Giải bài tập Hóa lớp 10 Bài 10: Liên kết cộng hóa trị

Mở đầu trang 59 Hóa học 10: Trong việc hình thành liên kết hóa học, không phải lúc nào các nguyên tử cũng cho, nhận electron hóa trị với nhau như trong liên kết ion. Thay vào đó, chúng có thể cùng nhau sử dụng chung các electron hóa trị để cùng thỏa mãn quy tắc octet. Trong trường hợp này, một loại liên kết hóa học mới được hình thành. Đó là loại liên kết gì?

Lời giải:

Liên kết mà các nguyên tử sử dụng chung các electron hóa trị để cùng thỏa mãn quy tắc octet được gọi là liên kết cộng hóa trị.

Liên kết cộng hóa trị là liên kết được hình thành giữa hai nguyên tử bằng một hay nhiều cặp electron dùng chung.

1. Sự hình thành liên kết cộng hóa trị

Câu hỏi 1 trang 59 Hóa học 10: Quan sát các Hình 10.1 đến 10.3, cho biết quy tắc octet đã được áp dụng ra sao khi các nguyên tử tham gia hình thành liên kết.

Lời giải:

Quan sát các Hình 10.1 đến 10.3 ta thấy: Các nguyên tử đã góp chung electron khi tham gia hình thành liên kết để mỗi nguyên tử đều đạt được cấu hình electron bền vững giống khí hiếm.

Ví dụ: Để tạo thành liên kết trong phân tử HCl, nguyên tử H và Cl, mỗi nguyên tử góp chung 1 electron tạo thành 1 cặp electron dùng chung. Khi đó H đạt được cấu hình electron của khí hiếm He với 2 electron lớp ngoài cùng, Cl đạt được cấu hình electron của khí hiếm Ar với 8 electron lớp ngoài cùng.

Câu hỏi 2 trang 59 Hóa học 10: Giải thích sự hình thành liên kết trong các phân tử HCl, O₂ và N₂.

Lời giải:

- Sự hình thành liên kết trong phân tử HCl: Nguyên tử hydrogen (H) có cấu hình electron là 1s¹, chlorine (Cl) có cấu hình electron là [Ne]3s²3p⁵. Để đạt được cấu hình bền vững của khí hiếm gần nhất, mỗi nguyên tử này đều cần thêm 1 electron. Vì vậy, mỗi nguyên tử H và Cl cùng góp 1 electron để tạo nên 1 cặp electron dùng chung cho cả hai nguyên tử. Lên kết giữa H và Cl được tạo nên bởi 1 cặp electron dùng chung

- Sự hình thành liên kết trong phân tử O₂: Nguyên tử oxygen (O) có cấu hình electron là 1s²2s²2p⁴ . Để đạt được cấu hình bền vững của khí hiếm gần nhất, mỗi nguyên tử O đều cần thêm 2 electron. Vì vậy, mỗi nguyên tử O cùng góp 2 electron để tạo nên 2 cặp electron dùng chung cho cả hai nguyên tử.

- Sự hình thành liên kết trong phân tử N₂: Nguyên tử nitrogen (N) có cấu hình electron là 1s²2s²2p³_. Để đạt được cấu hình bền vững của khí hiếm gần nhất, mỗi nguyên tử N đều cần thêm 3 electron. Vì vậy, mỗi nguyên tử N cùng góp 3 electron để tạo nên 3 cặp electron dùng chung cho cả hai nguyên tử.

Câu hỏi 3 trang 60 Hóa học 10: Thế nào là liên kết đơn, liên kết đôi và liên kết ba?

Lời giải:

- Liên kết đơn là liên kết được tạo bởi 1 cặp electron dùng chung giữa hai nguyên tử, biểu diễn bằng một gạch nối “–”.

- Liên kết đôi là liên kết được tạo bởi 2 cặp electron dùng chung giữa hai nguyên tử, biểu diễn bằng hai gạch nối “=”.

- Liên kết ba là liên kết được tạo bởi 3 cặp electron dùng chung giữa hai nguyên tử, biểu diễn bằng ba gạch nối “≡”.

Luyện tập trang 60 Hóa học 10: Trình bày sự hình thành liên kết cộng hóa trị trong phân tử Cl₂.

Lời giải:

Chlorine (Cl) có cấu hình electron là [Ne]3s²3p⁵. Để đạt được cấu hình electron bền vững của khí hiếm gần nhất, mỗi nguyên tử Cl đều cần thêm 1 electron. Vì vậy, mỗi nguyên tử Cl góp chung 1 electron để tạo nên cặp electron dùng chung cho cả hai nguyên tử.

Câu hỏi 4 trang 60 Hóa học 10: Viết công thức electron, công thức Lewis và công thức cấu tạo của Cl₂, H₂O, CH₄.

Lời giải:

Luyện tập trang 60 Hóa học 10: Trình bày sự hình thành liên kết cộng hóa trị trong phân tử NH₃.

Lời giải:

Sự hình thành liên kết cộng hóa trị trong phân tử NH₃:

+ Nguyên tử nitrogen (N) có cấu hình electron là 1s²2s²2p³ để đạt được cấu hình giống khí hiếm, nguyên tử N cần thêm 3 electron.

+ Nguyên tử hydrogen (H) có cấu hình electron là 1s¹ để đạt được cấu hình giống khí hiếm, nguyên tử H cần thêm 1 electron.

+ Khi tạo thành liên kết trong phân tử NH₃, mỗi nguyên tử H góp chung 1 electron với nguyên tử N tạo thành 3 cặp electron dùng chung.

2. Liên kết cho - nhận

Câu hỏi 5 trang 61 Hóa học 10: Biết phân tử CO cũng có liên kết cho – nhận. Viết công thức electron và công thức cấu tạo của CO.

Lời giải:

- Cấu hình electron của O là: 1s²2s²2p⁴, vậy O có 6 electron ở lớp ngoài cùng cần nhận thêm 2 electron để đạt được cấu hình electron bền vững giống khí hiếm.

- Cấu hình electron của C là: 1s²2s²2p² , vậy C có 4 electron ở lớp ngoài cùng cần nhận thêm 4 electron để đạt được cấu hình electron bền vững giống khí hiếm.

⇒ Mỗi nguyên tử sẽ góp chung 2 electron để tạo thành 2 cặp electron chung. Khi đó nguyên tử C có 6 electron (chưa đủ octet), O có 8 electron ở lớp ngoài cùng. Do đó, O sẽ sử dụng 1 cặp electron chưa liên kết làm cặp electron chung với nguyên tử C. Trong CO, nguyên tử O đóng góp cặp electron chung nên nguyên là nguyên tử cho, còn nguyên tử C không đóng góp electron nên đóng vai trò nhận.

+ Công thức electron:

+ Công thức cấu tạo:

Câu hỏi 6 trang 61 Hóa học 10: Cho biết đặc điểm của nguyên tử “cho” và nguyên tử “nhận” trong phân tử có liên kết cho – nhận.

Lời giải:

- Nguyên tử “cho” là nguyên tử đóng góp cặp electron chung, nguyên tử đó phải còn cặp electron chưa liên kết.

- Nguyên tử “nhận” là nguyên tử không đóng góp electron, nguyên tử đó phải còn orbital trống.

Luyện tập trang 61 Hóa học 10: Trình bày liên kết cho – nhận trong ion NH₄⁺.

Lời giải:

Trong phân tử NH₃, lớp ngoài cùng của nguyên tử N có 5 electron, trong đó có cặp electron chưa liên kết. Ion H⁺ có orbital trống, không chứa electron. Khi phân tử NH₃ kết hợp với ion H⁺, nguyên tử N đóng góp cặp electron chưa liên kết để tạo liên kết với ion H⁺ tạo thành ion NH₄⁺. Khi đó, liên kết cho – nhận được hình thành, trong đó nguyên tử N là nguyên tử cho, ion H⁺ đóng vai trò nhận electron. Trong ion NH₄⁺, bốn liên kết N – H hoàn toàn tương đương nhau.

3. Phân biệt các loại liên kết dựa theo độ âm điện

Câu hỏi 7 trang 62 Hóa học 10: Vì sao liên kết cộng hóa trị trong các phân tử Cl₂, O₂, N₂ là liên kết cộng hóa trị không phân cực?

Lời giải:

Liên kết cộng hóa trị trong các phân tử Cl₂, O₂, N₂ là liên kết cộng hóa trị không phân cực vì cặp electron chung không bị lệch về phía nguyên tử nào.

Câu hỏi 8 trang 62 Hóa học 10: Trong các phân tử HCl, NH₃ và CO₂, cặp electron chung lệch về phía nguyên tử nào? Giải thích.

Lời giải:

Liên kết trong các phân tử HCl, NH₃, CO₂ là liên kết cộng hóa trị phân cực, trong đó cặp electron chung lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn. Vậy:

+ Trong phân tử HCl, cặp electron chung bị lệch về phía nguyên tử Cl.

+ Trong phân tử NH₃, cặp electron chung bị lệch về phía nguyên tử N.

+ Trong phân tử CO₂, cặp electron chung bị lệch về phía nguyên tử O.

Luyện tập trang 62 Hóa học 10: Nêu thêm ví dụ về phân tử có liên kết cộng hóa trị không phân cực và liên kết cộng hóa trị phân cực. Viết công thức electron của chúng để minh họa.

Lời giải:

- Liên kết cộng hóa trị không phân cực: H₂, Cl₂…

- Liên kết cộng hóa trị phân cực: HBr, H₂O …

Câu hỏi 9 trang 62 Hóa học 10: Liên kết cộng hóa trị trong phân tử dạng A₂ luôn là liên kết cộng hóa trị phân cực hay không phân cực? Giải thích.

Lời giải:

Liên kết cộng hóa trị trong phân tử A₂ luôn là liên kết cộng hóa trị không phân cực vì hiệu độ âm điện giữa hai nguyên tử tham gia liên kết bằng 0.

$\Delta \chi =\chi \left(A\right)-\chi \left(A\right)=0$

Câu hỏi 10 trang 63 Hóa học 10: Em có nhận xét gì khi cặp electron chung trong liên kết lệch hẳn về một phía nguyên tử.

Lời giải:

Khi cặp electron chung trong liên kết lệch hẳn về một phía một nguyên tử thì liên kết giữa hai nguyên tử là liên kết ion.

Luyện tập trang 63 Hóa học 10: Cho biết loại liên kết trong các phân tử MgCl₂, CO₂ và C₂H₄?

Lời giải:

4. Sự hình thành liên kết σ, π và năng lượng liên kết

Câu hỏi 11 trang 63 Hóa học 10: Quan sát các Hình từ 10.5 đến 10.8, cho biết liên kết nào trong mỗi phân tử được tạo thành bởi sự xen phủ trục hoặc xen phủ bên của các orbital.

Lời giải:

- Liên kết σ (sigma) được hình thành do sự xen phủ trục của hai orbital.

- Liên kết π (pi) được hình thành do sự xen phủ bên của hai orbital.

Câu hỏi 12 trang 63 Hóa học 10: Mô tả sự hình thành liên kết σ.

Lời giải:

Liên kết σ được hình thành do sự xen phủ trục của hai orbital. Vùng xen phủ nằm trên đường nối tâm hai nguyên tử. Ví dụ:

Câu hỏi 13 trang 64 Hóa học 10: Mô tả sự hình thành liên kết π.

Lời giải:

- Liên kết π (pi) được hình thành do sự xen phủ bên của hai orbital. Vùng xen phủ nằm hai bên đường nối tâm hai nguyên tử.

Câu hỏi 14 trang 64 Hóa học 10: Quan sát Hình 10.8, hãy so sánh sự hình thành liên kết σ và liên kết π.

Lời giải:

Câu hỏi 15 trang 64 Hóa học 10: Theo em, thế nào là liên kết bội? Phân tử nào dưới đây có chứa liên kết bội: Cl₂, HCl, O₂ và N₂?

Lời giải:

- Liên kết bội là liên kết được hình thành giữa hai nguyên tố bằng hai hoặc ba cặp electron chung. Liên kết này được biểu thị bằng hai gạch nối ( = ) hoặc ba gạch nối ( ≡ ).

Liên kết bội gồm cả liên kết σ và liên kết π.

- Công thức electron của Cl₂, HCl, O₂ và N₂:

Vậy phân tử O₂ và N₂ có chứa các liên kết bội.                                    

Câu hỏi 16 trang 64 Hóa học 10: Sự xen phủ có sự tham gia của orbital nào luôn là xen phủ trục?

Lời giải:

Sự xen phủ có sự tham gia của AO s luôn là xen phủ trục vì dù theo phương, chiều nào thì vùng xen phủ cũng nằm trên đường nối tâm giữa hai nguyên tử.

Câu hỏi 17 trang 64 Hóa học 10: Số liên kết σ và liên kết π trong mỗi liên kết đơn, liên kết đôi và liên kết ba lần lượt bằng bao nhiêu?

Lời giải:

- Liên kết đơn gồm 1 liên kết σ.

- Liên kết đôi gồm 1 liên kết σ và 1 liên kết π.

- Liên kết ba gồm 1 liên kết σ và 2 liên kết π.

Luyện tập trang 64 Hóa học 10: Vẽ sơ đồ xen phủ orbital giữa 2 nguyên tử carbon hình thành liên kết đôi trong phân tử ethylene (C₂H₄).

Lời giải:

Sơ đồ xen phủ orbital giữa 2 nguyên tử carbon hình thành liên kết đôi trong phân tử ethylene (C₂H₄):

Câu hỏi 18 trang 64 Hóa học 10: Căn cứ giá trị năng lượng liên kết H-H và N≡N đã cho, liên kết trong phân tử nào dễ bị phá vỡ hơn?

Lời giải:

Năng lượng liên kết đặc trưng cho độ bền của liên kết. Năng lượng liên kết càng lớn thì liên kết càng bền và ngược lại.

Năng lượng liên kết trong phân tử N₂ (E_b = 945 kJ/mol) lớn hơn năng lượng liên kết trong phân tử H₂ (E_b = 432 kJ/mol) ⇒ liên kết trong phân tử H₂ dễ bị phá vỡ hơn.

Câu hỏi 19 trang 65 Hóa học 10: Theo em vì sao năng lượng liên kết luôn có giá trị dương?

Lời giải:

Năng lượng liên kết luôn có giá trị dương vì để phá vỡ các liên kết giữa các nguyên tử thì cần phải cung cấp năng lượng.

Luyện tập trang 65 Hóa học 10: Nitrogen chiếm khoảng 78% thể tích không khí nhưng chỉ hoạt động ở nhiệt độ cao. Vì sao nitrogen là một chất khí không hoạt động ở điều kiện thường?

Lời giải:

Nitrogen là một chất khí không hoạt động ở điều kiện thường vì năng lượng liên kết trong phân tử N₂ lớn (E_b = 945 kJ/mol), phân tử N₂ bền.

Vận dụng trang 65 Hóa học 10: Trong một số trường hợp đặc biệt, khí nitrogen được sử dụng để bơm lốp (vỏ) xe thay cho không khí là do khí oxygen có trong không khí có thể oxi hóa cao su theo thời gian. Khí nitrogen vì sao khắc phục được nhược điểm này?

Lời giải:

Khí nitrogen có năng lượng liên kết (E_b = 945 kJ/mol) lớn hơn nhiều so với khí oxygen (E_b = 498 kJ) nên không oxi hóa cao su (của lốp xe) theo thời gian.

Câu hỏi 20 trang 66 Hóa học 10: Trình bày các bước trong quá trình lắp ráp mô hình phân tử NH₃.

Lời giải:

Các bước trong quá trình lắp ráp mô hình phân tử NH₃:

Bước 1: Xác định hình học phân tử của chất cần lắp ráp. Cụ thể:

Phân tử NH₃ có dạng hình chóp với nguyên tử N ở đỉnh:

Bước 2: Xác định số lượng các loại liên kết và kiểu liên kết trong phân tử, qua đó xác định số lượng mỗi loại khối cầu và số thanh nối cần dùng. Cụ thể:

+ Khi tạo thành liên kết trong phân tử NH₃, mỗi nguyên tử H góp chung 1 electron với nguyên tử N tạo thành 3 cặp electron dùng chung.

+ Chọn 3 thanh nối biểu diễn 3 liên kết đơn N-H. Chọn 1 quả cầu biểu diễn nguyên tử N và 3 quả cầu (khác màu với N, bán kính nhỏ hơn) biểu diễn 3 nguyên tử H.

Bước 3: Hoàn chỉnh mô hình phân tử

Câu hỏi 21 trang 66 Hóa học 10: Mô hình sau biểu diễn phân tử CH₄ hay phân tử CH₃Cl?

Lời giải:

Mô hình trên biểu diễn phân tử CH₃Cl vì: Mô hình này gồm 3 loại nguyên tử khác màu gồm: 1 nguyên tử C được biểu diễn bằng quả cầu màu đen, 3 nguyên tử H được biểu diễn bằng 3 quả cầu màu trắng và 1 nguyên tử Cl được viểu diễn bằng quả cầu màu xanh.

Vận dụng trang 66 Hóa học 10: Lắp ráp mô hình phân tử CH≡CH, biết toàn bộ các nguyên tử nằm trên cùng một đường thẳng.

Lời giải:

Bước 1: Xác định hình học phân tử của CH≡CH:

Toàn bộ các nguyên tử nằm trên cùng một đường thẳng.

Bước 2: Xác định số lượng các loại liên kết và kiểu liên kết trong phân tử, qua đó xác định số lượng mỗi loại khối cầu và số thanh nối cần dùng. Cụ thể:

- Phân tử CH ≡ CH gồm có 2 liên kết đơn C – H và 1 liên kết ba C ≡ C.

- Chuẩn bị:

+ 5 thanh nối tương ứng với các liên kết.

+ 2 quả cầu màu đen biểu diễn C, hai quả cầu màu trắng biểu diễn H.

Bước 3: Hoàn chỉnh mô hình phân tử

Bài tập (trang 66)

Bài 1 trang 66 Hóa học 10: Trong phân tử iodine (I₂), mỗi nguyên tử iodine đã góp một electron để tạo cặp electron chung. Nhờ đó, mỗi nguyên tử iodine đã đạt cấu hình electron bền vững của khí hiếm nào dưới đây?

A. Xe

B. Ne

C. Ar

D. Kr

Lời giải:

Đáp án đúng là: A

Trong phân tử iodine (I₂), mỗi nguyên tử iodine đã góp một electron để tạo cặp electron chung ⇒ mỗi nguyên tử I đều đạt 8 electron lớp ngoài cùng.

Lại có nguyên tử I có 5 lớp electron vậy mỗi nguyên tử I đã đạt cấu hình electron bền vững của khí hiếm Xe.

Bài 2 trang 66 Hóa học 10: Hydrogen sulfide (H₂S) và phosphine (PH₃) đều là những chất có mùi khó ngửi và rất độc. Trình bày sự tạo thành liên kết cộng hóa trị trong phân tử các chất trên.

Lời giải:

- Sự tạo thành liên kết cộng hóa trị trong phân tử H₂S:

+ Nguyên tử S có cấu hình electron là: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴ cần 2 electron để đạt được cấu hình bền vững giống khí hiếm.

+ Nguyên tử H có cấu hình electron là: 1s¹ cần thêm 1 electron để đạt được cấu hình giống khí hiếm.

+ Khi hình thành phân tử H₂S, mỗi nguyên tử H sẽ góp chung 1 electron với nguyên tử S để tạo thành 2 cặp electron dùng chung.

- Sự tạo thành liên kết cộng hóa trị trong phân tử PH₃:

+ Nguyên tử P có cấu hình electron là: 1s²2s²2p⁶3s²3p³ cần thêm 3 electron để đạt cấu hình electron bền vững giống khí hiếm.

+ Nguyên tử H có cấu hình electron là: 1s¹ cần thêm 1 electron để đạt được cấu hình electron bền vững giống khí hiếm.

+ Khi hình thành phân tử PH₃, mỗi nguyên tử H sẽ góp chung 1 electron với nguyên tử P để tạo thành 3 cặp electron dùng chung.

Bài 3 trang 66 Hóa học 10: Viết công thức Lewis của các phân tử CS₂, SCl₂ và CCl₄.

Lời giải:

- Phân tử CS₂: Mỗi nguyên tử S sẽ góp chung 2 electron mới nguyên tử C tạo thành 4 cặp electron dùng chung:

- Phân tử SCl₂: Mỗi nguyên tử Cl sẽ góp chung 1 electron với nguyên tử S để tạo thành 2 cặp electron dùng chung.

- Phân tử CCl₄: Mỗi nguyên tử Cl sẽ góp 1 electron với nguyên tử C để tạo thành 4 cặp electron dùng chung.

Bài 4 trang 66 Hóa học 10: Trình bày sự hình thành liên kết cho – nhận trong phân tử sulfur dioxide (SO₂).

Lời giải:

+ O và S đều có 6 electron ở lớp ngoài cùng, đều cần nhận thêm 2 electron để đạt được cấu hình bền vững của khí hiếm.

+ Khi hình thành phân tử SO₂, một nguyên tử O góp chung 2 electron với nguyên tử S để tạo thành 2 cặp electron dùng chung. Nguyên tử O còn lại chưa được liên kết, trong khi đó nguyên tử S vẫn còn 2 đôi electron chưa tham gia liên kết, do đó nguyên tử S sẽ cho nguyên tử O chưa tham gia liên kết 1 cặp electron để dùng chung.

+ Công thức electron:

Công thức cấu tạo:

Bài 5 trang 66 Hóa học 10: Mô tả sự tạo thành liên kết trong phân tử chlorine bằng sự xen phủ của các AO.

Lời giải:

- Cấu hình electron lớp ngoài cùng của nguyên tử chlorine được biểu diễn trên các orbital như sau:

- Sự hình thành liên kết giữa hai nguyên tử chlorine là do sự xen phủ trục giữa hai AO p chứa electron độc thân của mỗi nguyên tử chlorine. Liên kết được tạo thành giữa hai nguyên tử chlorine là liên kết σ.

Bài 6 trang 66 Hóa học 10: Sự xen phủ giữa hai orbital p trong trường hợp nào sẽ tạo thành liên kết σ? Trong trường hợp nào sẽ tạo thành liên kết π? Cho ví dụ.

Lời giải:

Khi các nguyên tử liên kết với nhau, các AO phải được sắp xếp ở vị trí phù hợp. Chẳng hạn khi hình thành phân tử giữa hai nguyên tử, vị trí của các AO như sau:

Khi đó, hai AO p_z nằm dọc trên cùng một trục nên chỉ có thể xen phủ trục với nhau (chỉ tạo thành liên kết σ). Ví dụ:

Còn hai AO p_x (hoặc hai AO p_y) là song song nên chỉ có thể xen phủ bên với nhau (tạo thành liên kết π). Ví dụ:

Bài 7 trang 66 Hóa học 10: Cho biết số liên kết σ và liên kết π trong phân tử acetylene (C₂H₂).

Lời giải:

- Phân tử C₂H₂ gồm 3 liên kết σ và 2 liên kết π. Cụ thể:

Bài 8 trang 66 Hóa học 10: Năng lượng liên kết của các hydrogen halide được liệt kê trong bảng sau:

Sắp xếp theo chiều tăng dần độ bền liên kết trong các phân tử HF, HCl, HBr và HI

Lời giải:

Năng lượng liên kết là thước đo độ bền liên kết. Năng lượng liên kết càng lớn thì liên kết càng bền.

⇒ Sắp xếp theo chiều tăng dần độ bền liên kết: HI < HBr < HCl < HF.