Bài 1. Liên kết hóa học và hình học phân tử

Mở đầu

Mở đầu: Theo em, dạng hình học nào sau đây của hai phân tử carbon dioxide và nước là đúng?

Lời giải chi tiết:

Đáp án A

Đối với phân tử CO₂

Công thức Lewis của CO₂ là

Nguyên tử trung tâm C có 2 liên kết (đôi) xung quanh tương ứng với 2 đám mây electron hóa trị. Công thức VSEPR của CO₂ là AE₂

Do 2 đám mây electron (liên kết đôi nối với O) phân bố thẳng hàng với nguyên tử C nên phân tử CO₂ có dạng thẳng.

Đối với phân tử H₂O

Công thức Lewis của H₂O là

Xung quanh nguyên tử trung tâm O có 4 đám mây E (hai cặp electron chưa liên kết và hai cặp electron chung). Chiếm 4 khu vực điện tích âm đẩy nhau để góc hóa trị lớn nhất là 109,5^o.

Tuy nhiên, do cặp electron chưa liên kết chiếm khoảng không gian lớn hơn so với các cặp electron liên kết, tương tác đẩy giữa các cặp electron chưa liên kết lớn hơn tương tác đẩy giữa các cặp electron liên kết, nên góc liên kết \(\widehat {HOH}\) thực tế bằng 104,5^o, nhỏ hơn góc hóa trị theo lí thuyết (109,5^o). Phân tử có dạng góc.

Câu hỏi 1

Những electron như thế nào được gọi là:

a) Electron hóa trị

b) Electron chung

c) Electron hóa trị riêng

Lời giải chi tiết:

a) Electron hóa trị là những electron ở các orbital của lớp ngoài cùng và phân lớp sát ngoài cùng chưa bão hòa, có thể tham gia vào việc hình thành liên kết hóa học.

b) Electron chung là những electron hóa trị mà tham gia vào việc hình thành liên kết hóa học.

c) Electron hóa trị riêng là những electron hóa trị nhưng không tham gia vào việc hình thành liên kết hóa học.

Ví dụ:

- Nguyên tử Cl có có cấu hình electron là 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵

⇒ Nguyên tử Cl có 7 electron hóa trị

- Phân tử Cl2 có liên kết giữa hai nguyên tử Cl được thực hiện nhờ 1 đôi electron góp chung; các 

electron còn lại được gọi là electron hóa trị riêng.

Câu hỏi 2

Viết công thức cấu tạo của CO₂ và H₂O

Lời giải chi tiết:

Công thức cấu tạo của CO₂ là O = C = O

Công thức cấu tạo của H₂O là H – O – H

Luyện tập 1

Viết công thức Lewis của CH₄, BF₃, SO₃, F₂O

Lời giải chi tiết:

- Viết công thức Lewis của CH₄:

Bước 1: C có 4 electron hóa trị, H có 1 electron hóa trị. Trong CH₄ có 1 nguyên tử C và 4 nguyên tử H

⇒ Tổng số electron hóa trị N1 = 1.4 + 4.1 = 8 electron

Bước 2: Vẽ khung tạo bởi các nguyên tử liên kết với nhau:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N2 = 4.2 = 8 electron

Số electron hóa trị còn lại là N3 = N1 – N2 = 8 – 0 = 0

Vậy công thức Lewis của CH₄ là

- Viết công thức Lewis của BF₃

Bước 1: B có 3 electron hóa trị, F có 7 electron hóa trị. Trong phân tử BF₃ có 1 nguyên tử B và 3 nguyên tử F

⇒ Tổng số electron hóa trị N1 = 1.3 + 3.7 = 24  electron

Bước 2: Vẽ khung tạo bởi các nguyên tử liên kết với nhau:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N2 = 3.2 = 6 electron

Số electron hóa trị còn lại là N3 = N1 – N2 = 24 – 6 = 18 electron

Bước 3: Sử dụng 18 electron này để tạo octet cho F trước (vì F có độ âm điện cao hơn)

Bước 4: Nguyên tử B chưa được octet nên ta chuyển 1 cặp electron chưa liên kết của F tạo cặp electron chung

Vậy công thức Lewis của BF₃

- Viết công thức Lewis của SO₃

Bước 1: S có 6 electron hóa trị, O có 6 electron hóa trị. Trong phân tử SO₃, có 1 nguyên tử S và 3 nguyên tử O

⇒ Tổng số electron hóa trị N1 = 1.6 + 3.6 = 24 electron

Bước 2: Vẽ khung tạo bởi các nguyên tử liên kết với nhau: 

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N2 = 3.2 = 6 electron

Số electron hóa trị còn lại là N3 = N1 – N2 = 24 – 6 = 18 electron

Bước 3: Sử dụng N3 = 18 electron để tạo octet cho O trước

Bước 4: Đã sử dụng hết 18 electron để tạo octet cho O. Tuy nhiên S chưa đủ octet nên ta chuyển 1 cặp electron của nguyên tử O bên trái tạo thành cặp electron dùng chung.

- Công thức Lewis của F₂O

Bước 1: F có 7 electron hóa trị, O có 6 electron hóa trị. Trong phân tử F₂O có hai nguyên tử F và 1 nguyên tử O nên

⇒ Tổng số electron hóa trị N1 = 2.7 + 1.6 = 20 electron

Bước 2: Vẽ khung tạo bởi các nguyên tử liên kết với nhau:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N2 = 2.2 = 4 electron

Số electron hóa trị còn lại là N3 = 20 – 4 = 16 electron

Bước 3: Sử dụng N3 = 16 electron để tạo octet cho F trước, sau đó tạo octet cho O.

Vậy công thức Lewis của F₂O là

Câu hỏi 3

Các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau hay hút nhau?

Lời giải chi tiết:

Các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau.

Luyện tập 2

Giải thích vì sao khi xung quanh nguyên tử trung tâm có 3 đám mây electron hóa trị E thì 3 đám mây này có xu hướng nằm ở 3 đỉnh của một tam giác phẳng.

Lời giải chi tiết:

Xung quanh nguyên tử trung tâm có 3 đám mây electron hóa trị E, chiếm ba khu vực điện tích âm đẩy nhau, nên góc hóa trị lớn nhất là 120^o. Ba đám mây E được phân bố trên mặt phẳng hướng về ba đỉnh của tam giác.

Luyện tập 3

Viết công thức Lewis, dự đoán dạng hình học của phân tử CH₄

Lời giải chi tiết:

Bước 1: Viết công thức Lewis của CH₄

Bước 2: Nguyên tử trung tâm C có 4 liên kết đơn xung quanh tương ứng với 4 đám mây electron. Công thức VSEPR của CH₄ là AE₄

Bước 3: Do 4 đám mây hướng tới 4 đỉnh của một tứ diện nên dạng hình học không gian của CH₄ có dạng tứ diện

Câu hỏi 4

Đặc điểm dạng hình học khác nhau giữa AO lai hóa với AO s và với AO p là gì?

Lời giải chi tiết:

AO lai hóa có định hướng khác với AO s và AO p trong không gian.

Câu hỏi 5

Nguyên tử C trong CO₂ có dạng lai hóa gì? Trình bày sự hình thành dạng lai hóa đó.

Lời giải chi tiết:

Công thức Lewis của CO₂

Từ công thức Lewis của CO₂ ta xác định được phân tử này có dạng đường thẳng theo mô hình VSEPR.

Cấu hình electron của C (Z = 6) là 1s²2s²2p². Để tạo liên kết với O, trước tiên có sự dịch chuyển 1 electron từ 2s lên 2p tạo cấu hình electron ở trạng thái kích thích là 1s²2s¹2p³

Trong phân tử CO₂, nguyên tử C phải có lai hóa sp giữa 2 AO (1 AO 2s và 1 AO 2p) để tạo ra 2 AO lai hóa (AO sp) cùng nằm trên một đường thẳng.

2 AO lai hóa này xen phủ trục với 2 AO 2p chứa electron độc thân của 2 nguyên tử O tạo thành liên kết σ.

Hai AO 2p không lai hóa của nguyên tử C có chứa electron độc thân xen phủ bên với 2AO 2p chứa electron độc thân còn lại của 2 nguyên tử O, tạo nên 2 liên kết π.

Câu hỏi 6

Phân tử acetone có dạng tam giác phẳng theo mô hình VSEPR. Xác định dạng lai hóa của nguyên tử trung tâm X. Biết công thức của acetone là

Lời giải chi tiết:

Phân tử acetone có dạng tam giác phẳng theo mô hình VSEPR.

Cấu hình electron của C (Z = 6) là 1s²2s²2p². Cấu hình electron của C (Z = 6) ở trạng thái kích thích là 1s²2s¹2p³

1 AO 2s tổ hợp với 2 AO 2p tạo 3 AO lai hóa 2p²

3 AO lai hóa của nguyên tử C hướng về 3 đỉnh của một tam giác đều.

Luyện tập 4

Trình bày sự hình thành lai hóa sp³ của nguyên tử C trong CH₄ và hình thành các liên kết trong phân tử này.

Lời giải chi tiết:

Công thức Lewis của CH₄ là

Từ công thức Lewis của CO₂ ta xác định được phân tử này có dạng tứ diện theo mô hình VSEPR.

Cấu hình electron của C (Z = 6) là 1s²2s²2p²

1 AO 2s tổ hợp với 3 AO 2p tạo 4 AO lai hóa sp³

4 AO lai hóa sp³ của nguyên tử C xen phủ với 4 AO s của nguyên tử H tạo thành 4 liên kết σ hướng về 4 đỉnh của một tứ diện đều.

Bài 1

Viết công thức Lewis của CF₄, C₂H₆, C₂H₄ và C₂H₂

Lời giải chi tiết:

- Viết công thức Lewis của CF₄

Bước 1: C có 4 electron hóa trị, F có 7 electron hóa trị. Trong phân tử CF₄ có 1 nguyên tử C và 4 nguyên tử F.

⇒ Tổng số electron hóa trị N1 = 1.4 + 4.7 = 32 electron

Bước 2: Vẽ khung tạo bởi các nguyên tử liên kết với nhau:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N2 = 4.2 = 8 electron

Số electron hóa trị còn lại là N3 = N1 – N2 = 32 – 8 = 24 electron

Bước 3: Sử dụng 24 electron này để tạo octet cho F trước (vì F có độ âm điện cao hơn)

Bước 4: Nguyên tử C đã được octet. Vậy công thức Lewis của CF₄ là

- Viết công thức Lewis của C₂H₆

Bước 1: C có 4 electron hóa trị, H có 1 electron hóa trị. Trong phân tử C₂H₆ có 2 nguyên tử C và 6 nguyên tử H

⇒ Tổng số electron hóa trị N1 = 2.4 + 6.1 = 14 electron

Bước 2: Vẽ khung tạo bởi các nguyên tử liên kết với nhau:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N2 = 7.2 = 14 electron

Số electron hóa trị còn lại là N3 = N1 – N2 = 14 – 14 = 0 electron

Bước 3: Nguyên tử C và H đều đã được octet. Vậy công thức Lewis của C₂H₆ là

- Viết công thức Lewis của C₂H₄

Bước 1: C có 4 electron hóa trị, H có 1 electron hóa trị. Trong phân tử C₂H₄, có 2 nguyên tử C và 4 nguyên tử H

⇒ Tổng số electron hóa trị N1 = 2.4 + 4.1 = 12 electron

Bước 2: Vẽ khung tạo bởi các nguyên tử liên kết với nhau:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N2 = 5.2 = 10 electron

Số electron hóa trị còn lại là N3 = N1 – N2 = 12 – 10 = 2 electron

Bước 3: Sử dụng N3 = 2 electron để tạo octet cho C trước

Bước 4: Đã sử dụng hết 2 electron để tạo octet cho C. Tuy nhiên C còn lại chưa đủ octet nên ta chuyển 1 cặp electron của nguyên tử C vừa được tạo octet tạo thành cặp electron dùng chung giữa hai nguyên tử C. Nguyên tử H đã đủ octet. Vậy công thức Lewis của C₂H₄ là

- Viết công thức Lewis của C₂H₂

Bước 1: C có 4 electron hóa trị, H có 1 electron hóa trị. Trong phân tử C₂H₂, có 2 nguyên tử C và 2 nguyên tử H

⇒ Tổng số electron hóa trị N1 = 2.4 + 2.1 = 10 electron

Bước 2: Vẽ khung tạo bởi các nguyên tử liên kết với nhau:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N2 = 3.2 = 6 electron

Số electron hóa trị còn lại là N3 = N1 – N2 = 10 – 6 = 4 electron

Bước 3: Sử dụng N3 = 4 electron để tạo octet cho một C trước

Bước 4: Đã sử dụng hết 4 electron để tạo octet cho một C. Tuy nhiên C còn lại chưa đủ octet nên ta chuyển 2 cặp electron của nguyên tử C vừa được tạo octet tạo thành cặp electron dùng chung giữa hai nguyên tử C. Các nguyên tử H đã được octet.

Vậy công thức Lewis của C₂H₂ là

BT 2

Viết công thức Lewis của H₂O. Dự đoán dạng hình học phân tử và dạng lai hóa của nguyên tử trung tâm.

Lời giải chi tiết:

Viết công thức Lewis của H₂O

Bước 1: O có 6 electron hóa trị, H có 1 electron hóa trị. Trong phân tử H₂O, có 2 nguyên tử H và 1 nguyên tử O

⇒ Tổng số electron hóa trị N1 = 2.1 + 1.6 = 8 electron

Bước 2: Vẽ khung tạo bởi các nguyên tử liên kết với nhau:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N2 = 2.2 = 4 electron

Số electron hóa trị còn lại là N3 = N1 – N2 = 8 – 4 = 4 electron

Bước 3: Sử dụng N3 = 4 electron để tạo octet cho O. Các nguyên tử H đã được octet.

Công thức Lewis của H₂O là

Xung quanh nguyên tử trung tâm O có 4 đám mây E (hai cặp electron chưa liên kết và hai cặp electron chung). Chiếm 4 khu vực điện tích âm đẩy nhau để góc hóa trị lớn nhất là 109,5^o (dạng tứ diện)

Tuy nhiên, do cặp electron chưa liên kết chiếm khoảng không gian lớn hơn so với các cặp electron liên kết, tương tác đẩy giữa các cặp electron chưa liên kết lớn hơn tương tác đẩy giữa các cặp electron liên kết, nên góc liên kết \(\widehat {HOH}\) thực tế bằng 104, 5^o, nhỏ hơn góc hóa trị theo lí thuyết (109,5^o).

Phân tử có dạng góc.

Cấu hình electron của nguyên tử O (Z = 8) là 1s²2s²2p⁴

1 AO 2s tổ hợp với 3 AO 2p tạo 4 AO lai hóa sp³

2 AO lai hóa sp³ chứa electron độc thân của nguyên tử O xen phủ với 2 AO s của nguyên tử H tạo thành 2 liên kết σ.

BT 3

Dựa theo công thức Lewis của CHCl₃ xác định được dạng lai hóa của nguyên tử trung tâm C trong phân tử này là

A. sp            

B. sp²           

C. sp³

Lời giải chi tiết:

Công thức Lewis của CHCl₃ là

Nguyên tử trung tâm C có 4 liên kết đơn xung quanh tương ứng với 4 đám mây electron. Công thức VSEPR của CHCl₃ là AE₄

Do 4 đám mây hướng tới 4 đỉnh của một tứ diện nên dạng hình học không gian của có CHCl₃ dạng tứ diện

⇒ Trạng thái lai hóa của nguyên tử C trong phân tử CHCl₃ là sp³

BT 4

Xác định công thức Lewis của nitric acid HNO₃. Cho biết nguyên tử H liên kết với O mà không phải với N.

Lời giải chi tiết:

Bước 1: N có 5 electron hóa trị, O có 6 electron hóa trị, H có 1 electron hóa trị. Trong phân tử HNO₃, có 1 nguyên tử H, 3 nguyên tử O và 1 nguyên tử N

⇒ Tổng số electron hóa trị N1 = 1.1 + 3.6 + 1.5 = 24 electron

Bước 2: Vẽ khung tạo bởi các nguyên tử liên kết với nhau:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N2 = 4.2 = 8 electron

Số electron hóa trị còn lại là N3 = N1 – N2 = 24 – 8 = 16 electron

Bước 3: Sử dụng N3 = 16 electron để tạo octet cho O trước

Bước 4: Đã sử dụng hết 16 electron để tạo octet cho O. Tuy nhiên N chưa đủ octet nên ta chuyển 1 cặp electron của nguyên tử O bên phải tạo thành cặp electron dùng chung.

Chung cho hai nguyên tử O và N

BT 5

Viết công thức Lewis và xác định dạng hình học của CS₂. Xác định dạng lai hóa của nguyên tử trung tâm C trong phân tử này.

Lời giải chi tiết:

Công thức Lewis của CS₂

Xung quanh nguyên tử C có hai đám mây electron hóa trị, do lực đẩy giữa 2 đám mây electron nên 2 đám mây này phải xa nhau nhất → CS₂ có dạng đường thẳng theo mô hình VSEPR.

Cấu hình electron của C là 1s²2s²2p². Để tạo liên kết với S, trước tiên có sự dịch chuyển 1 electron từ 2s lên 2p tạo cấu hình electron ở trạng thái kích thích là 1s²2s¹2p³

Trong phân tử CS₂, nguyên tử C phải có lai hóa sp giữa 2 AO (1 AO 2s và 1 AO 2p) để tạo ra 2 AO lai hóa sp cùng nằm trên một đường thẳng.

BT 6

Viết công thức Lewis của PCl₅ và SF₆

Phương pháp giải:

Lời giải chi tiết:

Công thức Lewis của PCl₅

Công thức Lewis của SF₆