Obitan Nguyên Tử – Phân Tử

241

1. Obitan nguyên tử

1.1. Tổng quan về obitan nguyên tử

Obitan nguyên tử (tiếng Anh: atomic orbital, viết tắt là AO) hay orbital nguyên tử, quỹ vực nguyên tử, đám mây nguyên tử là một hàm toán học mô tả lại trạng thái như sóng điện từ của một electron.

Hàm toán học này được dùng để tính xác suất tìm thấy electron của một nguyên tử ở bất kì chỗ nào bao quanh không gian hạt nhân nguyên tử. Những hàm toán học này có thể cung cấp một đồ thị (biểu đồ) ba chiều của các vị trí có khả năng có một electron. Giới hạn của vị trí electron có thể xác định được theo vùng của vật chất từ hàm toán học mà có khả năng tìm được electron. Cụ thể, những obitan nguyên tử có những trạng thái lượng tử của một cá nhân electron trong một tập hợp electron bao quanh một đơn nguyên tử như được mô tả từ hàm quỹ đạo (orbital function). 

Mặc dù điều này giống với các hành tinh quay xung quanh Mặt trời, các electron không thể mô tả như những hạt rắn và vì thế mới có tên gọi là obitan nguyên tử. Trước đây, con người nghĩ quỹ đạo nguyên tử giống như quỹ đạo hình elip của các hành tinh; hay nói một cách chính xác hơn đó là một đám bụi lớn và thường có khí quyển với hình thù kỳ quặc (tập hợp các hạt electron), phân bố xung quanh một hành tinh tương đối nhỏ (hạt nhân nguyên tử). Nếu chính xác thì chỉ khi một electron độc thân (single electron) có mặt trong một nguyên tử thì các obitan nguyên tử của nguyên tử đó được mô tả như hình dạng của bầu khí quyển. Khi một nguyên tử độc thân được thêm vào nhiều electron, sự bổ sung thêm các electron này tạo nên sự đồng đều để lấp đầy vùng không gian xung quanh hạt nhân (đôi khi còn gọi là “đám mây electron” của nguyên tử) dẫn đến một khối hình cầu trong đó có xác suất tìm thấy thấy electron trong đó càng ngày càng lớn.

Xung quanh hạt nhân nguyên tử chỉ có tập rời rạc bị lượng tử hóa những obitan tồn tại xung quanh hạt nhân; hoặc nếu có những dạng sóng khác thì những dạng sóng này sẽ nhanh chóng phân hủy thành dạng sóng đứng lượng tử ổn định hơn. Có nhiều hơn một vòng hoặc một nút trong cấu trúc của các obitan; chúng khác nhau về hướng, hình dạng và kích thước.

Vào năm 1913, ý tưởng đưa ra điều các electron có thể quay xung quanh hạt nhân được xác định với thuyết mô men động lượng của Niels Bohr; và Hantaro Nagaoka – một nhà vật lý người Nhật Bản, đã đưa ra giả thuyết sự chuyển động của electron từ khá sớm vào năm 1904. Tuy nhiên, trước năm 1926, giả thuyết này không được chấp nhận; đến năm 1926, mới có một giả thuyết mới từ phương trình Schrodinger về các sóng trạng thái electron trong nguyên tử cung cấp một số hàm cho những obitan hiện đại (modern orbitals).

Thuật ngữ “quỹ đạo” (orbit) của các electron trong nguyên tử đã được thay bằng thuật ngữ “orbital” (orbital, loại tính từ) – tiếng Việt là obitan, do sự khác biệt với loại quỹ đạo cổ điển; từ này được đặt ra đầu tiên vào năm 1932 bởi nhà hóa học Robert Mulliken. Obitan nguyên tử thường được mô tả giống như các hàm sóng (wave functions) kiểu hydro (nghĩa là một electron) qua không gian; được phân loại theo n, l và m số lượng nguyên tử, tương ứng với các năng lượng của electron, mô men động lượng và phương của mô men động lượng, tùy theo trường hợp.

Mỗi obitan nguyên tử được xác định theo số lượng tử khác nhau và có tối đa là hai electron. Các phân lớp obitan có tên gọi đơn giản là obitan s, obitan p, obitan d và obitan f tham gia vào các loại obitan của số lượng tử mô men động lượng I = 0, 1, 2 và 3 theo tương ứng. Những loại tên này cũng đã chỉ ra hình dạng của obitan và được sử dụng để diễn tả cấu hình nguyên tử. Các ký tự s, p, d, f đều có nguồn gốc từ các đặc tính của các dòng quang phổ của chúng: s là sharp (sắc nét), p là principal (chính, chủ yếu), d là diffuse (tán xạ) và f là fundamental (cơ bản, cơ sở); phần còn lại được đặt theo bảng chữ cái alphabet (ngoại trừ ký tự).

Từ khoảng năm 1920, ngay trước khi quy tắc aufbau và nên cơ học lượng tử hiện đại ra đời thì nguyên tử được tạo dựng nên từ các cặp electron, được sắp xếp đơn giản và lặp đi lặp lại theo mô hình số lẻ (1, 3, 5, 7, … ), đã được gợi lên bởi nhà vật lý Niels Bohr và một số người tham gia khác, tương đối giống với obitan nguyên tử trong cấu hình electron nguyên tử của các nguyên tử phức tạp.

Trong toán học của vật lý nguyên tử, nó được dùng để giới thiệu về các hàm điện tử của các hệ thống phức tạp vào trong sự kết hợp với sự đơn giản của obitan nguyên tử. Vẫn còn hàm sóng lượng tử có thể bị phá vỡ khi vẫn còn trong obitan nguyên tử mặc dù mỗi electron trong một nguyên tử có nhiều electron không giới hạn trong một hoặc hai electron nguyên tử. 

Đám mây electron của nguyên tử hydro ở trạng thái cơ bản hầu như tập trung trong vùng không gian có dạng hình cầu có bán kính trung bình khoảng 0,053nm.

obitan nguyên tử - phân tử
Hình dạng obitan s và p

1.2. Các tên obitan

Ký hiệu tên của những loại obitan như sau:      X typey

Trong đó:

  • X: là mức năng lượng tương ứng với lượng tử số chính n (principal quantum number)
  • type: là một ký tự không viết hoa để chỉ hình dạng hoặc lớp phân vỏ của obitan và nó cũng tương đương với số lượng tử góc I
  • y là số electron trong obitan

Ví dụ, obitan 1s2 có hai electron và mức năng lượng thấp nhất (n=1) thì trong phần ký hiệu X, lượng tử số chính chỉ thị một ký tự liên kết với nó. Đối với n = 1, 2, 3, 4, 5, … thì các ký tự liên kết tương ứng với những số đó là K, L, M, N, O, … . Obitan 1s2 có nghĩa là lớp 1, phân lớp s và có 2 electron.

obitan nguyên tử - phân tử
Thứ tự và tên các lớp electron

1.3. Định nghĩa chính trong cơ học lượng tử

Theo cơ học lượng tử, trạng thái của một nguyên tử – hay là những trạng thái riêng của nguyên tử Hamilton, được mở rộng vào trong tổ hợp tuyến tính của các sản phẩm theo nguyên tắc phản đối xứng của những hàm electron riêng biệt. Obitan nguyên tử là các thành phần có trong không gian của những hàm electron riêng biệt. (Khi xét qua thành phần spin (quay), một cách nói khác của obitan nguyên tử spin).

Các vòng quang phổ nguyên tử tương ứng với trình chuyển đổi (bước nhảy lượng tử) giữa các trạng thái lượng tử của một nguyên tử – theo vật lý nguyên tử. Các trạng thái này được ký hiệu bởi tập hợp số lượng tử được tóm tắt trong biểu tượng thuật ngữ; và các trạng thái này thường liên quan đến cấu hình đặc biệt của electron.

1.4. Số lượng tử

Vì vị trí và động năng mang bản chất cơ học lượng tử nên không thể sử dụng chúng để mô tả chuyển động của các electron xung quanh hạt nhân nguyên tử. Thay vào đó, chuyển động của các electron xung quanh hạt nhân được mô tả bằng một nhóm các số lượng tử; trong đó bao gồm cả tính chất sóng và tính chất hạt của electron.

Mỗi obitan nguyên tử được xác định bởi một và chỉ một bộ ba giá trị của ba số lượng tử. Mỗi bộ ba giá trị này xác định một và chỉ một obitan. Tuy nhiên, các số lượng tử chỉ xuất hiện theo các bộ giá trị nhất định. Các số lượng tử đều tuân theo các quy luật dưới đây;

  • Số lượng tử chính n xác định năng lượng của electron và nó luôn là một số nguyên dương. n có thể là bất kỳ số nguyên dương nào; tuy nhiên, những số nguyên dương lớn rất hiếm bắt gặp vì nhiều lý do. Nói chung, trong một nguyên tử, mỗi giá trị của số lượng tử chính n ứng với nhiều obitan. Những obitan này được gọi chung là các lớp vỏ electron.
  • Số lượng tử xung lượng I xác định mô men góc của mỗi electron trong một obitan và nó luôn là một số nguyên không âm. Trong một lớp vỏ electron nào đó (n = n0), I có thể là bất kỳ giá trị nguyên nào thỏa mãn 0 ≤ I ≤ n0 ₋ 1. Ví dụ, lớp vỏ n = 1 chỉ có duy nhất 1 obitan với I = 0; tương tự, lớp vỏ n = 2 chỉ có 2 obitan với I = 0 và I = 1. Các lớp vỏ electron thứ cấp là nhóm các obitan có cùng giá trị của I.
obitan nguyên tử - phân tử
Sự sắp xếp các electron vào các obitan của một số nguyên tử

1.5. Các hình dạng của obitan

  • Obitan s có dạng hình cầu
  • Obitan p gồm 3 obitan px, py và pz có dạng hình số 8 nổi. Trong đó, mỗi obitan có sự định hướng khác nhau trong không gian; chẳng hạn như obitan px định hướng theo trục x, obitan py định hướng theo trục y và obitan pz định hướng theo trục z, …
  • Obitan d và f có hình dạng phức tạp hơn

1.6. Mức năng lượng obitan

  • Mỗi obitan có một mức năng lượng riêng tương ứng với mức năng lượng cụ thể của electron. Các electron – bằng cách hấp thụ một photon với năng lượng phù hợp để đẩy điện tử lên một trạng thái mới, có thể thay đổi trạng thái của nó đến mức năng lượng cao hơn. Ngược lại, một electron ở trạng thái năng lượng cao hơn – bằng cách phát ra một photon thông qua phát xạ tự phát, có thể trở về mức năng lượng thấp hơn. Những giá trị năng lượng đặc trưng này được xác định bằng  hiệu giữa các mức năng lượng của từng trạng thái lượng tử – thể hiện cho dãy vạch phổ đặc trưng của từng nguyên tử.
  • Các electron trên mỗi obitan có một mức năng lượng xác định gọi là mức năng lượng obitan nguyên tử (hay mức năng lượng AO)
  • Các electron trên các obitan khác nhau của cùng một phân lớp có năng lượng như nhau
obitan nguyên tử - phân tử
Mức năng lượng tăng dần khi càng ra xa hạt nhân

1.7. Cấu hình electron của nguyên tử

Cấu hình electron của nguyên tử là mô tả obitan của vị trí các electron trong một nguyên tử ở trạng thái nền (trạng thái không bị kích thích). Các nhà khoa học có thể dự đoán tính chất vật lý của một nguyên tử như điểm sôi, độ dẫn và độ ổn định thông qua việc sử dụng các nguyên lý vật lý kết hợp với cấu hình electron. Ký hiệu các lớp vỏ electron phía trong thường bị cắt bớt đi bằng cách thay mô tả obitan dài dòng, phức tạp bằng ký hiệu cho một chất khí trơ ở trong ngoặc. Phương pháp này giúp đơn giản hóa đi rất nhiều mô tả obitan của những nguyên tử lớn.

Ví dụ: cấu hình electron của nguyên tử beri (Be) là 1s22s2, nhưng nó thường được viết ngắn gọn lại là [He]2s2. [He] tương đương cho mọi obitan electron trong một nguyên tử heli. Các ký tự s, p, d và f chỉ rõ hình dạng của các obitan và chỉ số phía trên cho biết số electron có trong obitan đó.

1.7.1. Lớp electron

Ở trạng thái cơ bản (trạng thái nền), các electron trong nguyên tử lần lượt chiếm các mức năng lượng từ thấp đến cao và sắp xếp thành từng lớp. Các electron ở càng gần hạt nhân nguyên tử thì liên kết càng bền hơn với hạt nhân và ngược lại, các electron ở càng xa hạt nhân nguyên tử thì liên kết yếu và kém bền hơn với hạt nhân. 

Vậy electron ở lớp trong có mức năng lượng thấp hơn so với ở các lớp ngoài hay electron ở các lớp ngoài có mức năng lượng cao hơn các electron ở lớp trong. Như vậy, các electron trên cùng một lớp có mức năng lượng bằng nhau. Các lớp electron này được ghi bằng các số nguyên tử xếp theo thứ tự từ thấp đến cao n = 1, 2, 3, 4, … với tên gọi lần lượt là K, L, M, N, … 

obitan nguyên tử - phân tử
Obitan nguyên tử hydro có n = 6, l = 0, m = 0

1.7.2. Phân lớp electron

Mỗi lớp electron lại chia thành các phân lớp khác nhau. Các electron trên cùng một phân lớp có mức năng lượng như nhau, tương tự như lớp electron. Các phân lớp electron này được ký hiệu bằng các chữ cái thường s, p, d và f. Theo quy tắc, số phân lớp trong mỗi lớp bằng số thứ tự của lớp đó. Ví dụ, lớp electron n = 1, tương ứng với lớp K có 1 phân lớp electron; lớp n = 2 tương ứng với lớp L có 2 phân lớp electron.

1.7.3. Số electron tối đa trong một lớp electron, phân lớp electron

Theo quy tắc, số electron tối đa trên một phân lớp như sau:

  • Có tối đa 2 electron trong phân lớp s
  • Có tối đa 6 electron trong phân lớp p
  • Có tối đa 10 electron trong phân lớp d
  • Có tối đa 14 electron trong phân lớp f

Phân lớp electron đã có đủ số electron tối đa gọi là phân lớp electron bão hòa.

Số electron trên mỗi lớp electron là tổng số electron có trong các phân lớp electron của lớp electron đó. Lớp electron đã có đủ số electron tối đa là lớp electron bão hòa.

1.7.4. Cấu hình electron nguyên tử

Cấu hình electron của nguyên tử biểu diễn sự phân bố electron trên các phân lớp electron thuộc các lớp electron khác nhau.

Cấu hình electron nguyên tử được quy ước cách viết như sau:

  • Số thứ tự các lớp electron được ghi bằng các chữ số (1, 2, 3, … )
  • Các phân lớp electron được ghi bằng các chữ cái thường (s, p, d, f)
  • Số electron trong một phân lớp electron được ghi bằng số ở phía trên bên phải của phân lớp electron đó (giống như cách viết số mũ, lũy thừa)

Các bước để viết cấu hình electron nguyên tử như sau:

  1. Xác định số electron của nguyên tử cần viết cấu hinh electron
  2. Phân bố lần lượt các electron vào từng phân lớp theo chiều tăng dần của năng lượng trong nguyên tử và tuân theo nguyên tắc: phân lớp s chứa tối đa 2 electron, phân lớp p chứa tối đa 6 electron, phân lớp d chứa tối đa 10 electron và phân lớp f chứa tối đa 14 electron
  3. Viết cấu hình electron nguyên tử biểu diễn sự phân bố các electron của nguyên tử trên các phân lớp electron thuộc các lớp electron khác nhau
  • Những nguyên tố mà nguyên tử có số electron cuối cùng được điền vào phân lớp s là những nguyên tố s
  • Những nguyên tố mà nguyên tử có số electron cuối cùng được điền vào phân lớp p là những nguyên tố p
  • Những nguyên tố mà nguyên tử có số electron cuối cùng được điền vào phân lớp d là những nguyên tố d
  • Những nguyên tố mà nguyên tử có số electron cuối cùng được điền vào phân lớp f là những nguyên tố f

Các electron liên kết và tạo cặp với nhau trong các obitan với một electron có trạng thái spin lên và một electron có trạng thái spin xuống. Vì thế, spin lượng tử bị triệt tiêu trong một cặp electron của một obitan. Điều này là nguyên nhân của việc trong một số nguyên tử có số electron chắn với mỗi obitan được lấp đầy bởi những cặp electron có tổng mô men lưỡng cực bằng 0. Một số nguyên tố có số nguyên tử lẻ (những nguyên tố sắt từ như sắt, niken, …) có một số obitan chưa bắt cặp trong obitan; thế nên chúng có mô men từ nguyên tử. Obitan của các nguyên tử lân cận phủ lên nhau và hình thành nên một trạng thái năng lượng thấp hơn khi spin của các electron chưa bắt cặp đồng loạt hướng theo nhau – quá trình này gọi là tương tác trao đổi.

obitan nguyên tử - phân tử
Bảng cấu hình electron và sự phân bố e vào các obitan của các nguyên tố có số nguyên tử từ 1 đến 10

2. Obitan phân tử

2.1. Phân tử

Phân tử là hạt đại diện cho chất. Phân tử gồm một số nguyên tử liên kết với nhau và thể hiện đầy đủ tính chất hóa học của chất. Trong các phân tử hóa học, liên kết giữa các nguyên tử thay đổi làm cho phân tử này biến đổi thành phân tử khác.

Theo một định nghĩa khác, phân tử là một loại hạt có nhiều hơn hai nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết hóa học. Nguyên tử của phân tử có thể từ một nguyên tố (đơn chất, ví dụ như: H2,O2,P4… ) hay nhiều nguyên tố hóa học kết hợp với nhau (hợp chất, ví dụ như H2O, NH3, CaCO3,…).

Phân tử là những phần tử nhỏ nhất của một chất hóa học tinh khiết mà vẫn còn giữ được thành phần hợp chất hóa học cùng với các tính chất của hợp chất đó. Các ngành khoa học nghiên cứu về các phân tử bao gồm vật lý phân tử và hóa học phân tử. Vật lý phân tử quan tâm đến các định luật chi phối cấu trúc và tính chất của phân tử; trong khi đó, hóa học phân tử quan tâm đến các định luật chi phối sự tương tác giữa chúng. Thực tế thì không phải lúc nào cũng tách biệt được 2 ngành khoa học này. Vào năm 1811, Avogadro lần đầu tiên giới thiệu khái niệm phân tử; sự tồn tại của các phân tử vẫn là một đề tài tranh luận sôi nổi trong cộng đồng hóa học; mãi cho đến tận năm 1911, khi Perrin công bố các kết quả nghiên cứu của mình. Thuyết phân tử hiện đại đã mang đến nhiều ứng dụng trong tính toán và nghiên cứu, là cơ sở để hình thành nên ngành hóa học tính toán đương thời.

Kích thước phân tử: Kích thước phân tử thường được đo bằng Ångström Å. Ví dụ, phân tử H2có kích thước 74 pm (picomet) hay 0,74Å.

Phân tử khối (PTK) là khối lượng của một phân tử tính bằng đơn vị cacbon. Cách tính phân tử khối: là tổng số nguyên tử khối của các nguyên tử tạo thành phân tử. Ví dụ: Tính PTK của axit sunfuric H2SO4: H2SO4= (1 x 2) + 32 + (16 x 4) = 98 (đvC).

obitan nguyên tử - phân tử
Mô hình cấu trúc phân tử silicon

Các loại liên kết trong phân tử:

  • Liên kết không cực: nếu các nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết không cực tạo thành phân tử thì độ âm điện X của nguyên tử là bằng nhau, ví dụ như trong đơn chất. Rộng hơn là liên kết giữa C và H, mặc dù hiệu độ âm điện giữa chúng có giá trị trong khoảng 0 đến 0,4.
  • Liên kết phân cực: nếu các nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết phân cực thì hiệu độ âm điện giữa các nguyên tử có giá trị trong khoảng 0,4 đến 1,8 – như trong hầu hết các hợp chất.

2.1.1. Tổng quan về phân tử

Phân tử là một nhóm trung hòa điện tích có nhiều hơn 2 nguyên tử liên kết với nhau bằng các liên kết hóa học tạo thành. Các phân tử được phân biệt với các ion do không có điện  tích. Tuy nhiên, trong hóa sinh, hóa học hữu cơ và vật lý lượng tử, thường ít nghiêm ngặt hơn trong việc sử dụng thuật ngữ “phân tử”; thế nên, thỉnh thoảng thuật ngữ “phân tử” cũng được áp dụng cho các ion đa nguyên tử.

Trong lý thuyết động học của chất khí, thuật ngữ “phân tử” thường được sử dụng cho bất cứ hạt khí nào bất kể thành phần của chất khí đó. Theo định nghĩa này, các nguyên tử khí trơ cũng được coi là các phân tử vì chúng là các phân tử đơn phân tử.

Một phân tử có thể là một đơn chất; có nghĩa là, nó bao gồm các nguyên tử của một nguyên tố hóa học; ví dụ như oxy (O2); hoặc một phân tử có thể là hợp chất hóa học bao gồm nhiều hơn một nguyên tố, ví dụ như nước (H2O). Các nguyên tử và phức chất được kết nối với nhau bởi các tương tác không cộng hóa trị như liên kết ion hoặc liên kết hydro, thường không được coi là các phân tử đơn lẻ.

Các phân tử như là thành phần của vật chất; phổ biến trong các chất hữu cơ (và do đó sinh hóa). Các phân tử cũng chiếm thành phần của hầu hết các đại dương và bầu khí quyển. Tuy nhiên, phần lớn các chất rắn quen thuộc trên Trái Đất, cũng như quen thuộc với con người, bao gồm hầu hết các khoáng chất tạo nên lớp vỏ, lớp phủ và lõi Trái Đất, chứa nhiều liên kết hóa học nhưng nhưng không được tạo thành từ các phân tử có thể nhận được.

Hơn thế nữa, không có phân tử điển hình nào có thể được định nghĩa cho tinh thể ion (muối) và tinh thể cộng hóa trị (chất rắn mạng hay mạng lưới tinh thể), mặc dù chúng thường bao gồm các tế bào đơn vị lặp lại kéo dài trong một mặt phẳng (ví dụ như trong graphene) hoặc ba chiều (ví dụ như trong natri clorua, thạch anh hoặc kim cương).

Chủ đề của cấu trúc đơn vị  tế bào lặp đi lặp lại cũng giữ cho hầu hết các pha cô đặc có liên kết kim loại; có nghĩa là kim loại rắn cũng không được tạo ra từ các phân tử. Trong thủy tinh (hay kính) – chất rắn tồn tại ở trạng thái rối loạn thủy tinh thể, các nguyên tử cũng có thể được giữ với nhau bằng liên kết hóa học; không có bất kỳ sự hiện diện của bất kỳ phân tử có thể xác định nào, cũng không có bất kỳ sự đều đặn nào của các đơn vị lặp lại đặc trưng cho tinh thể.

obitan nguyên tử - phân tử
Mô hình phân tử nước (H2O)

2.1.2. Khoa học phân tử

Khoa học phân tử có thể được gọi là vật lý phân tử hay hóa học phân tử, tùy thuộc vào việc tập trung vào vật lý hay hóa học. Như đã nói ở trên, vật lý phân tử liên quan đến các định luật chi phối cấu trúc và tính chất của phân tử, trong khi hóa học phân tử lại liên quan đến các định luật chi phối sự tương tác giữa các phân tử dẫn đến sự hình thành hoặc phá vỡ các liên kết hóa học. Và trên thực tế thì sự phân biệt này khá là mơ hồ.

Trong khoa học phân tử, một phân tử bao gồm một hệ thống ổn định (trạng thái ràng buộc) gồm hai hoặc nhiều nguyên tử. Các ion polyatomic, thỉnh thoảng, chúng có thể được coi là hữu ích như các phân tử tích điện. Thuật ngữ “phân tử không ổn định” được sử dụng cho các loài rất dễ phản ứng; hay nói cách khác là các tổ hợp tồn tại ngắn (cộng hưởng) của các hạt nhân và electron; chẳng hạn như các gốc, ion phân tử, trạng thái chuyển tiếp, phức hợp van der Waals, phân tử Rydberg hoặc hệ thống các nguyên tử va chạm như trong Bose mật Einstein ngưng tụ.

2.1.3. Liên kết trong phân tử

Các phân tử được giữ với nhau nhờ vào liên kết ion hoặc liên kết cộng hóa trị. Một số nguyên tố phi kim chỉ tồn tại dưới dạng phân tử trong môi trường; ví dụ, nguyên tố hydro chỉ tồn tại dưới dạng phân tử hydro. Một phân tử của một hợp chất được tạo thành từ hai hay nhiều yếu tố.

2.1.3.1. Liên kết cộng hóa trị

Liên kết cộng hóa trị là một loại liên kết hóa học liên quan đến việc chia sẻ các cặp electron giữa các nguyên tử với nhau. Các cặp electron này được gọi là “cặp liên kết” hoặc “cặp chia sẻ” và sự cân bằng ổn định của lực đẩy và lực hấp dẫn giữa các nguyên tử, khi chúng chia sẻ electron được gọi là liên kết cộng hóa trị.

obitan nguyên tử - phân tử
Liên kết cộng hóa trị trong phân tử CO2
2.1.3.2. Liên kết ion

Liên kết ion là một loại liên kết hóa học liên quan đến lực hút tĩnh điện giữa các ion tích điện trái dấu và là tương tác chính xảy ra trong các hợp chất ion. Các ion là các nguyên tử đã thu được một hoặc nhiều electron (gọi là anion) và các nguyên tử đã mất một hoặc nhiều electron (gọi là cation). Sự chuyển điện tử này được gọi là “điện hóa” trái ngược với cộng hóa trị. Trong trường hợp đơn giản nhất, anion là nguyên tử phi kim và cation là nguyên tử kim loại; tuy nhiên, các ion này có thể có bản chất phức tạp hơn; ví dụ: các ion phân tử như NH4+hoặc SO42-. 

obitan nguyên tử - phân tử
Liên kết ion trong phân tử muối NaCl

2.1.4. Kích thước phân tử

Hầu hết các phân tử rất nhỏ và không thể được nhìn thấy bằng mắt thường, mặc dù các phân tử của nhiều polyme có thể đạt kích thước vĩ mô, bao gồm cả các chất sinh học hay chất độc sinh học như DNA. Các phân tử thường được sử dụng để làm các khối xây dựng nhằm để tổng hợp hữu cơ có kích thước từ một vài angstroms (Å) đến vài chục, hay thậm chí khoảng một phần tỷ mét.

Các phân tử đơn lẻ thường không thể được quan sát bằng mắt thường hay bằng ánh sáng; tuy nhiên, các phân tử nhỏ và thậm chí là các đường viền của các nguyên tử riêng lẻ có thể được tìm kiếm và quan sát trong một số trường hợp bằng cách sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử. Siêu phân tử hoặc đại phân tử là một số phân tử lớn nhất. Phân tử nhỏ nhất là hydro diatomic (H2) với độ dài liên kết giữa hai nguyên tử hydro là 0,74.

Kích thước mà một phân tử hiển thị trong dung dịch được gọi là bán kính phân tử hiệu quả. Có thể tham khảo ví dụ ở bảng tính thấm cho các chất khác nhau.

2.1.5. Các loại công thức phân tử

2.1.5.1. Các loại công thức hóa học

Các công thức hóa học của một phân tử sử dụng một dòng hóa yếu tố ký hiệu, số và thỉnh thoảng cũng sử dụng biểu tượng khác, chẳng hạn như dấu gạch ngang, dấu ngoặc, dấu ngoặc đơn, cộng (+) và trừ (-) để dấu hiệu. Các công thức hóa học cho một phân tử được giới hạn trong một dòng ký hiệu chính tả; chúng cũng có thể bao gồm các siêu ký tự và các chỉ số.

Công thức thực nghiệm của một hợp chất là một loại công thức hóa học khá đơn giản. Công thức thực nghiệm của một hợp chất là tỷ lệ nguyên đơn giản nhất của các nguyên tố hóa học cấu thành nó. Ví dụ: nước (H2O) luôn bao gồm tỷ lệ 2: 1 của hydro với các nguyên tử oxy và ethanol (hay còn gọi là rượu ethyl) luôn bao gồm cacbon, hydro và oxy theo tỷ lệ 2: 6: 1. Tuy nhiên, điều này không xác định loại phân tử duy nhất; ví dụ như dimethyl ether có cùng tỷ lệ với ethanol; điều này là do sự khác nhau trong cấu trúc phân tử (cách liên kết giữa các nguyên tử với nhau) dù cho chúng có các nguyên tử với tỷ lệ kết hợp giống nhau hoặc sự khác nhau về tổng số nguyên tử trong phân tử. Các phân tử có cùng các nguyên tử trong các sắp xếp khác nhau được gọi là các đồng phân. Ngoài ra, ví dụ như carbohydrate có cùng tỷ lệ (cacbon: hydro: oxy = 1: 2: 1) (thế nên có cùng công thức thực nghiệm) nhưng tổng số nguyên tử khác nhau trong phân tử.

Công thức hóa học phản ánh chính xác số lượng các nguyên tử cấu thành nên phân tử và do đó đặc trưng cho các phân tử khác nhau. Tuy nhiên, các đồng phân khác nhau có thể có cùng thành phần nguyên tử trong khi là các phân tử khác nhau.

Công thức thực nghiệm của phân tử thường giống với công thức hóa học của phân tử, tuy nhiên không phải lúc nào cũng vậy. Ví dụ: phân tử axetylen có công thức hóa học là C2H2nhưng tỷ lệ nguyên đơn giản nhất của các nguyên tố là CH.

Khối lượng phân tử có thể được tính từ công thức hóa học và thường được thể hiện bằng đơn vị khối lượng nguyên tử, bằng 1/12 khối lượng của một nguyên tử Cacbon-12 (12Cđồng vị). Đối với chất rắn mạng (hay mạng lưới tinh thể), đơn vị công thức hạn được sử dụng trong tính toán cân bằng hóa học.

2.1.5.2. Các công thức cấu trúc

Đối với các phân tử có cấu trúc ba chiều phức tạp (đặc biệt là liên quan đến các nguyên tử liên kết với bốn nhóm thế khác nhau), một công thức phân tử đơn giản hoặc thậm chí công thức hóa học bán cấu trúc có thể không đủ để xác định hoàn toàn phân tử đó. Trong trường hợp này, công thức cấu trúc – một loại công thức đồ họa – có thể cần thiết để xác định phân tử. Các công thức cấu trúc có thể lần lượt được biểu diễn bằng tên hóa học một chiều, tuy nhiên, danh pháp hóa học như vậy đòi hỏi nhiều thuật ngữ và từ ngữ không phải là một phần của công thức hóa học.

obitan nguyên tử - phân tử
Mô hình theo công thức cấu trúc của Phenol

2.1.6. Hình học phân tử

Các phân tử có hình học cân bằng cố định độ dài của liên kết và góc độ của mối quan hệ mà chúng liên tục dao động thông và quay. Một chất tinh khiết bao gồm các phân tử có cùng cấu trúc hình học trung bình. Cấu trúc và công thức hóa học của phân tử là hai yếu tố quan trọng quyết định tính chất của phân tử, đặc biệt là khả năng phản ứng của nó. Do cấu trúc phân tử khác nhau thế nên các chất đồng phân có chung một công thức hóa học nhưng thông thường có các tính chất rất khác nhau. Các đồng phân lập thể – một loại đồng phân đặc biệt – có thể có các tính chất hóa học và vật lý rất giống nhau đồng thời các hoạt động sinh hóa khác nhau.

obitan nguyên tử - phân tử
Mô hình – công thức cấu trúc mạng tinh thể phân tử nước đá

2.1.7. Quang phổ phân tử

Quang phổ phân tử liên quan đến các phản ứng (phổ) của các phân tử tương tác với các tín hiệu thăm dò của năng lượng đã biết (hoặc theo tần số, theo công thức của Planck). Có thể phân tích các phân tử có mức năng lượng được lượng tử hóa bằng cách phát hiện sự trao đổi năng lượng của phân tử thông qua sự hấp thụ hoặc phát xạ. Quang phổ thường không đề cập đến các nghiên cứu về nhiễu xạ mà trong đó các hạt như electron, neutron hoặc tia X năng lượng cao tương tác với sự sắp xếp thường xuyên của các phân tử.

Quang phổ vi sóng đo lường các thay đổi trong quá trình quay của các phân tử và có thể được sử dụng để xác định các phân tử ngoài không gian. Quang phổ hồng ngoại được ứng dụng để đo sự rung động của các phân tử, bao gồm các chuyển động uốn cong, kéo dài hoặc xoắn. Quang phổ hồng ngoại thường được sử dụng để xác định các loại liên kết hoặc nhóm chức trong các phân tử. Những thay đổi trong cách sắp xếp các vạch hấp thụ hoặc phát xạ của electron trong ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím hoặc gần tia hồng ngoại và dẫn đến màu sắc. Quang phổ cộng hưởng hạt nhân đo môi trường của các hạt nhân cụ thể trong phân tử và có thể được sử dụng để mô tả số lượng nguyên tử ở các vị trí khác nhau trong một phân tử.

2.2. Obitan phân tử

Obitan phân tử (tiếng Anh: molecular orbital và được viết tắt: MO), trong hóa học, là hàm số toán học mô tả dáng điệu tựa như sóng của một điện tử trong một phân tử. Hàm số toán học này có thể được sử dụng để tính toán các tính chất vật lý và hóa học, ví dụ như xác suất tìm electron ở bất kỳ vùng cụ thể nào xung quanh hạt nhân nguyên tử.

obitan nguyên tử - phân tử
Tập hợp obitan phân tử của axetylen (H-C≡C-H)

Thuật ngữ “obitan” được đề xuất năm 1932 bởi Robert S. Mulliken như là viết tắt cho “hàm số sóng obitan cho một electron”. Ở một mức cơ bản, “obitan” được sử dụng để mô tả vùng không gian trong đó hàm số có biên độ đáng kể. Các obitan phân tử thường được xây dựng bằng cách kết hợp quỹ đạo nguyên tử hoặc obitan lai từ mỗi nguyên tử của phân tử, hoặc các obitan phân tử khác từ các nhóm nguyên tử. Obitan phân tử có thể được định lượng bằng cách sử dụng phương pháp Hartree-Fock hay phương pháp trường tự tương hợp (SCF, self-consistent field).

Một obitan phân tử (MO) có thể được sử dụng để biểu diễn các vùng trong một phân tử nơi một điện tử (electron) chiếm được obitan đó có thể sẽ được tìm thấy. Obitan phân tử thu được hay được cấu thành từ sự kết hợp của obitan nguyên tử, mà nó dự đoán vị trí của một điện tử trong nguyên tử. Một obitan phân tử có thể xác định cấu hình electron của một phân tử: năng lượng và sự phân bố không gian của một (hoặc một cặp) điện tử.

Thông thường, obitan phân tử được thể hiện như một tổ hợp tuyến tính các quỹ đạo nguyên tử (phương pháp LCAO-MO), đặc biệt là trong việc sử dụng xấp xỉ gần hoặc định tính. Obitan phân tử rất có giá trị trong việc cho ra một mô hình đơn giản của liên kết trong các phân tử, được hiểu qua lý thuyết obitan phân tử do các nhà khoa học nghiên cứu đưa ra.

obitan nguyên tử - phân tử
Sự lai hóa của obitan nguyên tử B và F để tạo thành obitan phân tử BF3

Hầu hết các phương pháp hiện đại ngày nay trong Hóa học tính toán bắt đầu bằng cách tính các obitan phân tử của hệ thống. Một obitan phân tử mô tả hành vi của một điện tử (electron) trong trường điện tạo ra bởi các hạt nhân và một số phân bố trung bình của các điện tử khác. Trong trường hợp có hai điện tử chiếm cùng một obitan, tuân theo nguyên lý Pauli, chúng phải có spin ngược nhau. Đây là điều cần thiết và các mô tả chính xác cao về hàm sóng điện từ phân tử không có obitan.

BÌNH LUẬN

Vui lòng nhập bình luận của bạn
Vui lòng nhập tên của bạn ở đây