Sự khác biệt cơ bản giữa lý thuyết quỹ đạo phân tử và lý thuyết lai hóa là lý thuyết quỹ đạo phân tử mô tả sự hình thành các obitan liên kết và phản liên kết, trong khi lý thuyết lai hóa mô tả sự hình thành các obitan lai hóa.
Có nhiều lý thuyết khác nhau được phát triển để xác định cấu trúc điện tử và quỹ đạo của phân tử. Lý thuyết VSEPR, lý thuyết Lewis, lý thuyết liên kết hóa trị, lý thuyết lai hóa và lý thuyết quỹ đạo phân tử là những lý thuyết quan trọng như vậy. Lý thuyết được chấp nhận nhất trong số đó là lý thuyết quỹ đạo phân tử.
Lý thuyết quỹ đạo phân tử là gì?
Lý thuyết quỹ đạo phân tử là một kỹ thuật mô tả cấu trúc điện tử của phân tử bằng cách sử dụng cơ học lượng tử. Đây là cách hiệu quả nhất để giải thích liên kết hóa học trong phân tử. Hãy để chúng tôi thảo luận chi tiết về lý thuyết này.
Đầu tiên, chúng ta cần biết obitan phân tử là gì. Liên kết hóa học hình thành giữa hai nguyên tử khi lực hút thuần giữa hai hạt nhân nguyên tử và các electron ở giữa chúng vượt quá lực đẩy tĩnh điện giữa hai hạt nhân nguyên tử. Về cơ bản, điều này có nghĩa là, lực hút giữa hai nguyên tử phải cao hơn lực đẩy giữa hai nguyên tử đó. Ở đây, các electron phải tồn tại trong một vùng được gọi là “vùng liên kết”, để hình thành liên kết hóa học này. Nếu không, các điện tử sẽ ở trong “vùng chống liên kết” giúp tạo ra lực đẩy giữa các nguyên tử.
Tuy nhiên, nếu các yêu cầu được đáp ứng và một liên kết hóa học hình thành giữa hai nguyên tử, thì các obitan tương ứng tham gia vào liên kết được gọi là obitan phân tử. Ở đây, chúng ta có thể bắt đầu với hai obitan của hai nguyên tử và kết thúc với một orbital (quỹ đạo phân tử) thuộc về cả hai nguyên tử.
Theo cơ học lượng tử, các obitan nguyên tử không thể xuất hiện hoặc biến mất như chúng ta mong muốn. Khi các obitan tương tác với nhau, chúng có xu hướng thay đổi hình dạng tương ứng. Nhưng theo cơ học lượng tử, chúng có thể tự do thay đổi hình dạng nhưng cần có cùng số obitan. Sau đó, chúng ta cần tìm quỹ đạo bị thiếu. Ở đây, sự kết hợp cùng pha của hai obitan nguyên tử tạo nên obitan liên kết trong khi sự kết hợp lệch pha tạo thành obitan phản liên kết.
Hình 01: Sơ đồ quỹ đạo phân tử
Các electron liên kết chiếm obitan liên kết trong khi các electron ở obitan phản liên kết không tham gia hình thành liên kết. Đúng hơn, những electron này tích cực chống lại sự hình thành liên kết hóa học. Obitan liên kết có thế năng thấp hơn obitan phản liên kết. Nếu chúng ta xem xét một liên kết sigma, ký hiệu cho obitan liên kết là σ, và obitan phản liên kết là σ. Chúng ta có thể sử dụng lý thuyết này để mô tả cấu trúc của các phân tử phức tạp nhằm giải thích tại sao một số phân tử không tồn tại (tức là He2) và trật tự liên kết của các phân tử. Do đó, mô tả này giải thích ngắn gọn cơ sở của lý thuyết quỹ đạo phân tử.
Lý thuyết Lai ghép là gì?
Lý thuyết lai hóa là một kỹ thuật chúng tôi sử dụng để mô tả cấu trúc quỹ đạo của phân tử. Lai hóa là sự hình thành các obitan lai bằng cách trộn hai hoặc nhiều obitan nguyên tử. Sự định hướng của các obitan này quyết định dạng hình học của phân tử. Đây là sự mở rộng của lý thuyết liên kết hóa trị.
Trước khi hình thành các obitan nguyên tử, chúng có năng lượng khác nhau, nhưng sau khi hình thành, tất cả các obitan đều có cùng năng lượng. Ví dụ, một orbital nguyên tử s và một orbital nguyên tử p có thể kết hợp để tạo thành hai obitan sp. Các obitan nguyên tử s và p có năng lượng khác nhau (năng lượng của s < năng lượng của p). Nhưng sau khi lai hóa, nó tạo thành hai obitan sp có cùng năng lượng, và năng lượng này nằm giữa năng lượng của từng obitan nguyên tử s và p. Hơn nữa, quỹ đạo lai sp này có đặc điểm quỹ đạo 50% s và 50% đặc điểm quỹ đạo p.
Hình 02: Liên kết giữa các quỹ đạo lai của nguyên tử cacbon và quỹ đạo của nguyên tử hydro
Ý tưởng lai hóa lần đầu tiên được đưa vào cuộc thảo luận vì các nhà khoa học quan sát thấy rằng lý thuyết liên kết hóa trị không thể dự đoán chính xác cấu trúc của một số phân tử như CH4 Ở đây, mặc dù nguyên tử cacbon chỉ có hai điện tử chưa ghép đôi theo cấu hình điện tử của nó, nhưng nó có thể tạo thành bốn liên kết cộng hóa trị. Để tạo thành bốn liên kết, phải có bốn electron chưa ghép đôi.
Cách duy nhất họ có thể giải thích hiện tượng này là nghĩ rằng các obitan s và p của nguyên tử cacbon hợp nhất với nhau để tạo thành các obitan mới gọi là obitan lai hóa có cùng năng lượng. Ở đây, một s + ba p cho 4 obitan sp3. Do đó, các electron lấp đầy các obitan lai hóa này đồng đều (một electron trên mỗi obitan lai hóa), tuân theo quy tắc Hund. Sau đó, có bốn electron để hình thành bốn liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử hydro.
Sự khác biệt giữa Lý thuyết quỹ đạo phân tử và lý thuyết lai ghép là gì?
Lý thuyết quỹ đạo phân tử là một kỹ thuật mô tả cấu trúc điện tử của phân tử bằng cách sử dụng cơ học lượng tử. Lý thuyết lai hóa là một kỹ thuật chúng tôi sử dụng để mô tả cấu trúc quỹ đạo của phân tử. Vì vậy, sự khác biệt chính giữa lý thuyết quỹ đạo phân tử và lý thuyết lai hóa là lý thuyết quỹ đạo phân tử mô tả sự hình thành các obitan liên kết và phản liên kết, trong khi lý thuyết lai hóa mô tả sự hình thành các obitan lai hóa.
Hơn nữa, theo thuyết obitan phân tử, các obitan mới hình thành từ sự trộn lẫn các obitan nguyên tử của hai nguyên tử trong khi theo thuyết lai hóa, các obitan mới tạo thành sự trộn các obitan nguyên tử của cùng một nguyên tử. Do đó, đây là một điểm khác biệt giữa lý thuyết quỹ đạo phân tử và lý thuyết lai hóa.
Tóm tắt - Lý thuyết quỹ đạo phân tử và lý thuyết lai ghép
Cả lý thuyết quỹ đạo phân tử và lý thuyết lai hóa đều quan trọng trong việc xác định cấu trúc của phân tử. Sự khác biệt cơ bản giữa lý thuyết quỹ đạo phân tử và lý thuyết lai hóa là lý thuyết quỹ đạo phân tử mô tả sự hình thành các obitan liên kết và phản liên kết, trong khi lý thuyết lai hóa mô tả sự hình thành các obitan lai hóa.
