Chiều dài liên kết (Bond length)

Các yếu tố ảnh hưởng đến chiều dài liên kết

Chiều dài liên kết không phải là một hằng số cố định mà phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm:

• Bán kính nguyên tử: Chiều dài liên kết tỉ lệ thuận với bán kính của hai nguyên tử tham gia liên kết. Nguyên tử càng lớn, chiều dài liên kết càng dài. Ví dụ, liên kết C-I dài hơn liên kết C-Br, và liên kết C-Br lại dài hơn liên kết C-Cl.
• Độ bền liên kết: Chiều dài liên kết tỉ lệ nghịch với độ bền liên kết. Liên kết càng bền, chiều dài liên kết càng ngắn. Liên kết ba ($A \equiv B$) ngắn hơn liên kết đôi ($A = B$), và liên kết đôi ngắn hơn liên kết đơn ($A – B$). Ví dụ, chiều dài liên kết C≡C ngắn hơn C=C, và C=C ngắn hơn C-C.
• Độ âm điện: Sự chênh lệch độ âm điện giữa hai nguyên tử liên kết cũng ảnh hưởng đến chiều dài liên kết. Sự chênh lệch độ âm điện lớn dẫn đến sự phân cực liên kết, làm cho liên kết có đặc tính ion nhiều hơn và chiều dài liên kết ngắn hơn.
• Hiệu ứng lai hóa: Trạng thái lai hóa của nguyên tử cũng ảnh hưởng đến chiều dài liên kết. Liên kết giữa các nguyên tử có orbital lai hóa $sp$ ngắn hơn liên kết giữa các nguyên tử có orbital lai hóa $sp^2$, và liên kết $sp^2$ ngắn hơn liên kết $sp^3$. Điều này là do đặc tính “s” tăng khi lai hóa từ $sp^3$ đến $sp$, mà orbital s lại nằm gần hạt nhân hơn.
• Cộng hưởng: Trong các phân tử có cộng hưởng, chiều dài liên kết thực tế là trung bình của các cấu trúc cộng hưởng. Ví dụ, trong benzen, tất cả các liên kết C-C có chiều dài bằng nhau, nằm giữa chiều dài liên kết đơn C-C và liên kết đôi C=C.

Xác định chiều dài liên kết

Chiều dài liên kết có thể được xác định bằng nhiều phương pháp thực nghiệm, bao gồm:

• Phương pháp nhiễu xạ tia X: Phân tích mẫu tinh thể bằng tia X cho phép xác định vị trí chính xác của các nguyên tử trong mạng tinh thể, từ đó tính toán được chiều dài liên kết.
• Phương pháp quang phổ: Các kỹ thuật quang phổ như quang phổ hồng ngoại (IR) và quang phổ Raman có thể cung cấp thông tin về dao động của phân tử, từ đó suy ra chiều dài liên kết.
• Phương pháp tính toán lý thuyết: Các phương pháp tính toán hóa học lượng tử, chẳng hạn như lý thuyết hàm mật độ (DFT), có thể được sử dụng để dự đoán chiều dài liên kết.

Ý nghĩa

Chiều dài liên kết là một thông số quan trọng để hiểu cấu trúc và tính chất của phân tử. Nó cung cấp thông tin về độ bền liên kết, loại liên kết, và ảnh hưởng của các yếu tố khác đến liên kết. Kiến thức về chiều dài liên kết rất hữu ích trong nhiều lĩnh vực, bao gồm hóa học hữu cơ, hóa học vô cơ, hóa học vật lý, và khoa học vật liệu.

Một số ví dụ về chiều dài liên kết

Bảng dưới đây liệt kê chiều dài liên kết của một số liên kết phổ biến:

Ứng dụng của chiều dài liên kết

Thông tin về chiều dài liên kết có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau của hóa học và khoa học vật liệu, bao gồm:

• Dự đoán tính chất phân tử: Chiều dài liên kết có thể được sử dụng để dự đoán các tính chất của phân tử, chẳng hạn như độ phân cực, độ hoạt động hóa học và phổ hấp thụ.
• Thiết kế thuốc: Trong thiết kế thuốc, chiều dài liên kết đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tương tác giữa thuốc và mục tiêu sinh học.
• Khoa học vật liệu: Chiều dài liên kết là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu, chẳng hạn như độ cứng, độ bền và độ dẫn điện.
• Nghiên cứu phản ứng hóa học: Sự thay đổi chiều dài liên kết trong quá trình phản ứng hóa học có thể cung cấp thông tin về cơ chế phản ứng.

Giới hạn của khái niệm chiều dài liên kết

Cần lưu ý rằng chiều dài liên kết là một đại lượng trung bình. Trong thực tế, các nguyên tử trong phân tử liên tục dao động, do đó khoảng cách giữa chúng luôn thay đổi. Hơn nữa, khái niệm chiều dài liên kết trở nên phức tạp hơn trong các hệ thống liên hợp hoặc các phân tử có liên kết yếu.

• P. Atkins and J. de Paula, Atkins’ Physical Chemistry, 11th ed., Oxford University Press, 2018.
• K. Peter C. Vollhardt and Neil E. Schore, Organic Chemistry, 7th ed., W. H. Freeman and Company, 2014.
• J. Clayden, N. Greeves, and S. Warren, Organic Chemistry, 2nd ed., Oxford University Press, 2012.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao liên kết ba ($A \equiv B$) lại ngắn hơn liên kết đôi ($A = B$), và liên kết đôi lại ngắn hơn liên kết đơn ($A – B$)?

Trả lời: Liên kết ba liên quan đến việc chia sẻ ba cặp electron, liên kết đôi chia sẻ hai cặp, và liên kết đơn chỉ chia sẻ một cặp. Càng nhiều electron được chia sẻ giữa hai nguyên tử, lực hút giữa chúng càng mạnh, dẫn đến việc các nguyên tử bị kéo lại gần nhau hơn và chiều dài liên kết ngắn hơn.

Làm thế nào hiệu ứng lai hoá ảnh hưởng đến chiều dài liên kết?

Trả lời: Orbital lai hoá sp có đặc tính s nhiều hơn so với sp², và sp² có đặc tính s nhiều hơn so với sp³. Vì orbital s nằm gần hạt nhân hơn, liên kết liên quan đến orbital lai hoá có đặc tính s cao hơn sẽ ngắn hơn. Vậy nên, liên kết với nguyên tử lai hoá sp sẽ ngắn hơn liên kết với nguyên tử lai hoá sp², và liên kết sp² ngắn hơn sp³.

Ngoài các phương pháp được đề cập, còn phương pháp nào khác để xác định chiều dài liên kết?

Trả lời: Ngoài nhiễu xạ tia X và quang phổ, còn có các phương pháp khác như nhiễu xạ neutron, nhiễu xạ electron, và kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) cũng có thể được sử dụng để xác định chiều dài liên kết, mặc dù ít phổ biến hơn. Các phương pháp tính toán cao cấp hơn DFT cũng tồn tại.

Chiều dài liên kết có vai trò gì trong việc nghiên cứu các phản ứng hóa học?

Trả lời: Theo dõi sự thay đổi chiều dài liên kết trong suốt phản ứng hóa học có thể giúp xác định cơ chế phản ứng. Ví dụ, sự hình thành hoặc phá vỡ liên kết được phản ánh qua sự thay đổi chiều dài liên kết. Thông tin này rất hữu ích cho việc hiểu cách phản ứng xảy ra và tối ưu hóa điều kiện phản ứng.

Làm thế nào cộng hưởng ảnh hưởng đến chiều dài liên kết?

Trả lời: Trong các phân tử thể hiện cộng hưởng, không có một liên kết đơn hay liên kết đôi “thực sự” nào cả. Thay vào đó, các electron được phân chia trên toàn bộ hệ thống liên hợp. Kết quả là, chiều dài liên kết quan sát được là một giá trị trung bình nằm giữa chiều dài của liên kết đơn và liên kết đôi. Ví dụ, trong benzen, tất cả các liên kết C-C có chiều dài bằng nhau, nằm giữa chiều dài liên kết C-C và C=C.