Bậc liên kết là gì?
Bậc liên kết là đại lượng cho biết số lượng liên kết hóa học giữa hai nguyên tử trong một phân tử. Theo thuyết orbital phân tử (MO), bậc liên kết được tính từ số electron nằm trên các orbital liên kết so với số electron nằm trên các orbital phản liên kết. Bậc liên kết càng cao thì liên kết thường càng bền và càng ngắn, còn bậc liên kết bằng 0 nghĩa là phân tử (hoặc ion) đó không thể tồn tại.
Cách sử dụng máy tính này
Bạn chỉ cần nhập tổng số electron trên các orbital liên kết và tổng số electron trên các orbital phản liên kết. Những giá trị này được xác định khi bạn điền electron vào giản đồ năng lượng MO của phân tử cần xét. Máy tính sẽ trả về bậc liên kết ngay lập tức. Orbital liên kết thường được ký hiệu không có dấu sao (ví dụ σ, π), còn orbital phản liên kết có dấu sao (σ*, π*).
Giải thích công thức
Công thức tính bậc liên kết như sau:
$$\text{Bậc liên kết} = \frac{N_b - N_a}{2}$$
Electron trên orbital liên kết giúp làm bền liên kết, trong khi electron trên orbital phản liên kết lại làm suy yếu liên kết. Ta chia cho 2 vì mỗi liên kết hóa học được tạo thành từ một cặp electron.
Ví dụ minh họa
Hãy xét phân tử nitơ N₂. Các orbital phân tử của nó chứa 10 electron liên kết và 4 electron phản liên kết. $$\text{Bậc liên kết} = \frac{10 - 4}{2} = \frac{6}{2} = \mathbf{3}$$ Kết quả này dự đoán chính xác liên kết ba rất bền trong phân tử N₂.
Bậc Liên Kết của các Phân Tử và Ion Nhị Nguyên Tử Phổ Biến
Bảng dưới đây liệt kê các loài nhị nguyên tử homonuclear phổ biến cùng với số electron trong các quỹ đạo phân tử liên kết (\(N_b\)), số lượng trong quỹ đạo phản liên kết (\(N_a\)), và bậc liên kết tính được từ \(\text{BO} = (N_b - N_a)/2\). Các loài có bậc liên kết bằng 0 không ổn định dưới dạng các phân tử riêng biệt; các loài có một hoặc nhiều electron không ghép đôi là thuận từ.
| Loài | Tổng số electron | Electron liên kết (\(N_b\)) | Electron phản liên kết (\(N_a\)) | Bậc liên kết | Độ ổn định / Tính từ |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂⁺ | 1 | 1 | 0 | 0.5 | Ổn định, thuận từ |
| H₂ | 2 | 2 | 0 | 1 | Ổn định, phản từ |
| He₂ | 4 | 2 | 2 | 0 | Không ổn định |
| Li₂ | 6 | 4 | 2 | 1 | Ổn định, phản từ |
| B₂ | 10 | 6 | 4 | 1 | Ổn định, thuận từ |
| C₂ | 12 | 8 | 4 | 2 | Ổn định, phản từ |
| N₂ | 14 | 10 | 4 | 3 | Ổn định, phản từ |
| O₂⁺ | 15 | 10 | 3 | 2.5 | Ổn định, thuận từ |
| O₂ | 16 | 10 | 6 | 2 | Ổn định, thuận từ |
| O₂⁻ | 17 | 10 | 7 | 1.5 | Ổn định, thuận từ |
| F₂ | 18 | 10 | 8 | 1 | Ổn định, phản từ |
| Ne₂ | 20 | 10 | 10 | 0 | Không ổn định |
Số lượng electron bao gồm cả các đóng góp từ lõi (\(\sigma_{1s}\), \(\sigma^*_{1s}\)) và vỏ hóa trị cho các loài hàng thứ hai. Vì các electron liên kết và phản liên kết lấy từ 1s triệt tiêu lẫn nhau đối với Li₂ đến Ne₂, chỉ có các electron hóa trị thay đổi bậc liên kết — chỉ tính các electron hóa trị cho kết quả giống nhau.
Giải Thích Kết Quả Bậc Liên Kết của Bạn
Bậc liên kết là một đo lường trực tiếp của số lượng ròng của các cặp electron liên kết giữ hai nguyên tử lại với nhau, và nó tương quan chặt chẽ với cường độ và độ ngắn của liên kết đó.
- Bậc liên kết = 0: Các electron liên kết và phản liên kết triệt tiêu hoàn toàn, do đó không có liên kết ròng. Loài đó (ví dụ He₂, Ne₂) không dự kiến tồn tại dưới dạng một phân tử ổn định.
- Giá trị nguyên: Một bậc liên kết bằng 1 tương ứng với một liên kết đơn (H₂, F₂), 2 tương ứng với một liên kết đôi (O₂, C₂), và 3 tương ứng với một liên kết ba (N₂). Bậc liên kết cao hơn có nghĩa là một liên kết mạnh hơn, ngắn hơn.
- Giá trị phân số: Các ion và gốc tự do thường cho bậc liên kết nửa nguyên như 0.5 (H₂⁺), 1.5 (O₂⁻), hoặc 2.5 (O₂⁺). Một kết quả phân số đơn giản phản ánh một số lượng electron ròng lẻ và vẫn chỉ ra một liên kết thực tế, mặc dù yếu hơn.
- Cường độ liên kết và độ dài: Trong một chuỗi các loài tương tự nhau, bậc liên kết cao hơn có nghĩa là năng lượng phân ly liên kết lớn hơn và khoảng cách giữa các nhân ngắn hơn. Ví dụ, liên kết ba N≡N (BO 3) ngắn hơn và mạnh hơn nhiều so với liên kết đơn F–F (BO 1).
Liên hệ đến từ tính: Bậc liên kết cho bạn biết liên kết ròng nhưng không cho biết trạng thái spin. Sau khi lấp đầy sơ đồ MO, hãy kiểm tra xem có bất kỳ quỹ đạo nào chỉ được chiếm một phần không. Nếu các electron không ghép đôi vẫn còn — như trong O₂, vốn giữ hai electron không ghép đôi trong các quỹ đạo \(\pi^*\) của nó — thì phân tử là thuận từ (bị hút bởi một từ trường). Nếu mỗi electron được ghép đôi, nó là phản từ. Đây là lý do tại sao lý thuyết MO thành công nơi các cấu trúc Lewis đơn giản thất bại: nó dự đoán cả bậc liên kết bằng 2 và tính thuận từ của oxy phân tử.
Câu hỏi thường gặp
Bậc liên kết có thể là số thập phân không? Có. Các ion và gốc tự do như O₂⁻ hay ion H₂⁺ có thể có bậc liên kết bán nguyên như 1,5 hoặc 0,5.
Bậc liên kết bằng 0 nghĩa là gì? Nghĩa là số electron liên kết và phản liên kết triệt tiêu lẫn nhau, nên không hình thành liên kết bền — ví dụ như phân tử giả định He₂.
Bậc liên kết liên hệ thế nào với độ bền liên kết? Nhìn chung, bậc liên kết càng cao thì liên kết càng bền và độ dài liên kết càng ngắn.
