Cấu trúc hợp chất và Tính chất

Mục tiêu học tập 2.1.A: Giải thích mối quan hệ giữa loại liên kết và tính chất của các nguyên tố tham gia liên kết.

• 2.1.A.1 Giá trị điện âm của các nguyên tố đại diện tăng dần từ trái sang phải theo một chu kỳ và giảm dần từ trên xuống dưới theo một nhóm. Các xu hướng này có thể được giải thích định tính thông qua cấu hình electron của nguyên tử, mô hình lớp vỏ và định luật Coulomb.
• 2.1.A.2 Electron hóa trị được chia sẻ giữa các nguyên tử có độ điện âm tương đương tạo thành liên kết cộng hóa trị không phân cực. Ví dụ, liên kết giữa carbon và hydro gần như không phân cực mặc dù carbon có độ điện âm cao hơn một chút so với hydro.
• 2.1.A.3 Electron hóa trị được chia sẻ giữa các nguyên tử có độ điện âm khác nhau tạo thành liên kết cộng hóa trị phân cực.
  • i. Nguyên tử có độ điện âm cao hơn sẽ mang điện tích âm một phần so với nguyên tử kia trong liên kết.
  • ii. Trong các liên kết đơn, sự chênh lệch lớn hơn về độ điện âm dẫn đến moment dipole liên kết lớn hơn.
  • iii. Tất cả các liên kết phân cực đều có một phần tính chất ion, và sự phân biệt giữa liên kết ion và liên kết cộng hóa trị không rõ ràng mà là một continuum (dãy liên tục).
• 2.1.A.4 Sự chênh lệch về độ điện âm không phải là yếu tố duy nhất quyết định việc một liên kết nên được phân loại là ion hay cộng hóa trị. Nói chung, liên kết giữa kim loại và phi kim thường là liên kết ion, còn liên kết giữa hai phi kim thường là liên kết cộng hóa trị. Việc xem xét tính chất của hợp chất là cách tốt nhất để xác định loại liên kết.
• 2.1.A.5 Trong chất rắn kim loại, electron hóa trị từ các nguyên tử kim loại được coi là phân tán rộng rãi và không gắn liền với bất kỳ nguyên tử riêng lẻ nào.

Mục tiêu học tập 2.2.A: Biểu diễn mối quan hệ giữa thế năng và khoảng cách giữa các nguyên tử, dựa trên các yếu tố ảnh hưởng đến độ mạnh của tương tác.

• 2.2.A.1 Đồ thị biểu diễn thế năng theo khoảng cách giữa các nguyên tử (khoảng cách giữa hai hạt nhân) là công cụ biểu diễn hữu ích để mô tả tương tác giữa các nguyên tử. Các đồ thị này minh họa cả độ dài liên kết cân bằng (khoảng cách giữa các nguyên tử tại đó thế năng đạt mức thấp nhất) và năng lượng liên kết (năng lượng cần thiết để tách rời các nguyên tử).
• 2.2.A.2 Trong liên kết cộng hóa trị, độ dài liên kết chịu ảnh hưởng bởi cả kích thước lõi của nguyên tử và bậc liên kết (tức là đơn, đôi, ba). Các liên kết có bậc cao hơn có độ dài ngắn hơn và năng lượng liên kết lớn hơn.
• 2.2.A.3 Định luật Coulomb có thể được sử dụng để hiểu độ mạnh của tương tác giữa cation và anion.
  • i. Vì độ mạnh tương tác tỷ lệ thuận với điện tích của mỗi ion, điện tích càng lớn thì tương tác càng mạnh.
  • ii. Vì độ mạnh tương tác tăng lên khi khoảng cách giữa tâm của các ion (hạt nhân) giảm đi, các ion nhỏ hơn dẫn đến tương tác mạnh hơn.

Mục tiêu học tập 2.3.A: Biểu diễn một chất rắn ion bằng mô hình hạt phù hợp với định luật Coulomb và tính chất của các ion cấu thành.

• 2.3.A.1 Các cation và anion trong tinh thể ion được sắp xếp theo mạng lưới 3-D có tính hệ thống và chu kỳ, nhằm tối đa hóa lực hút giữa các cation và anion đồng thời tối thiểu hóa lực đẩy.
  • Câu loại trừ: Kiến thức về các cấu trúc tinh thể cụ thể không cần thiết cho việc hiểu mục tiêu học tập và sẽ không được kiểm tra trong kỳ thi AP.

Mục tiêu học tập 2.4.A: Biểu diễn một chất rắn kim loại và/hoặc hợp kim bằng mô hình để hiển thị các đặc điểm cấu trúc và tương tác cơ bản tồn tại trong vật chất.

• 2.4.A.1 Liên kết kim loại có thể được biểu diễn dưới dạng mạng lưới các ion kim loại dương được bao quanh bởi các electron hóa trị phân tán rộng rãi (tức là "biển electron").
• 2.4.A.2 Hợp kim xen kẽ hình thành giữa các nguyên tử có bán kính khác biệt đáng kể, nơi các nguyên tử nhỏ lấp đầy các khoảng trống xen kẽ giữa các nguyên tử lớn (ví dụ: thép, trong đó carbon chiếm các vị trí xen kẽ trong sắt).
• 2.4.A.3 Hợp kim thay thế hình thành giữa các nguyên tử có bán kính tương đương, trong đó một nguyên tử thay thế cho nguyên tử kia trong mạng tinh thể. (Ví dụ: trong một số hợp kim đồng thau, các nguyên tố khác, thường là kẽm, thay thế cho đồng.)

Mục tiêu học tập 2.5.A: Biểu diễn một phân tử bằng sơ đồ Lewis.

• 2.5.A.1 Sơ đồ Lewis có thể được xây dựng theo một bộ nguyên tắc đã được thiết lập.

Mục tiêu học tập 2.6.A: Biểu diễn một phân tử bằng sơ đồ Lewis có tính đến sự cộng hưởng giữa các cấu trúc tương đương hoặc sử dụng điện tích formal để lựa chọn giữa các cấu trúc không tương đương.

• 2.6.A.1 Trong trường hợp có thể xây dựng hơn một sơ đồ Lewis tương đương, sự cộng hưởng phải được bao gồm như một sự tinh chỉnh đối với sơ đồ Lewis. Trong nhiều trường hợp như vậy, sự tinh chỉnh này là cần thiết để cung cấp những dự đoán định tính chính xác về cấu trúc và tính chất của phân tử.
• 2.6.A.2 Quy tắc bát tử và điện tích formal có thể được sử dụng làm tiêu chí để xác định xem trong số nhiều sơ đồ Lewis hợp lệ khả thi nào cung cấp mô hình tốt nhất để dự đoán cấu trúc và tính chất của phân tử.
• 2.6.A.3 Tương tự như bất kỳ mô hình nào, việc sử dụng mô hình sơ đồ Lewis cũng có những hạn chế, đặc biệt là trong các trường hợp có số lượng electron hóa trị lẻ.

Mục tiêu học tập 2.7.A: Dựa trên mối quan hệ giữa sơ đồ Lewis, lý thuyết VSEPR, bậc liên kết và độ phân cực liên kết:

• i. Giải thích các tính chất cấu trúc của phân tử.

• ii. Giải thích các tính chất điện tử của phân tử.

• 2.7.A.1 Lý thuyết VSEPR sử dụng lực đẩy Coulomb giữa các electron làm cơ sở để dự đoán sự sắp xếp của các cặp electron xung quanh nguyên tử trung tâm.

• 2.7.A.2 Cả sơ đồ Lewis và lý thuyết VSEPR đều phải được sử dụng để dự đoán các tính chất điện tử và cấu trúc của nhiều phân tử liên kết cộng hóa trị và ion đa nguyên tử, bao gồm các trường hợp sau:

  • i. Hình dạng phân tử (dạng đường thẳng, phẳng tam giác, tứ diện, tam giác chóp, cong, lưỡng trụ ba mặt phẳng, dạng bàn đạp, dạng chữ T, bát diện, chóp bình phương, phẳng vuông)
  • ii. Góc liên kết
  • iii. Năng lượng liên kết tương đối dựa trên bậc liên kết
  • iv. Chiều dài liên kết tương đối (liên kết bội, ảnh hưởng của bán kính nguyên tử)
  • v. Sự tồn tại của moment dipole
  • vi. Sự lai hóa của orbital hóa trị cho các nguyên tử bên trong một phân tử hoặc ion đa nguyên tử

• 2.7.A.3 Các thuật ngữ " lai hóa" và " orbital nguyên tử lai" được dùng để mô tả sự sắp xếp electron xung quanh nguyên tử trung tâm. Khi nguyên tử trung tâm lai hóa $sp$, góc liên kết lý tưởng của nó là $180°$; đối với nguyên tử lai hóa $sp^2$, góc liên kết là $120°$; và đối với nguyên tử lai hóa $sp^3$, góc liên kết là $109.5°$.

  • Thông báo loại trừ: Việc hiểu cách suy luận và biểu diễn các orbital lai sẽ không được kiểm tra trong Kỳ thi AP. Chương trình bao gồm sự phân biệt giữa liên kết sigma và pi, việc sử dụng VSEPR để giải thích hình dạng của phân tử, và danh pháp $sp$, $sp^2$ và $sp^3$.
  • Thông báo loại trừ: Sự lai hóa liên quan đến orbital d sẽ không được kiểm tra trong Kỳ thi AP. Khi một nguyên tử có nhiều hơn bốn cặp electron bao quanh nguyên tử trung tâm, học sinh chỉ chịu trách nhiệm về hình dạng của phân tử tạo thành.

• 2.7.A.4 Sự hình thành liên kết đi kèm với sự chồng lấp giữa các orbital nguyên tử. Trong các liên kết bội, sự chồng lấp này dẫn đến sự hình thành cả liên kết sigma và liên kết pi. Sự chồng lấp mạnh hơn trong liên kết sigma so với liên kết pi, điều này phản ánh qua việc liên kết sigma có năng lượng liên kết lớn hơn liên kết pi. Sự hiện diện của liên kết pi cũng ngăn cản sự quay của liên kết và dẫn đến sự tồn tại của đồng phân hình học.

  • Thông báo loại trừ: Lý thuyết orbital phân tử được khuyến nghị như một cách để cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về liên kết. Tuy nhiên, Kỳ thi AP sẽ không đánh giá trực tiếp các sơ đồ orbital phân tử, sự lấp đầy orbital phân tử, cũng như sự phân biệt giữa orbital liên kết, phi liên kết và antibonding.