemical Education, 81 (3): 298–304, Bibcode:2004JChEd..81..298G, doi:10.1021/ed081p298
2. Pauling, L. (1931), “The nature of the chemical bond. Application of results obtained from the quantum mechanics and from a theory of paramagnetic susceptibility to the structure of molecules”, Journal of the American Chemical Society, 53 (4): 1367–1400, doi:10.1021/ja01355a027
3. L. Pauling The Nature of the Chemical Bond (3rd ed., Oxford University Press 1960) p.111–120.
4. “Acids and Bases”. Orgo Made Simple. Bản gốc lưu trữ ngày 12 tháng 5 năm 2016. Truy cập ngày 23 tháng 6 năm 2015.