Danh pháp ion, cộng hoá trị và hoá trị trong HSC Chemistry

Giả sử bạn được yêu cầu viết công thức của iron(III) oxide. Công thức nào có vẻ đúng: \(\ce{FeO}\), \(\ce{Fe2O3}\), hay \(\ce{Fe3O2}\)?

Một lựa chọn dễ khiến bạn bị nhầm là \(\ce{Fe3O2}\). Xét cho cùng, tên gọi có chứa “III”, còn oxide có hoá trị 2. Nhưng chữ số La Mã không cho biết bạn phải viết bao nhiêu nguyên tử sắt. Nó cho biết số oxi hoá của sắt. Sau đó, công thức phải được xây dựng sao cho điện tích dương và điện tích âm triệt tiêu nhau.

Kết quả là \(\ce{Fe2O3}\).

Đây là ý tưởng cốt lõi của danh pháp hoá học: tên gọi và công thức chứa những loại thông tin khác nhau, và bạn cần biết loại thông tin nào quyết định các chỉ số dưới.

01Ba khái niệm dễ bị nhầm lẫn

Trước khi gọi tên các hợp chất, hãy phân biệt ba khái niệm có liên quan với nhau: hoá trị, điện tích ion và số oxi hoá.

Ở cấp độ HSC, hoá trị hữu ích như một cách viết công thức nhanh, đặc biệt đối với các ion đơn nguyên tử quen thuộc. Magnesium thường tạo thành \(\mathrm{Mg}^{2+}\), nên ta thường nói nó có hoá trị 2. Chlorine thường tạo thành \(\mathrm{Cl}^{-}\), nên hoá trị của nó là 1.

Nhưng hoá trị không hoàn toàn giống số oxi hoá.

Hoá trị thường được viết dưới dạng số nguyên không dấu. Số oxi hoá có dấu và phụ thuộc vào hợp chất. Một nguyên tố có thể có nhiều số oxi hoá.

Ví dụ, sắt thường tồn tại dưới cả hai dạng \(\mathrm{Fe}^{2+}\) và \(\mathrm{Fe}^{3+}\). Đó là lý do những tên như iron(II) chloride và iron(III) chloride cần có chữ số La Mã.

02Công thức ion được quyết định bởi điện tích

Hãy hình dung một hợp chất ion giống như một bữa tiệc tối có quy tắc cực kỳ nghiêm ngặt: mọi điện tích dương phải được triệt tiêu bởi một lượng điện tích âm tương đương trước khi bất kỳ ai được phép ngồi vào bàn.

Một \(\mathrm{Na}^{+}\) và một \(\mathrm{Cl}^{-}\) cân bằng hoàn hảo:

\[ (+1)+(-1)=0 \]

Vì vậy sodium chloride là \(\ce{NaCl}\).

Bây giờ hãy xét magnesium và chloride. Một \(\mathrm{Mg}^{2+}\) có hai đơn vị điện tích dương, trong khi mỗi \(\mathrm{Cl}^{-}\) chỉ cung cấp một đơn vị điện tích âm.

Bạn cần hai ion chloride:

\[ (+2)+2(-1)=0 \]

Vì vậy công thức là \(\ce{MgCl2}\).

Hình ảnh “bữa tiệc tối” chỉ là một phép so sánh. Chất rắn ion không được tạo thành từ các phân tử \(\ce{MgCl2}\) nhỏ riêng biệt ngồi thành từng cặp. Nó tạo thành một mạng tinh thể ba chiều lớn. Công thức \(\ce{MgCl2}\) cho biết tỉ lệ số nguyên đơn giản nhất giữa các ion.

Những điện tích ion phổ biến đáng ghi nhớ

Bạn không cần phải tự suy ra mọi ion phổ biến từ đầu mỗi lần.

Các ion đa nguyên tử như sulfate và nitrate hoạt động như một đơn vị mang điện tích duy nhất khi bạn xây dựng công thức ion.

Luôn rút gọn tỉ lệ trong công thức ion

Điều gì xảy ra với calcium oxide?

Calcium là \(\mathrm{Ca}^{2+}\), còn oxide là \(\mathrm{O}^{2-}\). Nếu máy móc chéo hai số 2, bạn có thể thu được \(\ce{Ca2O2}\).

Nhưng một ion calcium đã cân bằng với một ion oxide:

\[ (+2)+(-2)=0 \]

Vì vậy tỉ lệ đơn giản nhất là \(1:1\), nên công thức là:

\[ \ce{CaO} \]

Công thức ion sử dụng tỉ lệ số nguyên nhỏ nhất.

03Các ion đa nguyên tử phải được giữ nguyên

Bây giờ hãy xét calcium nitrate.

Calcium là \(\mathrm{Ca}^{2+}\), còn nitrate là \(\ce{NO3^-}\). Cần hai ion nitrate:

\[ (+2)+2(-1)=0 \]

Công thức là:

\[ \ce{Ca(NO3)2} \]

Dấu ngoặc rất quan trọng. Chỉ số dưới 2 áp dụng cho toàn bộ ion nitrate.

Nếu không có dấu ngoặc, \(\ce{CaNO3_2}\) sẽ không biểu diễn đúng cấu trúc.

Ở đây còn có một quy tắc quan trọng: không được thay đổi các chỉ số dưới bên trong một ion đa nguyên tử khi cân bằng điện tích. Nitrate là \(\ce{NO3^-}\). Bạn không thể biến nó thành một cách sắp xếp mới của nitrogen và oxygen chỉ để phép tính trở nên thuận tiện.

04Gọi tên hợp chất ion

Viết công thức là một chiều. Các câu hỏi HSC cũng có thể dễ dàng cho bạn một công thức và yêu cầu gọi tên nó.

Quy tắc cơ bản là:

1. Gọi tên ion dương trước.
2. Gọi tên ion âm sau.
3. Đổi phần kết thúc của tên ion âm đơn nguyên tử thành -ide.
4. Giữ nguyên tên đã được quy ước của ion đa nguyên tử.
5. Nếu kim loại có thể có nhiều số oxi hoá khác nhau, hãy ghi số oxi hoá bằng chữ số La Mã.

Ví dụ:

Hãy chú ý điều không xuất hiện: các tiền tố như di-, tri- và tetra-.

Bạn không gọi \(\ce{MgCl2}\) là “magnesium dichloride” khi sử dụng danh pháp ion tiêu chuẩn. Tỉ lệ \(1:2\) được xác định từ cân bằng điện tích, nên không cần tiền tố.

05Xác định số oxi hoá của kim loại từ công thức

Giả sử bạn được cho \(\ce{Cu2O}\).

Copper có thể có nhiều hơn một số oxi hoá, nên chỉ gọi là “copper oxide” sẽ bỏ sót thông tin hữu ích.

Làm thế nào để tìm chữ số La Mã?

Oxide có số oxi hoá \(-2\). Hợp chất trung hoà, nên tổng các số oxi hoá phải bằng không.

Gọi số oxi hoá của mỗi nguyên tử copper là \(x\):

\[ 2x+(-2)=0 \]

Do đó:

\[ 2x=+2 \]

và:

\[ x=+1 \]

Vì vậy \(\ce{Cu2O}\) là copper(I) oxide.

06Số oxi hoá không giống điện tích tổng của một ion

Sự khác biệt này đặc biệt quan trọng đối với các ion đa nguyên tử.

Hãy xét sulfate, \(\ce{SO4^2-}\).

Toàn bộ ion sulfate có điện tích \(-2\). Điều đó không có nghĩa là sulfur có số oxi hoá \(-2\).

Oxygen thường có số oxi hoá \(-2\). Do đó bốn nguyên tử oxygen đóng góp:

\[ 4(-2)=-8 \]

Tổng các số oxi hoá bên trong ion phải bằng điện tích tổng của ion, tức \(-2\).

Gọi số oxi hoá của sulfur là \(x\):

\[ x-8=-2 \]

nên:

\[ x=+6 \]

Vì vậy sulfur có số oxi hoá \(+6\) trong sulfate, mặc dù toàn bộ ion sulfate có điện tích \(-2\).

Đó là lý do không nên dùng “điện tích” và “số oxi hoá” như những từ có thể thay thế cho nhau.

Một nhóm quy tắc ngắn gọn về số oxi hoá sẽ giúp bạn giải quyết rất nhiều bài:

• một nguyên tố ở dạng đơn chất có số oxi hoá \(0\)
• một ion đơn nguyên tử có số oxi hoá bằng điện tích ion của nó
• tổng các số oxi hoá bằng \(0\) trong một hợp chất trung hoà
• tổng các số oxi hoá bằng điện tích tổng của một ion đa nguyên tử
• oxygen thường là \(-2\)
• hydrogen thường là \(+1\)

Từ thường rất quan trọng. Hoá học có các ngoại lệ, và bạn sẽ gặp một số ngoại lệ khi oxi hoá và khử trở thành phần lớn hơn của khoá học.

07Danh pháp cộng hoá trị sử dụng một hệ thống khác

Bây giờ hãy xét \(\ce{N2O4}\).

Nếu bạn cố xử lý chất này như một hợp chất ion, bạn sẽ lập tức gặp vấn đề. Không có cation kim loại nào mà điện tích của nó cần được cân bằng với một anion.

Đối với các hợp chất cộng hoá trị hai nguyên tố đơn giản, tên gọi thay vào đó cho bạn biết có bao nhiêu nguyên tử được biểu diễn trong công thức.

Hãy dự đoán tên của \(\ce{N2O4}\). Liệu “nitrogen oxide” có đủ không?

Không. Có nhiều hợp chất chứa nitrogen và oxygen, vì vậy số lượng nguyên tử có ý nghĩa. Các tiền tố mang thông tin đó.

Đối với hợp chất cộng hoá trị hai nguyên tố:

• gọi tên nguyên tố thứ nhất
• dùng tiền tố chỉ số lượng khi có nhiều hơn một nguyên tử của nguyên tố thứ nhất
• gọi tên nguyên tố thứ hai với đuôi -ide
• dùng tiền tố để chỉ số nguyên tử của nguyên tố thứ hai, bao gồm mono- khi có một nguyên tử

Tiền tố mono- thường được lược bỏ ở nguyên tố thứ nhất.

Một số tên được rút gọn khi hai nguyên âm đứng cạnh nhau. Ví dụ, mono + oxide trở thành monoxide, không phải “monooxide”, và tetra + oxide trở thành tetroxide.

08Ion hay cộng hoá trị? Hãy xác định trước khi dùng quy tắc gọi tên

Nhiều lỗi về danh pháp xảy ra vì học sinh nhớ một quy tắc nhưng áp dụng nó cho sai loại hợp chất.

Hãy dùng thành phần của hợp chất làm dấu hiệu đầu tiên.

Ví dụ:

• \(\ce{CaCl2}\): calcium là kim loại, nên dùng danh pháp ion -> calcium chloride
• \(\ce{NCl3}\): nitrogen và chlorine là phi kim, nên dùng tiền tố -> nitrogen trichloride
• \(\ce{CuSO4}\): copper kết hợp với sulfate là hợp chất ion -> xác định số oxi hoá của copper, thu được copper(II) sulfate

Quy tắc này được chủ ý giới hạn ở các hợp chất vô cơ phổ biến được đề cập tại đây. Acid, hydrate, hợp chất hữu cơ và các hợp chất phối trí nâng cao hơn cần các quy tắc gọi tên bổ sung.

09Một phương pháp tốt hơn việc ghi nhớ “chéo hoá trị”

Phương pháp chéo hoá trị có thể hữu ích, nhưng sẽ trở nên nguy hiểm khi nó thay thế cho việc suy luận.

Ví dụ, giả sử bạn cần công thức của aluminium sulfate.

Bạn biết:

\[ \mathrm{Al}^{3+} \]

và:

\[ \ce{SO4^2-} \]

Chéo độ lớn của các điện tích gợi ra:

\[ \ce{Al2(SO4)3} \]

Kết quả đó đúng.

Nhưng cách suy luận vững chắc hơn là:

\[ 2(+3)+3(-2)=0 \]

Điều này cho bạn biết tại sao có hai ion aluminium và ba ion sulfate. Nó cũng nhắc bạn rằng sulfate là một ion nguyên vẹn, nên cần dấu ngoặc.

Thay vào đó, hãy sử dụng quy trình ra quyết định sau:

Từ tên sang công thức ion

1. Xác định cation và anion.
2. Viết điện tích của chúng.
3. Tìm số lượng nhỏ nhất của mỗi loại sao cho tổng điện tích bằng không.
4. Dùng dấu ngoặc nếu cần nhiều hơn một ion đa nguyên tử.
5. Kiểm tra xem tỉ lệ có thể rút gọn thêm hay không.

Từ công thức ion sang tên

1. Xác định cation và anion.
2. Xác định xem kim loại có số oxi hoá biến đổi hay không.
3. Nếu có, tính số oxi hoá đó từ cân bằng điện tích.
4. Viết số oxi hoá bằng chữ số La Mã.
5. Gọi tên anion đúng cách.

Từ tên cộng hoá trị sang công thức

1. Xác định từng nguyên tố.
2. Chuyển trực tiếp từng tiền tố thành chỉ số dưới.
3. Không cân bằng điện tích cho công thức.

Từ công thức cộng hoá trị sang tên

1. Đếm từng loại nguyên tử.
2. Chuyển các số đó thành tiền tố.
3. Lược bỏ mono- ở nguyên tố thứ nhất.
4. Đặt đuôi -ide cho nguyên tố thứ hai.

10Những lỗi dễ mắc nhất

Lỗi 1: Coi chữ số La Mã là chỉ số dưới

Iron(III) chloride không phải là \(\ce{Fe3Cl}\).

III có nghĩa là sắt có số oxi hoá \(+3\):

\[ \mathrm{Fe}^{3+} \]

Mỗi chloride là \(\mathrm{Cl}^{-}\), nên cần ba chloride:

\[ \ce{FeCl3} \]

Lỗi 2: Dùng tiền tố cộng hoá trị cho hợp chất ion

\(\ce{CaCl2}\) là calcium chloride, không phải calcium dichloride.

Chỉ số dưới 2 đã được xác định bởi điện tích của \(\mathrm{Ca}^{2+}\) và \(\mathrm{Cl}^{-}\).

Lỗi 3: Cho rằng chỉ số dưới bằng số oxi hoá

Trong \(\ce{Fe2O3}\), sắt không có số oxi hoá \(+2\) chỉ vì chỉ số dưới của nó là 2.

Ba nguyên tử oxygen ở số oxi hoá \(-2\) đóng góp \(-6\). Hai nguyên tử sắt phải cùng nhau đóng góp \(+6\), nên mỗi nguyên tử sắt là \(+3\).

Hợp chất là iron(III) oxide.

Lỗi 4: Quên rút gọn tỉ lệ ion

Với \(\mathrm{Ca}^{2+}\) và \(\mathrm{O}^{2-}\), việc chéo hoá trị một cách máy móc có thể tạo ra \(\ce{Ca2O2}\).

Tỉ lệ đơn giản nhất đúng là:

\[ \ce{CaO} \]

Lỗi 5: Thay đổi bên trong một ion đa nguyên tử

Sulfate là \(\ce{SO4^2-}\). Nếu cần ba sulfate, hãy viết:

\[ \ce{(SO4)3} \]

Không được thay đổi chính đơn vị \(\ce{SO4}\).

11Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Gọi tên hợp chất \(\ce{K2S}\). Giải thích tại sao tên gọi không cần tiền tố chỉ số lượng.

Lời giải 1

Hợp chất là potassium sulfide.

Potassium là kim loại nhóm 1 và tạo thành \(\mathrm{K}^{+}\). Sulfur tạo thành ion sulfide, \(\mathrm{S}^{2-}\). Vì vậy cần hai ion potassium để cân bằng một ion sulfide:

\[ 2(+1)+(-2)=0 \]

Hợp chất là hợp chất ion, nên tỉ lệ \(2:1\) được xác định bởi cân bằng điện tích. Các tiền tố chỉ số lượng như di- không được sử dụng trong tên ion tiêu chuẩn.

Câu hỏi 2

Viết công thức hoá học của magnesium nitride.

Lời giải 2

Công thức là \(\ce{Mg3N2}\).

Magnesium tạo thành \(\mathrm{Mg}^{2+}\), còn nitride là \(\mathrm{N}^{3-}\). Tổng điện tích chung nhỏ nhất là 6:

\[ 3(+2)=+6 \]

và:

\[ 2(-3)=-6 \]

Vì vậy ba ion magnesium cân bằng với hai ion nitride:

\[ \ce{Mg3N2} \]

Tỉ lệ \(3:2\) đã là tỉ lệ số nguyên nhỏ nhất.

Câu hỏi 3

Viết công thức hoá học của aluminium sulfate.

Lời giải 3

Công thức là \(\ce{Al2(SO4)3}\).

Aluminium tạo thành \(\mathrm{Al}^{3+}\), còn sulfate là \(\ce{SO4^2-}\). Hai ion aluminium đóng góp \(+6\), trong khi ba ion sulfate đóng góp \(-6\):

\[ 2(+3)+3(-2)=0 \]

Do đó:

\[ \ce{Al2(SO4)3} \]

Dấu ngoặc là cần thiết vì công thức chứa ba ion sulfate hoàn chỉnh. Công thức bên trong \(\ce{SO4}\) không được thay đổi trong quá trình cân bằng điện tích.

Câu hỏi 4

Gọi tên \(\ce{MnO2}\), biết rằng manganese có thể tạo thành các ion với nhiều số oxi hoá khác nhau.

Lời giải 4

Hợp chất là manganese(IV) oxide.

Mỗi oxygen có số oxi hoá \(-2\). Vì vậy hai nguyên tử oxygen đóng góp:

\[ 2(-2)=-4 \]

Hợp chất trung hoà, nên manganese phải đóng góp \(+4\):

\[ x-4=0 \]

\[ x=+4 \]

Chữ số La Mã IV biểu thị số oxi hoá này. Chỉ số dưới 2 thuộc về oxygen và không có nghĩa là manganese có số oxi hoá \(+2\).

Câu hỏi 5

Cho tên cộng hoá trị hai nguyên tố theo hệ thống của \(\ce{N2O3}\), đồng thời xác định số oxi hoá của nitrogen trong hợp chất.

Lời giải 5

Tên là dinitrogen trioxide, và nitrogen có số oxi hoá \(+3\).

Việc gọi tên và tính số oxi hoá là hai nhiệm vụ riêng biệt.

Đối với tên gọi, hai nguyên tử nitrogen cho tiền tố di-, còn ba nguyên tử oxygen cho tri- cộng với oxide:

dinitrogen trioxide

Đối với số oxi hoá, oxygen thường là \(-2\). Ba nguyên tử oxygen đóng góp:

\[ 3(-2)=-6 \]

Gọi số oxi hoá của mỗi nguyên tử nitrogen là \(x\). Vì hợp chất trung hoà:

\[ 2x-6=0 \]

\[ 2x=6 \]

\[ x=+3 \]

Điểm khác biệt quan trọng là tiền tố di- cho biết số nguyên tử nitrogen, trong khi số oxi hoá \(+3\) mô tả trạng thái quy ước dùng để theo dõi electron được gán cho mỗi nguyên tử nitrogen.

Câu hỏi 6

Một học sinh sử dụng phương pháp chéo hoá trị cho calcium oxide và viết \(\ce{Ca2O2}\). Học sinh lập luận rằng các điện tích đã được chép đúng, nên công thức chắc chắn phải đúng. Hãy đánh giá lập luận đó và cho công thức đúng.

Lời giải 6

Công thức đúng là \(\ce{CaO}\), vì vậy lập luận của học sinh chưa đầy đủ.

Calcium tạo thành \(\mathrm{Ca}^{2+}\), còn oxide là \(\mathrm{O}^{2-}\). Một ion của mỗi loại đã tạo ra tổ hợp trung hoà:

\[ (+2)+(-2)=0 \]

Vì vậy tỉ lệ là \(1:1\).

Mặc dù việc chéo độ lớn điện tích một cách máy móc có thể tạo ra tỉ lệ tạm thời \(2:2\), công thức ion phải được rút gọn về tỉ lệ số nguyên đơn giản nhất:

\[ \ce{Ca2O2} \rightarrow \ce{CaO} \]

Sai lầm nằm ở việc coi phương pháp chéo hoá trị là một quy tắc tạo ra công thức cuối cùng. Trung hoà điện tích và tỉ lệ đơn giản nhất mới là các quy tắc thực sự.

Câu hỏi 7

Một kim loại \(X\) có thể tạo thành \(X^{2+}\) hoặc \(X^{3+}\). Một hợp chất của kim loại này có công thức \(\ce{X2O3}\).

Một học sinh cho rằng \(X\) phải có số oxi hoá \(+2\) vì công thức có chỉ số dưới 2 sau \(X\). Hãy xác định số oxi hoá của \(X\), đồng thời giải thích điểm sai trong lập luận của học sinh.

Lời giải 7

Số oxi hoá của \(X\) là \(+3\).

Mỗi oxygen có số oxi hoá \(-2\). Vì vậy ba nguyên tử oxygen đóng góp:

\[ 3(-2)=-6 \]

Nếu số oxi hoá của mỗi nguyên tử \(X\) là \(x\), hợp chất trung hoà phải thoả mãn:

\[ 2x-6=0 \]

Do đó:

\[ 2x=6 \]

\[ x=+3 \]

Chỉ số dưới 2 cho biết có hai nguyên tử \(X\) trong đơn vị công thức. Nó không cho biết số oxi hoá của chúng. Trên thực tế, hai nguyên tử \(X\) phải cùng nhau cung cấp \(+6\), nên mỗi nguyên tử phải là \(+3\).

Đây chính là lý do số oxi hoá nên được tính từ toàn bộ công thức thay vì đoán từ các chỉ số dưới ở gần đó.

Câu hỏi 8

Một bình chứa chỉ được ghi nhãn chromium phosphate. Chromium có thể có số oxi hoá \(+2\) và \(+3\), còn phosphate là \(\ce{PO4^3-}\).

Hãy giải thích tại sao nhãn này không xác định duy nhất một công thức. Viết công thức tạo thành từ chromium(II), và công thức tạo thành từ chromium(III).

Lời giải 8

Nhãn này không rõ ràng vì chromium có thể có nhiều hơn một số oxi hoá. Cần có chữ số La Mã để xác định ion chromium nào hiện diện.

Đối với chromium(II), ion là \(\mathrm{Cr}^{2+}\), còn phosphate là \(\ce{PO4^3-}\). Tổng điện tích chung nhỏ nhất là 6:

\[ 3(+2)+2(-3)=0 \]

nên chromium(II) phosphate là:

\[ \ce{Cr3(PO4)2} \]

Đối với chromium(III), độ lớn của các điện tích bằng nhau:

\[ (+3)+(-3)=0 \]

nên tỉ lệ là \(1:1\):

\[ \ce{CrPO4} \]

Vì vậy hai hợp chất có thể có hai công thức khác nhau:

• chromium(II) phosphate: \(\ce{Cr3(PO4)2}\)
• chromium(III) phosphate: \(\ce{CrPO4}\)

Việc thiếu chữ số La Mã không phải là một chi tiết nhỏ trong cách gọi tên. Nếu thiếu nó, không thể xác định duy nhất số oxi hoá, tỉ lệ ion và công thức hoá học.

12Kiến thức này giúp bạn làm gì tiếp theo

Danh pháp trở nên dễ dàng hơn nhiều khi bạn ngừng coi tên chất là những chuỗi ký tự phải học thuộc. Một công thức ion là một biểu thức cân bằng điện tích. Một tiền tố cộng hoá trị là một chỉ dẫn về số nguyên tử. Một chữ số La Mã là một thông tin về số oxi hoá.

Những ý tưởng này gần như ngay lập tức xuất hiện trở lại ở những phần khác của Hoá học. Công thức đúng cho phép bạn cân bằng phương trình và tính khối lượng mol, trong khi số oxi hoá trở thành một cách để theo dõi sự chuyển electron trong các phản ứng oxi hoá-khử. Nếu bạn có thể nhìn vào \(\ce{Fe2O3}\) và giải thích tại sao sắt có số oxi hoá \(+3\), thì bạn đã bắt đầu thực hiện kiểu suy luận cần thiết cho quá trình oxi hoá và khử, thay vì chỉ đơn thuần học tên các hợp chất.