Thuyết liên kết hoá trị

Thuyết liên kết hoá trị giải thích liên kết cộng hoá trị là sự xen phủ giữa các obitan nguyên tử trên những nguyên tử lân cận. Trong cách trình bày nhập môn quen thuộc, các electron liên kết chủ yếu được định xứ giữa hai hạt nhân, nên mô hình này giúp giải thích hướng liên kết, liên kết $\sigma$, liên kết $\pi$ và sự lai hoá.

Nếu bạn chỉ nhớ một câu hỏi, hãy nhớ câu này: những obitan nào đang xen phủ để tạo thành liên kết? Câu hỏi đó thường đưa bạn đến gần bản chất hoá học hơn nhiều so với việc chỉ vẽ một đường giữa hai nguyên tử rồi dừng lại ở đó.

Thuyết liên kết hoá trị nói gì

Trong hoá học nhập môn, thuyết liên kết hoá trị thường nhấn mạnh ba ý:

• liên kết cộng hoá trị hình thành từ sự xen phủ của các obitan nguyên tử
• các electron liên kết được xem là chủ yếu định xứ giữa hai nguyên tử
• loại liên kết và hướng liên kết phụ thuộc vào cách các obitan xen phủ trong không gian

Đó là lý do hình dạng obitan rất quan trọng. Sự xen phủ trực diện tạo ra liên kết $\sigma$. Sự xen phủ bên cạnh của các obitan $p$ song song, không lai hoá, tạo ra liên kết $\pi$.

Vì sao sự xen phủ obitan quan trọng

Không phải mọi kiểu xen phủ đều hiệu quả như nhau. Sự xen phủ hiệu quả hơn thường có nghĩa là mật độ electron giữa hai hạt nhân lớn hơn và, trong mô hình này, tương tác liên kết mạnh hơn.

Hướng cũng rất quan trọng. Vì các obitan định hướng theo những phương xác định, thuyết liên kết hoá trị giúp giải thích vì sao nhiều liên kết cộng hoá trị có hình dạng dự đoán được thay vì sắp xếp ngẫu nhiên.

Ví dụ có lời giải: Eten và vì sao liên kết đôi có hai phần

Eten, $C_2H_4$, là một ví dụ điển hình vì nó cho thấy cả sự lai hoá lẫn sự xen phủ obitan trong cùng một phân tử.

Trong thuyết liên kết hoá trị nhập môn, mỗi nguyên tử carbon trong eten thường được mô tả là lai hoá $sp^2$. Khi đó, mỗi carbon có ba obitan $sp^2$ nằm trong cùng một mặt phẳng và một obitan $p$ không lai hoá vuông góc với mặt phẳng đó.

Khi ấy, bức tranh liên kết là:

• một obitan $sp^2$ của một nguyên tử carbon xen phủ trực diện với một obitan $sp^2$ của nguyên tử carbon còn lại để tạo liên kết $\sigma$ $C-C$
• các obitan $sp^2$ còn lại trên mỗi nguyên tử carbon xen phủ với các obitan $1s$ của hydrogen để tạo bốn liên kết $\sigma$ $C-H$
• các obitan $p$ không lai hoá trên hai nguyên tử carbon xen phủ bên cạnh để tạo một liên kết $\pi$

Vì vậy, liên kết đôi carbon-carbon trong eten không phải là hai liên kết giống hệt nhau. Nó gồm một liên kết $\sigma$ cộng với một liên kết $\pi$. Đây là cách giải thích trực tiếp của thuyết liên kết hoá trị cho cả loại liên kết lẫn hình học phân tử.

Sự lai hoá phù hợp với mô hình này như thế nào

Thuyết liên kết hoá trị cơ bản có thể mô tả những kiểu xen phủ đơn giản như $1s-1s$ hoặc $p-p$. Với nhiều phân tử, như vậy vẫn chưa đủ để giải thích các góc liên kết quan sát được.

Sự lai hoá mở rộng mô hình bằng cách cho phép các obitan trên cùng một nguyên tử trộn lẫn với nhau trước khi tạo liên kết. Trong cách nhìn đó, các ký hiệu như $sp$, $sp^2$ và $sp^3$ giúp giải thích những kiểu sắp xếp liên kết tuyến tính, tam giác phẳng và tứ diện thường gặp.

Trong hầu hết các bối cảnh hoá học đại cương, sự lai hoá được dạy như một phần của khung thuyết liên kết hoá trị rộng hơn. Đây là một mô hình dùng để giải thích kiểu liên kết, không phải một lý thuyết riêng biệt để cạnh tranh với nó.

Thuyết liên kết hoá trị so với thuyết obitan phân tử

Thuyết liên kết hoá trị và thuyết obitan phân tử đều mô tả liên kết cộng hoá trị, nhưng chúng nhấn mạnh những cách nhìn khác nhau.

Thuyết liên kết hoá trị tập trung vào các liên kết định xứ giữa những cặp nguyên tử cụ thể. Thuyết obitan phân tử sử dụng các obitan có thể trải rộng trên toàn bộ phân tử. Với nhiều bài toán nhập môn, thuyết liên kết hoá trị cho một bức tranh cục bộ nhanh gọn. Nếu electron bị delocal hóa mạnh, thuyết obitan phân tử thường mô tả sự phân bố đó tự nhiên hơn.

Không nên xem bất kỳ mô hình nào là ngôn ngữ đúng duy nhất cho mọi phân tử. Mô hình phù hợp hơn phụ thuộc vào đặc điểm mà bạn đang muốn giải thích.

Những lỗi thường gặp

Xem lý thuyết này chỉ như công thức Lewis với từ ngữ mới

Điểm cốt lõi không nằm ở đường liên kết tự nó. Điểm cốt lõi là sự xen phủ obitan tạo ra mật độ electron liên kết giữa các nguyên tử.

Cho rằng mọi phân tử đều được mô tả tốt nhất bằng các liên kết hoàn toàn định xứ

Thuyết liên kết hoá trị hoạt động tốt nhất như một mô hình liên kết định xứ. Nếu một phân tử có sự delocal hóa mạnh, bức tranh hoàn toàn cục bộ có thể bỏ sót những tính chất quan trọng.

Quên điều kiện để có liên kết $\pi$

Liên kết $\pi$ cần các obitan $p$ song song, không lai hoá, có thể xen phủ bên cạnh. Nếu hình học đó không có sẵn, cách mô tả liên kết $\pi$ thông thường sẽ không còn áp dụng được.

Xem sự lai hoá như một lý thuyết tách biệt

Trong hầu hết các khoá học nhập môn, sự lai hoá là một phần mở rộng bên trong thuyết liên kết hoá trị, không phải một lý thuyết hoàn toàn không liên quan.

Khi nào các nhà hoá học dùng thuyết liên kết hoá trị

Thuyết liên kết hoá trị đặc biệt hữu ích khi bạn muốn giải thích:

• vì sao một liên kết cộng hoá trị hình thành giữa hai nguyên tử
• vì sao một liên kết là liên kết $\sigma$ hay liên kết $\pi$
• vì sao liên kết có tính định hướng
• vì sao sự lai hoá giúp giải thích góc liên kết trong nhiều phân tử phổ biến

Nó thực tế nhất khi một phân tử có thể được mô tả khá hợp lý bằng các liên kết định xứ và một bức tranh kiểu công thức Lewis. Đó là lý do nó xuất hiện rất thường xuyên trong hoá hữu cơ nhập môn và các thảo luận về liên kết.

Hãy thử một trường hợp tương tự

Hãy tự làm phiên bản của bạn với axetilen, $C_2H_2$. Hãy hỏi những obitan nào xen phủ để tạo liên kết $C-C$, có bao nhiêu liên kết $\pi$, và vì sao hình học là tuyến tính. Nếu bạn muốn học thêm một chủ đề liên quan, hãy tìm hiểu tiếp về sự lai hoá và so sánh $sp$, $sp^2$ và $sp^3$ như những mô hình liên kết.