Đề tài Giảng dạy một số nội dung liên kết hóa học ở trường THPT

1 MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cảm ơn Trang Mục lục: ..................................................................................................................... 1 Danh mục các cụm từ viết tắt: .................................................................................... 4 PHẦN I: MỞ ðẦU 1. Lí do chọn ñề tài:.................................................................................................... 5 2. Mục tiêu nghiên cứu: .............................................................................................. 5 3. Nhiệm vụ nghiên cứu: ............................................................................................ 6 4. Các phương pháp nghiên cứu: ................................................................................ 6 5. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu:.......................................................................... 6 PHẦN II: NỘI DUNG Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LIÊN KẾT HOÁ HỌC – CẤU TRÚC HÌNH HỌC PHÂN TỬ 1.1. Các ñặc trưng cơ bản của liên kết hoá học: .......................................................... 7 1.1.1. Khái niệm liên kết:...................................................................................... 7 1.1.2. Năng lượng liên kết:.................................................................................... 8 1.1.3. ðộ dài liên kết:............................................................................................ 9 1.1.4. Góc liên kết:................................................................................................ 9 1.2. Liên kết cộng hoá trị: ......................................................................................... 10 1.3. Thuyết VB và sự giải thích các vấn ñề về liên kết: ............................................. 10 1.3.1. Cơ sở lý thuyết:........................................................................................ 11 1.3.2. Sự tạo thành phân tử H2 từ hai nguyên tử H: ............................................. 11 1.3.3. Nôi dung cơ bản của thuyết VB: ............................................................... 12 1.3.3.1. Nguyên lí xen phủ cực ñại: ............................................................ 13 1.3.3.2. Tính bão hoà của liên kết cộng hoá trị: .......................................... 13 1.3.3.3. Tính ñịnh hướng của liên kết cộng hoá trị: .................................... 14 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 2 1.3.3.4. Thuyết lai hoá các orbitan nguyên tử: ............................................ 15 1.4. Mô hình sự ñẩy cặp electron vỏ hoá trị (thuyết VSEPR): ................................... 19 1.4.1. Các luận ñiểm cơ sở:................................................................................. 19 1.4.2. Mô hình VSEPR (qui tắc kinh nghiệm Gilexpi): ....................................... 20 1.4.2.1. Phân tử có dạng AXn: .................................................................... 21 1.4.2.2. Phân tử có dạng AXnEm:................................................................ 22 Chương 2: GIẢNG DẠY NỘI DUNG LIÊN KẾT Ở TRƯỜNG THPT 2.1. Một số nội dung về liên kết hoá học ở chương 3 SGK hoá học 10 nâng cao: ..... 26 2.2. Một số nội dung về liên kết hoá học trong các bài của SGK hoá học 10, 11:...... 28 2.2.1. Chương trình SGK hoá học 10 nâng cao: ................................................ 28 2.2.2. Chương trình SGK hoá học 11 nâng cao: ................................................ 28 2.3. Một số khái niệm: .............................................................................................. 28 2.3.1. Quy tắc octet (quy tắc bát tử): ................................................................. 28 2.3.2. Liên kết cộng hóa trị: .............................................................................. 28 2.3.3. Công thức cấu tạo Lewis (sơ ñồ Lewis):.................................................. 29 2.3.3.1. Nội dung và phạm vi áp dụng của công thức: ............................ 30 2.3.3.2. Ưu, khuyết ñiểm của công thức phân tử theo Lewis:.................. 30 2.3.3.3. Thành lập công thức cấu tạo Lewis của các chất:....................... 32 2.3.3.4. Các bước viết công thức cấu tạo Lewis:..................................... 33 2.4. Khảo sát hình học phân tử một số hợp chất cộng hoá trị: ................................... 37 2.5. Lai hoá AO nguyên tử: ...................................................................................... 40 2.5.1. Lai hoá sp3: .............................................................................................. 40 2.5.2. Lai hoá sp2: .............................................................................................. 42 2.5.3. Lai hoá sp: ............................................................................................... 43 2.6. Mối liên hệ giữa công thức Lewis – VSEPR – Lai hoá AO:............................... 44 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 3 Chương 3: MỘT SỐ KẾT QUẢ BAN ðẦU 3.1. Kết quả khảo sát: ............................................................................................... 46 3.1.1. Mục tiêu và nhiệm vụ của việc khảo sát: ................................................ 46 3.1.2. Kế hoạch khảo sát: ................................................................................. 46 3.1.3. Thống kê số liệu:................................................................................... 46 3.1.4. ðồ thị:.................................................................................................... 48 3.1.5. Nhận xét: ............................................................................................... 49 3.2. Một số giáo án giảng dạy nội dung “liên kết hóa học”: ...................................... 50 PHẦN III: KẾT LUẬN 1. Kết luận chung: .................................................................................................... 64 2. Ý kiến ñề xuất: ..................................................................................................... 64 2.1. ðối với sinh viên trường sư phạm:..................................................................... 64 2.2. ðối với giáo viên trường THPT: ........................................................................ 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO: ....................................................................................... 65 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Mẫu phiếu phỏng vấn giáo viên về thực trạng dạy và học nội dung “liên kết hoá học “ ở trường THPT. Phụ lục 2: ðề kiểm tra 10 phút dạng bài tập trắc nghiệm khách quan về “liên kết hoá học” cho học sinh lớp 10 nâng cao. Phụ lục 3: Mẫu phiếu học tập bài 17 “Liên kết cộng hóa trị” Phụ lục 4: Hệ thống một số bài tập trắc nghiệm hoàn thiện kiến thức “liên kết hoá học – cấu tạo phân tử” PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 4 DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT 1. CHLT: Cơ học lượng tử 2. GV: Giáo viên 3. HS: Học sinh 4. THPT: Trung học phổ thông 5. SGK: Sách giáo khoa PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 5 PHẦN I: MỞ ðẦU 1. Lí do chọn ñề tài Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học, hoá học nói riêng ñã bước sang một trang mới, có rất nhiều các thành tựu toán học, vật lý, triết học… ñã ñược vận dụng vào trong hoá học giúp hiểu sâu sắc hơn về bản chất của hoá học cũng như ñưa ra các ñịnh luật mới về hoá học. Do ñó việc nhận thức một cách ñúng ñắn và ñầy ñủ các thành tựu khoa học hoá học là một ñiều rất quan trọng. ðối tượng của hoá học là chất, liên kết giữa các nguyên tử, phân tử, do ñó vấn ñề về bản chất liên kết của các chất, cấu tạo phân tử… ñã ñược nghiên cứu từ rất lâu. Tuy nhiên, kết quả ñạt ñược vẫn còn rất hạn chế. Bước ngoặc lớn nhất làm thay ñổi diện mạo của khoa học nói chung và hoá học nói riêng là khi vận dụng CHLT vào hoá học, dưới ánh sáng của khoa học hiện ñại ñã xuất hiện nên những lí thuyết mới giải thích một cách tương ñối thỏa ñáng các vấn ñề hoá học. Từ những luận ñiểm trên ta thấy rằng việc giảng dạy nội dung liên kết hóa học là vô cùng quan trọng. Tuy nhiên, thực trạng hiện nay GV phổ thông cũng như sinh viên sư phạm nói riêng vẫn còn mơ hồ về các lí thuyết liên kết, về ý nghĩa thực tiễn và vai trò của nó trong việc giảng dạy, do ñó một bộ phận không nhỏ GV ñứng lớp dạy các bài liên quan ñến vấn ñề liên kết hoá học vẫn giải thích cho HS một cách chung chung, không hiểu rõ nguồn gốc, bản chất của vấn ñề từ ñó làm cho HS cảm thấy bài học rời rạc không liên tục thống nhất, không biết học phần này ứng dụng ñể làm gì… Xuất phát từ những lí do trên, tôi ñã quyết ñịnh chọn ñề tài “Giảng dạy một số nội dung liên kết hóa học ở trường THPT” làm ñề tài khóa luận tốt nghiệp. 2. Mục tiêu nghiên cứu Hệ thống một số cơ sở lí thuyết về liên kết hoá học, cấu tạo phân tử của các hợp chất trong chương trình hoá học 10, 11 ( SGK nâng cao). Rèn luyện cho học sinh kĩ năng giải thích ñúng bản chất liên kết hoá học, hình học phân tử một số chất. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 6 Cung cấp tư liệu cho giáo viên dùng ñể tham khảo, hỗ trợ việc giảng dạy các bài, các mục có liên quan ñến việc giải thích sự hình thành liên kết và dạng hình học phân tử của một số chất. Khảo sát thực tế HS về khả năng vận dụng kiến thức giải thích liên kết hoá học, hình học phân tử. Tham khảo ý kiến của GV về việc giảng dạy nội dung này ở trường THPT hiện nay. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu, hệ thống cơ sở các lí thuyết về liên kết hóa học - Nghiên cứu chương trình SGK hoá học 10,11, tài liệu giáo khoa chuyên hoá học. - Khảo sát thực tế GV và HS ở trường THPT TP Cao Lãnh về thực trạng dạy và học nội dung “liên kết hoá học của các hợp chất cộng hoá trị”. - Vận dụng hệ thống các lí thuyết liên kết vào việc giảng dạy các bài, mục trong chương trình hoá học ở trường THPT. - Tiến hành khảo sát sư phạm, ñánh giá một số kết quả ban ñầu. 4. Các phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu các tài liệu lí luận như: Nghiên cứu SGK hoá học 10, 11 và các tài liệu tham khảo. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Tham khảo ý kiến GV và khảo sát HS các lớp khối 10. Một số phương pháp khác: Test, thống kê toán học, nhận xét ñánh giá. 5. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu Hệ thống cơ sở lí thuyết và một số dạng bài tập về nội dung liên kết hoá học và hình học phân tử các hợp chất cộng hoá trị. Trọng tâm của ñề tài là giải thích sự hình thành liên kết và dạng hình học phân tử của các hợp chất cộng hoá trị. Tiến hành tham khảo ý kiến giáo viên và khảo sát học sinh ở trường THPT TP Cao Lãnh, chưa thực hiện ñược trên diện rộng hơn. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 7 PHẦN II: NỘI DUNG Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LIÊN KẾT HOÁ HỌC – CẤU TRÚC HÌNH HỌC PHÂN TỬ 1.1. Các ñặc trưng cơ bản của liên kết hoá học 1.1.1. Khái niệm liên kết Khái niệm liên kết hoá học ñã ñược hình thành từ lí thuyết cấu tạo kinh ñiển. ðối với phân tử, khái niệm này luôn luôn gắn liền với sự tương tác chỉ giữa 2 nguyên tử xác ñịnh trong phân tử. Theo lí thuyết hiện ñại thì sự hình thành phân tử xuất hiện do tác dụng tương hỗ của tất cả các hạt nhân và các electron của các nguyên tử tham gia tạo thành phân tử, tác dụng tương hỗ này dẫn ñến sự hình thành một cấu trúc mới vững bền với một năng lượng cực tiểu. Vì phân tử là một hệ thống nhất nên về nguyên tắc người ta không thể cô lập hoàn toàn một tương tác nào ñó trong phân tử ra khỏi các tương tác khác. Tuy nhiên, vì phân tử là một hệ phức tạp nên trong việc mô tả ñịnh tính về phân tử, ñối với những trường hợp ñược phép (chủ yếu là các liên kết xích ma (σ ) và các liên kết (pi ) cô lập) người ta cũng nói ñến mô hình liên kết ñịnh cư hai tâm ứng với quan niệm kinh ñiển về liên kết (ñối với những trường hợp ñặc biệt ñã nói ở trên, lí thuyết kinh ñiển gặp khó khăn không giải quyết nổi thì người ta sử dụng mô hình liên kết không ñịnh cư nhiều tâm gần với nguyên tắc của CHLT) ðối với một số tính chất của phân tử người ta có thể coi tính chất của phân tử bằng tổng tính chất của các nguyên tử (hay) của các liên kết có trong phân tử. Người ta gọi ñó là nguyên lí cộng tính. Nguyên lí cộng tính như vậy ñã chấp nhận tính ñộc lập của các liên kết riêng rẽ trong phân tử. Nguyên lí cộng tính do ñó chỉ có tính gần ñúng và tính hạn chế của nguyên lí này thể hiện rất rõ khi ñược áp dụng ñể xác ñịnh các tính chất của hệ có liên kết không ñịnh cư (cụ thể hoá trong bài toán tính năng lượng liên kết của phân tử benzene, ñề cặp trong mục tiếp theo). PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 8 1.1.2. Năng lượng liên kết (E) Liên kết ñược ñặc trưng bởi ñộ bền hay năng lượng liên kết. Quá trình hình thành phân tử từ các nguyên tử luôn luôn gắn liền với sự giải phóng năng lượng (thường tính với dấu trừ). Năng lượng này ñược gọi là năng lượng hình thành phân tử. Ngược lại, sự phá vỡ phân tử thành những nguyên tử riêng rẽ luôn luôn gắn liền với sự thu nhận năng lượng (thường tính với dấu +). Năng lượng này ñược gọi là năng lượng nguyên tử hoá phân tử Ví dụ: C + 4H CH4 Về trị số tuyệt ñối, năng lượng nguyên tử hoá bằng năng lượng hình thành phân tử. Năng lượng cần thiết ñể phá vỡ liên kết A – B ñược gọi là năng lượng phân li liên kết A – B. Về trị số tuyệt ñối, năng lượng này chính là năng lượng hình thành liên kết A – B. Từ sự tổng hợp các dữ liệu thực nghiệm người ta xác ñịnh một giá trị trung bình về năng lượng phân li liên kết cho mỗi loại liên kết A – B xác ñịnh và thường gọi là năng lượng liên kết A - B (ñối với các phân tử nhiều nguyên tử) Bảng 1.1. Năng lượng liên kết (kJ/mol) Liên kết A – B Năng lượng liên kết Liên kết A – B Năng lượng liên kết C – H 418,4 C – F 439,3 C – C 343,4 C – Cl 328,5 C = C 597,7 C – Br 276,1 CC ≡ 811,7 N – H 389,1 C – O 351,1 N – N 159,0 C = O 761,5 NN ≡ 418,4 Hình thành phân tử Nguyên tử hoá phân tử PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 9 Từ bảng trên ta thấy năng lượng liên kết giữa hai nguyên tử xác ñịnh tăng cùng bậc liên kết (ñơn, ñôi, ba) Thí dụ: Khi ta tính năng lượng nguyên tử hoá của benzen dựa vào công thức kinh ñiển: molkJEEEE HCCCCCA /7,53334,418.67,597.34,343.3633 =++=++= −=− Ta thấy giá trị ở trên sai lệch nhiều so với giá trị thực tế (EA = 5497 kJ/mol) molkJEEE AA /3,1637,53335497' =−=−=∆ ðiều ñó chứng tỏ công thức kinh ñiển không phản ánh ñúng cấu tạo thực của benzen và việc áp dụng nguyên lí cộng tính dựa trên mô hình về liên kết ñịnh cư kinh ñiển cho một kết quả sai lệch quá lớn. 1.1.3. ðộ dài liên kết: Khoảng cách giữa hai tâm (hai hạt nhân) của hai nguyên tử tham gia liên kết trực tiếp với nhau (theo công thức cấu tạo kinh ñiển) ñược gọi là ñộ dài liên kết (d). Thí dụ: Trong phân tử H2O thì dO-H = 0,94A0. Giữa hai nguyên tử xác ñịnh, ñộ dài liên kết giảm khi bậc liên kết cũng như năng lượng liên kết tăng. Liên kết C – C C = C CC ≡ E (kJ/mol) 343,4 597,7 811,7 d (A0) 1,54 1,34 1,2 1.1.4. Góc liên kết: Góc liên kết hay góc hoá trị là góc tạo bởi hai nửa ñường thẳng xuất phát từ hạt nhân của một nguyên tử và ñi qua hai hạt nhân của hai nguyên tử khác liên kết trực tiếp với nguyên tử trên. Có 2 loại góc liên kết: - Góc phẳng hay góc giữa 3 nguyên tử (2 trục của liên kết cắt nhau tại một hạt nhân nguyên tử) ñây là trường hợp thường gặp nhất. - Góc nhị diện hay góc xoắn giữa 4 nguyên tử (ta không ñề cặp trong ñề tài này) Thí dụ: Trong phân tử H2O, Oxi tạo hai liên kết với hai nguyên tử H, góc liên kết (góc hoá trị) HOH = 104’50 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 10 1.2. Liên kết cộng hoá trị: - ðiều kiện tạo thành: + Liên kết cộng hoá trị phân cực: Nếu χ∆ < 2 thì cặp electron liên kết lệch về phía nguyên tử của nguyên tố có χ lớn hơn, như: HCl, SO2… + Liên kết cộng hoá trị không phân cực: Khi χ∆ = 0 thì cặp electron liên kết không bị lệch về phía nguyên tử của nguyên tố nào, như: H2, Cl2... Lưu ý một ñiều là do các electron luôn ở trạng thái dao ñộng, nên ñôi khi ñôi electron dùng chung này cũng bị lệch sang một nguyên tử. chẳng hạn, trong phân tử H2, sự lệch ñôi electron này chiếm khoảng 30%, tức là liên kết phân cực cũng ñã xuất hiện. - ðặc ñiểm liên kết: + Lực liên kết cộng hóa trị có tính ñịnh hướng (ñiểm khác biệt so với lực liên kết ion). Vì hai nguyên tử tham gia liên kết ñều có tác dụng lực hút lên ñôi electron dùng chung nên lực này có phương trùng với phương của ñường nối tâm hai hạt nhân nguyên tử. + Chính vì lí do trên mà các phân tử ñược tạo thành nhờ liên kết cộng hóa trị có thể tồn tại ñộc lập (riêng lẽ) ñược. Thực nghiệm có thể xác ñịnh ñược vị trí ñôi electron dùng chung giữa hai nguyên tử. 1.3. Thuyết VB và sự giải thích các vấn ñề về liên kết: Như chúng ta ñã biết có nhiều kiểu liên kết hoá học khác nhau: Cộng hoá trị, ion, kim loại,…Nhưng quan trọng nhất là kiểu liên kết cộng hoá trị. Vì vậy chúng ta tiếp tục xét kiểu liên kết này theo quan ñiểm CHLT ñể hiểu cơ chế tạo thành và các ñặc ñiểm của nó. Vì việc giải chính xác phương trình sóng Schrodinger ñối với các hệ phân tử không thực hiện ñược nên ñể khảo sát liên kết cộng hoá trị người ta ñã ñưa ra nhiều phương pháp giải gần ñúng, trong ñó có 2 phương pháp ñược phổ biến rộng rãi là: Phương pháp liên kết hoá trị của Heitler, London và phương pháp orbitan phân tử của PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 11 Muliken, Hund. Trong phần này chúng ta chỉ tiến hành xem xét liên kết cộng hoá trị theo phương pháp của Heitler, London. 1.3.1. Cơ sở lý thuyết Một cách gần ñúng coi cấu tạo electron của nguyên tử vẫn ñược bảo toàn khi hình thành phân tử từ nguyên tử, nghĩa là trong phân tử vẫn có sự chuyển ñộng của các e trong AO, tuy nhiên khi 2 OA hóa trị của nguyên tử xen phủ nhau tạo liên kết hóa học thì vùng xen phủ là vùng chung của hai nguyên tử. Mỗi liên kết hoá học giữa hai nguyên tử ñược bảo ñảm bởi 2 e spin ñối song mà trong trường hợp chung, trước khi tham gia liên kết mỗi nguyên tử ñó có một e ñộc thân trong một AO hóa trị của nguyên tử, mỗi liên kết hóa học ñược tạo thành ñó là một liên kết hai tâm ( 2 nguyên tử). Tuy nhiên cũng có một số trường hợp liên kết cộng hóa trị ñược ñảm bảo bởi cặp electron của một nguyên tử (liên kết cho nhận) thí dụ như trường hợp ion NH4+… và nhiều phân tử , ion khác nữa. Liên kết ñó không thể hình thành từ một e (thiếu e) hoặc từ 3e trở lên (tính bão hòa của liên kết cộng hóa trị). Theo thuyết VB không thể có hệ H2+ (1e) hoặc ( 3e). Sự xen phủ giữa 2 AO có 2e của hai nguyên tử càng mạnh thì liên kết tạo ra càng bền (nguyên lý xen phủ cực ñại) Liên kết hóa học ñược phân bố theo phương có khả năng lớn về xen phủ các AO ( thuyết hóa trị ñính hướng ) 1.3.2. Sự tạo thành phân tử H2 từ hai nguyên tử H: Năm 1927 hai nhà bác học Heitler và London ñã áp dụng CHLT ñể giải bài toán tính năng lượng liên kết trong phân tử H2, kết quả cho thấy: - Liên kết giữa hai nguyên tử H ñược hình thành khi 2 electron của 2 nguyên tử H có spin ngược dấu (cặp electron ghép ñôi có spin ñối song) - Khi hình thành liên kết, mật ñộ mây electron ở khu vực không gian giữa hai hạt nhân tăng lên. Do ñó ñiện tích âm của mây electron sẽ có tác dụng hút hai hạt nhân và liên kết chúng lại với nhau. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 12 2 obitan 1s - Nếu hai electron có spin cùng dấu thì mật ñộ mây electron ở khu vực giữa hai hạt nhân giảm xuống, mật ñộ electron ở khu vực ngoài hai hạt nhân tăng lên và các mây này có tác dụng ñẩy nhau làm hai hạt nhân tách xa nhau. Như vậy, phân tử H2 ñược hình thành là do sự ghép ñôi của 2 electron có spin ngược chiều nhau. Sau ñó người ta ñã khái quát hoá các kết quả trên và mở rộng thành phương pháp cặp electron liên kết áp dụng cho mọ