Giới thiệu về cấu trúc và tầm quan trọng của nó

Hiểu được sự sắp xếp của các nguyên tử và bản chất của các liên kết hóa học trong phân tử là điều cần thiết để dự đoán hành vi của nó trong các phản ứng và tương tác hóa học khác nhau. Sự phát triển của lý thuyết liên kết hóa học, bao gồm Ký hiệu chấm Lewis và Lý thuyết liên kết hóa trị, đã cung cấp những công cụ có giá trị để hình dung và dự đoán cấu trúc phân tử. Hơn nữa, các khái niệm về liên kết cộng hóa trị có cực, độ âm điện và mômen lưỡng cực góp phần vào sự hiểu biết của chúng ta về cách các phân tử tương tác với nhau. Việc nghiên cứu axit và bazơ cũng như độ bền và độ ổn định của chúng cũng bị ảnh hưởng nặng nề bởi cấu trúc phân tử của các hợp chất liên quan. Tóm lại, sự hiểu biết toàn diện về cấu trúc phân tử là nền tảng cho việc nghiên cứu hóa học và các ứng dụng khác nhau của nó trong nghiên cứu và công nghiệp (Chemistry LibreTexts, nd).

Sự phát triển của lý thuyết liên kết hóa học và ký hiệu chấm Lewis

Sự phát triển của Lý thuyết liên kết hóa học rất quan trọng trong việc tìm hiểu cấu trúc và tính chất của các phân tử. Một cột mốc quan trọng trong sự phát triển này là sự ra đời của Biểu tượng chấm Lewis của Gilbert N. Lewis vào năm 1916. Những biểu tượng này đại diện cho các electron hóa trị của nguyên tử, rất quan trọng trong việc dự đoán số lượng và loại liên kết cộng hóa trị trong các phân tử hữu cơ. Bằng cách sử dụng Biểu tượng chấm Lewis, các nhà hóa học có thể hình dung sự phân bố electron xung quanh các nguyên tử và xác định hình dạng phân tử dựa trên lý thuyết Lực đẩy cặp điện tử vỏ hóa trị (VSEPR). Lý thuyết này dự đoán sự sắp xếp của các nhóm electron trong các phân tử hữu cơ phổ biến, chẳng hạn như cấu hình tứ diện, mặt phẳng lượng giác hoặc cấu hình tuyến tính. Do đó, Biểu tượng chấm Lewis và lý thuyết VSEPR đã trở thành công cụ thiết yếu để hiểu bản chất của các liên kết hóa học, đặc biệt là liên kết cộng hóa trị, liên quan đến việc chia sẻ các electron hóa trị giữa các nguyên tử. Sự hiểu biết này đã thúc đẩy đáng kể việc nghiên cứu cấu trúc phân tử và khả năng phản ứng, mở đường cho những phát triển hơn nữa trong hóa học và các lĩnh vực liên quan (Chemistry LibreTexts, 2021).

Lý thuyết trái phiếu hóa trị và trái phiếu cộng hóa trị

Lý thuyết liên kết hóa trị (VBT) là một khái niệm cơ bản trong hóa học giải thích sự hình thành và tính chất của liên kết cộng hóa trị. Liên kết cộng hóa trị được hình thành khi các nguyên tử chia sẻ các electron hóa trị để đạt được cấu hình electron ổn định, điển hình là octet. VBT thừa nhận rằng sự chồng chéo của các quỹ đạo nguyên tử từ hai nguyên tử dẫn đến sự hình thành liên kết cộng hóa trị, với các electron dùng chung chiếm vùng chồng lấp. Lý thuyết này giúp hiểu được bản chất định hướng của liên kết cộng hóa trị và hình dạng phân tử của các hợp chất khác nhau.

Độ bền và độ ổn định của liên kết cộng hóa trị được xác định bởi mức độ chồng chéo quỹ đạo và năng lượng được giải phóng trong quá trình hình thành liên kết. VBT cũng giải thích sự lai hóa các quỹ đạo nguyên tử, đây là một quá trình trong đó các quỹ đạo nguyên tử kết hợp để tạo thành các quỹ đạo lai với hình dạng và mức năng lượng mới. Phép lai đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hình dạng phân tử và góc liên kết trong các hợp chất cộng hóa trị. Tóm lại, Lý thuyết liên kết hóa trị cung cấp một khuôn khổ toàn diện để hiểu sự hình thành, tính chất và hoạt động của liên kết cộng hóa trị trong các hợp chất hóa học khác nhau (McMurry, 2015; Housecroft & Sharpe, 2012).

Liên kết cộng hóa trị có cực: Độ âm điện và mômen lưỡng cực

Liên kết cộng hóa trị có cực phát sinh khi các nguyên tử có độ âm điện khác nhau chia sẻ các electron trong liên kết cộng hóa trị. Độ âm điện là thước đo khả năng thu hút các electron về phía chính nó trong hợp chất hóa học. Khi có sự khác biệt đáng kể về độ âm điện giữa hai nguyên tử liên kết, các electron dùng chung sẽ bị hút nhiều hơn về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn, tạo ra một phần điện tích âm trên nguyên tử đó và một phần điện tích dương trên nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn. Sự phân bố mật độ electron không đồng đều này dẫn đến liên kết cộng hóa trị có cực.

Khoảnh khắc lưỡng cực là thước đo định lượng về độ phân cực của liên kết hoặc phân tử. Chúng là các đại lượng vectơ, có cả độ lớn và hướng. Trong phân tử, mômen lưỡng cực là tổng vectơ của các mômen lưỡng cực liên kết riêng lẻ. Nếu mômen lưỡng cực liên kết triệt tiêu lẫn nhau thì phân tử sẽ không có mômen lưỡng cực thực. Sự hiện diện của mômen lưỡng cực trong phân tử có thể ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất vật lý và hóa học của nó, chẳng hạn như độ hòa tan và khả năng phản ứng (Atkins, P., & de Paula, J. (2014). Hóa lý: Nhiệt động lực học, Cấu trúc và Thay đổi. Mới York: WH Freeman và Công ty).

Phí chính thức và ý nghĩa của chúng

Điện tích hình thức rất cần thiết trong việc tìm hiểu sự phân bố của các electron trong phân tử, vì chúng cung cấp một phương pháp định lượng điện tích gán cho một nguyên tử trong phân tử. Điều này đạt được bằng cách giả sử rằng các electron trong tất cả các liên kết hóa học được chia sẻ đồng đều giữa các nguyên tử, bất kể độ âm điện tương đối của chúng. Tầm quan trọng của điện tích hình thức trong hóa học nằm ở khả năng dự đoán tính ổn định và khả năng phản ứng của các phân tử, cũng như khả năng hình thành liên kết ion hoặc cộng hóa trị của chúng. Hơn nữa, điện tích hình thức hỗ trợ việc xác định các cấu trúc cộng hưởng, mô tả sự định vị của các electron trong phân tử, góp phần vào sự ổn định tổng thể của nó. Về bản chất, điện tích chính thức đóng vai trò là công cụ có giá trị để các nhà hóa học phân tích và dự đoán hành vi phân tử, cuối cùng tạo điều kiện hiểu biết sâu hơn về các phản ứng hóa học và cấu trúc phân tử (Chemistry LibreTexts, 2021; Brown và cộng sự, 2018).

Cấu trúc cộng hưởng và các electron được định vị

Cấu trúc cộng hưởng là một tập hợp gồm hai hoặc nhiều Cấu trúc Lewis mô tả chung liên kết điện tử trong một loại đa nguyên tử duy nhất, bao gồm các liên kết phân đoạn và điện tích phân đoạn. Những cấu trúc này rất cần thiết trong trường hợp một cấu trúc Lewis đơn lẻ không thể thể hiện đầy đủ liên kết giữa các nguyên tử lân cận so với dữ liệu thực nghiệm về độ dài liên kết thực tế. Tổng ròng của các cấu trúc cộng hưởng hợp lệ được định nghĩa là phép lai cộng hưởng, đại diện cho sự định vị tổng thể của các electron trong phân tử. Một phân tử có nhiều cấu trúc cộng hưởng sẽ ổn định hơn một phân tử có ít cấu trúc cộng hưởng hơn.

Các electron được định vị là những electron không liên kết với một nguyên tử hoặc liên kết cộng hóa trị mà được phân bổ trên một số nguyên tử lân cận. Các cấu trúc cộng hưởng có thể mô tả một cách hiệu quả sự định vị của các electron mà không thể biểu thị bằng một công thức Lewis duy nhất với số nguyên liên kết cộng hóa trị. Sự định vị của các electron trong một phân tử góp phần vào sự ổn định của nó, như được chứng minh bằng ozone, trong đó electron bổ sung tạo ra điện tích âm trên một đầu oxy có thể được định vị thông qua sự cộng hưởng với oxy đầu cuối kia, dẫn đến một phân tử trung tính, ổn định (Chemistry LibreTexts , 2021).

Quy tắc cho các hình thức cộng hưởng và độ ổn định

Các dạng cộng hưởng rất cần thiết trong việc tìm hiểu tính ổn định của các phân tử, vì chúng mô tả sự định vị của các electron trong phân tử. Các quy tắc cho các dạng cộng hưởng quy định rằng tất cả các cấu trúc phải có cùng số electron hóa trị, duy trì cùng một điện tích tổng thể và bảo toàn vị trí của các hạt nhân nguyên tử. Ngoài ra, các cấu trúc cộng hưởng phải tuân theo quy tắc bát tử, trong đó mỗi nguyên tử (trừ hydro) được bao quanh bởi 8 electron và các cấu trúc có ít điện tích hình thức hơn sẽ ổn định hơn.

Độ ổn định của phân tử liên quan trực tiếp đến số lượng và bản chất của các dạng cộng hưởng của nó. Các phân tử có nhiều cấu trúc cộng hưởng thể hiện tính ổn định cao hơn do sự định vị của các electron, làm giảm năng lượng tổng thể của phân tử. Hơn nữa, các cấu trúc cộng hưởng với điện tích chính thức tối thiểu và tuân thủ quy tắc bát tử tốt hơn góp phần nâng cao tính ổn định. Về bản chất, phân tử càng sở hữu nhiều dạng cộng hưởng và các dạng này càng ổn định thì độ ổn định tổng thể của chính phân tử đó càng lớn.

Vẽ các dạng cộng hưởng và lai cộng hưởng

Việc vẽ các dạng cộng hưởng và các dạng lai cộng hưởng cho một phân tử nhất định đòi hỏi phải hiểu khái niệm về các electron được định vị và sự phân bố của chúng trong phân tử. Để bắt đầu, hãy xác định cấu trúc Lewis của phân tử, đại diện cho sự sắp xếp của các nguyên tử và các electron hóa trị của chúng. Tiếp theo, xác định xem có bất kỳ vùng nào trong phân tử mà các electron có thể được định vị hay không, chẳng hạn như trong các hệ liên hợp hoặc xung quanh các nguyên tử có các cặp đơn độc liền kề với liên kết đôi hoặc ba.

Sau khi xác định được các vùng định vị điện tử, hãy tạo các cấu trúc Lewis thay thế đại diện cho sự phân bố khác nhau có thể có của các điện tử này. Những cấu trúc thay thế này, được gọi là dạng cộng hưởng, phải tuân theo các quy tắc cộng hưởng, chẳng hạn như duy trì cùng số electron hóa trị và bảo toàn điện tích tổng thể của phân tử. Điều quan trọng cần lưu ý là các dạng cộng hưởng không phải là các cấu trúc riêng lẻ mà là sự thể hiện tập thể của liên kết điện tử của phân tử.

Cuối cùng, để biểu diễn phép lai cộng hưởng, hãy kết hợp các dạng cộng hưởng bằng cách hiển thị các electron được định vị dưới dạng đường đứt nét hoặc liên kết một phần. Cấu trúc lai này minh họa sự phân bố electron tổng thể trong phân tử, cung cấp mô tả chính xác hơn về liên kết và tính ổn định của nó so với bất kỳ dạng cộng hưởng đơn lẻ nào (McMurry, J., 2015. Hóa học hữu cơ, tái bản lần thứ 9. Boston: Cengage Learning).

Axit và bazơ: Định nghĩa của Brnsted-Lowry và Lewis

Định nghĩa về axit và bazơ của Brnsted-Lowry và Lewis cung cấp sự hiểu biết toàn diện về tính chất hóa học của chúng. Định nghĩa Brnsted-Lowry, được phát triển độc lập bởi các nhà hóa học Johannes Brnsted và Martin Lowry vào năm 1923, định nghĩa axit là chất cho proton (ion H+) và bazơ là chất nhận proton. Định nghĩa này mở rộng dựa trên khái niệm Arrhenius bằng cách không yêu cầu phải có nước để các phản ứng axit-bazơ xảy ra (Chemistry LibreTexts, 2021).

Mặt khác, định nghĩa của Lewis, do Gilbert N. Lewis đề xuất vào năm 1923, đưa ra một quan điểm rộng hơn bằng cách xác định axit là chất nhận cặp electron và bazơ là chất cho cặp electron. Định nghĩa này bao gồm nhiều loại hóa chất hơn, bao gồm cả những loại không liên quan đến proton và đặc biệt hữu ích để hiểu các phản ứng trong dung môi không chứa nước và hóa học phối hợp (Chemistry LibreTexts, 2021).

Tóm lại, định nghĩa Brnsted-Lowry tập trung vào sự chuyển proton, trong khi định nghĩa Lewis nhấn mạnh đến việc cho và nhận cặp electron. Cả hai định nghĩa đều góp phần mang lại sự hiểu biết toàn diện hơn về axit và bazơ trong các bối cảnh hóa học khác nhau.

Độ bền axit và bazơ: Hằng số phân ly và giá trị pKa

Mối quan hệ giữa cường độ axit và bazơ, hằng số phân ly và giá trị pKa là rất quan trọng trong việc tìm hiểu hành vi của các hợp chất hóa học trong các phản ứng khác nhau. Độ mạnh của axit và bazơ được xác định bởi khả năng cho hoặc nhận proton tương ứng của chúng. Hằng số phân ly (Ka) định lượng độ axit tương đối của các hợp chất hoặc nhóm chức khác nhau, thể hiện khả năng tặng proton cho một bazơ chung, chẳng hạn như nước, trong các điều kiện giống nhau. Giá trị pKa, là logarit âm của Ka, là thước đo độ axit thuận tiện hơn vì nó cung cấp giá trị số nhỏ hơn, dễ quản lý hơn. Giá trị pKa thấp hơn biểu thị axit mạnh hơn, trong khi giá trị pKa cao hơn biểu thị axit yếu hơn. Khi dự đoán các phản ứng axit-bazơ, giá trị pKa có thể được sử dụng để xác định trạng thái cân bằng, nghiêng về phía axit yếu hơn. Hơn nữa, độ bền tương đối của axit hữu cơ có thể được dự đoán dựa trên độ ổn định của bazơ liên hợp của nó, bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như kích thước, độ âm điện, hiệu ứng cộng hưởng, hiệu ứng cảm ứng và hiệu ứng hòa tan (McMurry, 2015; Clayden et al. , 2012).

Dự đoán phản ứng axit-bazơ và axit và bazơ hữu cơ

Dự đoán các phản ứng axit-bazơ và hoạt động của axit và bazơ hữu cơ có thể đạt được thông qua việc sử dụng các giá trị pKa và hiểu biết các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của bazơ liên hợp. Giá trị pKa biểu thị hằng số phân ly của một axit, định lượng độ axit tương đối hoặc khả năng tặng proton cho một bazơ chung trong các điều kiện giống hệt nhau (LibreTexts, nd). Bằng cách so sánh các giá trị pKa, người ta có thể xác định trạng thái cân bằng của phản ứng axit-bazơ, phản ứng này sẽ nghiêng về phía axit yếu hơn.

Trong trường hợp không có giá trị pKa, cường độ tương đối của axit hữu cơ có thể được dự đoán dựa trên tính ổn định của bazơ liên hợp mà nó tạo thành. Axit tạo thành bazơ liên hợp ổn định hơn sẽ là axit mạnh hơn. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định của bazơ liên hợp bao gồm kích thước và độ âm điện của nguyên tử đã mất proton, hiệu ứng cộng hưởng, hiệu ứng cảm ứng và hiệu ứng hòa tan (LibreTexts, nd). Bằng cách xem xét các yếu tố này, người ta có thể dự đoán hoạt động của axit và bazơ hữu cơ trong các phản ứng hóa học khác nhau.

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định của bazơ liên hợp và độ bền axit

Độ ổn định của bazơ liên hợp và độ mạnh của axit bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố. Một yếu tố quan trọng là kích thước và độ âm điện của nguyên tử đã mất proton. Các nguyên tử lớn hơn và có độ âm điện lớn hơn có thể ổn định điện tích âm tốt hơn, dẫn đến bazơ liên hợp ổn định hơn và axit mạnh hơn. Một yếu tố khác là hiệu ứng cộng hưởng, trong đó điện tích âm có thể được định vị trên nhiều nguyên tử, làm tăng tính ổn định của bazơ liên hợp và cường độ axit. Hiệu ứng cảm ứng cũng đóng một vai trò nào đó, vì các nhóm hút electron có thể ổn định điện tích âm trên bazơ liên hợp, làm cho axit tương ứng mạnh hơn. Cuối cùng, hiệu ứng hòa tan ảnh hưởng đến sự ổn định của bazơ liên hợp và cường độ axit. Bazơ liên hợp có độ hòa tan cao sẽ ổn định hơn, dẫn đến tính axit mạnh hơn. Hiểu được những yếu tố này là rất quan trọng để dự đoán hoạt động của axit và bazơ trong các phản ứng hóa học và môi trường khác nhau (Chemistry LibreTexts, 2021; Brown và cộng sự, 2018).