Hình dạng phân tử: Dự đoán hình học bằng VSEPR cho Hóa học HSC
Tìm hiểu cách dự đoán hình dạng phân tử bằng miền electron, cặp liên kết, cặp electron không liên kết và thuyết VSEPR. Có ví dụ có lời giải, các hiểu lầm thường gặp và bài tập theo phong cách HSC.
Đặt ba nguyên tử lại với nhau, bạn có thể nghĩ rằng chúng sẽ tạo thành một đường thẳng. Đôi khi đúng là như vậy. \(\ce{CO2}\) có dạng thẳng. Nhưng \(\ce{H2O}\), cũng gồm ba nguyên tử, lại có dạng gấp khúc.
Vậy điều gì khiến một phân tử thẳng còn phân tử khác lại gấp khúc?
Trước khi đọc tiếp, hãy thử dự đoán. Nếu nguyên tử oxy trong \(\ce{H2O}\) liên kết với hai nguyên tử hydro, điều gì có thể đang đẩy các liên kết O-H ra khỏi cách sắp xếp theo đường thẳng?
Những yếu tố còn thiếu là các cặp electron không liên kết. Chúng chiếm không gian xung quanh nguyên tử oxy mặc dù ta không nhìn thấy chúng trong công thức phân tử. Để dự đoán đúng hình dạng phân tử, chúng ta cần đếm tất cả các miền mật độ electron xung quanh nguyên tử trung tâm, chứ không chỉ các nguyên tử gắn với nó.
Ý tưởng đó là cơ sở của thuyết đẩy cặp electron lớp vỏ hóa trị, hay thuyết VSEPR.
01Ý tưởng cơ bản: các miền electron giãn ra xa nhau
Hãy tưởng tượng một số quả bóng bay được buộc lại với nhau tại một điểm. Mỗi quả bóng đẩy các quả khác, nên chúng sắp xếp sao cho cách nhau càng xa càng tốt.
Các miền electron xung quanh một nguyên tử có cách ứng xử gần tương tự. Electron mang điện tích âm, nên các miền chứa electron đẩy nhau. Cách sắp xếp giữ các miền này xa nhau nhất thường là cách ổn định nhất.
Phép so sánh này không hoàn toàn chính xác. Các đám mây electron không phải là những quả bóng rắn, và hình dạng cũng như lực đẩy giữa chúng không hoàn toàn giống nhau. Tuy vậy, mô hình này cho chúng ta một hình dung ban đầu hữu ích:
Các miền electron xung quanh nguyên tử trung tâm sắp xếp sao cho lực đẩy được giảm thiểu.
Một miền electron có thể là:
- một liên kết đơn
- một liên kết đôi
- một liên kết ba
- một cặp electron không liên kết
Có một quy tắc ở đây khiến nhiều học sinh dễ nhầm:
Một liên kết đôi hoặc liên kết ba vẫn chỉ được tính là một miền electron.
Nó chứa mật độ electron lớn hơn liên kết đơn, nên lực đẩy của nó có thể mạnh hơn đôi chút, nhưng nó vẫn hướng theo một phương tổng quát từ nguyên tử trung tâm.
02Cách sắp xếp electron được xác định trước hình dạng phân tử
Giả sử một nguyên tử trung tâm có bốn miền electron xung quanh.
Bốn miền đó phân bố thành cách sắp xếp electron dạng tứ diện, với các góc lý tưởng khoảng \(109.5^\circ\).
Tuy nhiên, có một điểm phân biệt quan trọng.
Hình học miền electron mô tả cách sắp xếp của tất cả các miền electron, bao gồm cả các cặp electron không liên kết.
Hình dạng phân tử chỉ mô tả vị trí của các nguyên tử.
Đây là lý do bốn miền electron có thể tạo ra nhiều hình dạng phân tử khác nhau.
| Số miền electron quanh nguyên tử trung tâm | Miền liên kết | Cặp electron không liên kết | Hình học miền electron | Hình dạng phân tử |
|---|---|---|---|---|
| 2 | 2 | 0 | Thẳng | Thẳng |
| 3 | 3 | 0 | Tam giác phẳng | Tam giác phẳng |
| 3 | 2 | 1 | Tam giác phẳng | Gấp khúc |
| 4 | 4 | 0 | Tứ diện | Tứ diện |
| 4 | 3 | 1 | Tứ diện | Chóp tam giác |
| 4 | 2 | 2 | Tứ diện | Gấp khúc |
Cột cuối cùng thường là điều mà một câu hỏi muốn bạn xác định khi hỏi về hình dạng của phân tử.
03Vì sao các cặp electron không liên kết làm thay đổi hình dạng
Hãy xét \(\ce{CH4}\), amoniac \(\ce{NH3}\) và nước \(\ce{H2O}\).
Cả ba đều có bốn miền electron xung quanh nguyên tử trung tâm.
Tuy nhiên, hình dạng của chúng lại khác nhau.
Metan: \(\ce{CH4}\)
Carbon có bốn miền liên kết và không có cặp electron không liên kết.
Cả bốn miền electron đều chứa liên kết, nên hình dạng phân tử giống với hình học miền electron:
tứ diện, với các góc liên kết xấp xỉ \(109.5^\circ\).
Amoniac: \(\ce{NH3}\)
Nitơ có ba miền liên kết N-H và một cặp electron không liên kết.
Vẫn có bốn miền electron, nên cách sắp xếp electron nền tảng là tứ diện. Nhưng khi gọi tên hình dạng phân tử, ta bỏ qua cặp electron không liên kết và chỉ xét vị trí các nguyên tử.
Vì vậy, ba nguyên tử hydro tạo thành hình chóp tam giác.
Góc H-N-H khoảng \(107^\circ\), nhỏ hơn một chút so với góc tứ diện lý tưởng.
Vì sao?
Một cặp electron không liên kết chỉ bị hút bởi một hạt nhân, thay vì được dùng chung giữa hai nguyên tử liên kết. Đám mây electron của nó lan rộng hơn quanh nguyên tử trung tâm và đẩy các miền liên kết lân cận mạnh hơn.
Một thứ tự hữu ích là:
\[
\text{lực đẩy cặp không liên kết-cặp không liên kết} > \text{lực đẩy cặp không liên kết-cặp liên kết} > \text{lực đẩy cặp liên kết-cặp liên kết}
\]
Vì vậy, cặp electron không liên kết trên nitơ ép các liên kết N-H lại gần nhau hơn một chút.
Nước: \(\ce{H2O}\)
Oxy có hai miền liên kết O-H và hai cặp electron không liên kết.
Một lần nữa, có bốn miền electron, nên hình học miền electron là tứ diện.
Nhưng chỉ có hai miền trong số đó chứa nguyên tử. Vì vậy, hình dạng phân tử là gấp khúc.
Góc H-O-H khoảng \(104.5^\circ\), thậm chí nhỏ hơn góc trong amoniac vì có hai cặp electron không liên kết tạo ra lực đẩy mạnh.
Từ đó, ta có một quy luật hữu ích:
\[
\ce{CH4}: 109.5^\circ
\]
\[
\ce{NH3}: \text{khoảng }107^\circ
\]
\[
\ce{H2O}: \text{khoảng }104.5^\circ
\]
Số miền electron không thay đổi. Điều thay đổi là có bao nhiêu miền trong số đó là cặp electron không liên kết.
04Một phương pháp đáng tin cậy để dự đoán hình dạng
Đối với hầu hết các bài toán về hình dạng phân tử trong HSC, hãy làm theo trình tự sau.
Bước 1: Xác định nguyên tử trung tâm
Nguyên tử trung tâm thường là nguyên tử liên kết với nhiều nguyên tử khác. Hydro không bao giờ là nguyên tử trung tâm trong các phân tử được xét ở đây vì nó chỉ tạo một liên kết.
Bước 2: Sử dụng cấu trúc Lewis
Bạn cần biết vị trí của các liên kết và các cặp electron không liên kết.
Nếu cấu trúc Lewis không được cho sẵn, hãy nhớ quy trình cơ bản:
- Đếm tổng số electron hóa trị.
- Nối các nguyên tử bằng liên kết đơn.
- Hoàn thiện lớp electron hóa trị của các nguyên tử ngoài khi thích hợp.
- Đặt các electron còn lại lên nguyên tử trung tâm.
- Tạo liên kết bội nếu cần để có được một cấu trúc Lewis hợp lý.
Điện tích hình thức và cộng hưởng có thể quan trọng trong những cấu trúc phức tạp hơn, nhưng việc xác định hình dạng bắt đầu khi bạn biết các miền electron xung quanh nguyên tử trung tâm.
Bước 3: Đếm các miền electron xung quanh nguyên tử trung tâm
Hãy tính mỗi loại sau là một miền:
- một liên kết đơn
- một liên kết đôi
- một liên kết ba
- một cặp electron không liên kết
Ví dụ, nguyên tử carbon trong \(\ce{CO2}\) có hai liên kết đôi:
\[
\ce{O=C=O}
\]
Đó là hai miền electron, không phải bốn.
Bước 4: Xác định hình học miền electron
Các cách sắp xếp quan trọng nhất là:
| Số miền electron | Hình học miền electron cơ bản | Các góc lý tưởng |
|---|---|---|
| 2 | Thẳng | \(180^\circ\) |
| 3 | Tam giác phẳng | \(120^\circ\) |
| 4 | Tứ diện | \(109.5^\circ\) |
| 5 | Lưỡng chóp tam giác | \(90^\circ\), \(120^\circ\), \(180^\circ\) |
| 6 | Bát diện | \(90^\circ\), \(180^\circ\) |
Bước 5: Bỏ qua các cặp electron không liên kết khi gọi tên hình dạng phân tử
Không loại bỏ các cặp electron không liên kết trước khi xác định cách sắp xếp electron. Hãy để chúng quyết định cách sắp xếp trước.
Sau đó mới bỏ qua chúng khi gọi tên hình dạng phân tử.
Thứ tự này rất quan trọng.
05Ví dụ có lời giải: Hình dạng của amoniac là gì?
Hãy dự đoán hình dạng phân tử và góc liên kết H-N-H gần đúng của \(\ce{NH3}\).
Bước 1
Nitơ liên kết với cả ba nguyên tử hydro, nên nitơ là nguyên tử trung tâm.
Bước 2
Nitơ có ba liên kết N-H và một cặp electron không liên kết.
Do đó:
\[
3\text{ miền liên kết} + 1\text{ cặp electron không liên kết} = 4\text{ miền electron}
\]
Bước 3
Bốn miền electron sắp xếp theo dạng tứ diện.
Bước 4
Một vị trí trong cấu trúc tứ diện chứa một cặp electron không liên kết, còn lại ba nguyên tử hydro liên kết.
Hình dạng phân tử là chóp tam giác.
Bước 5
Góc tứ diện hoàn hảo là \(109.5^\circ\). Cặp electron không liên kết đẩy các miền liên kết N-H mạnh hơn so với lực đẩy giữa các miền liên kết với nhau, nên góc H-N-H trở nên nhỏ hơn một chút.
Góc quan sát được vào khoảng:
\[
107^\circ
\]
Vì vậy, \(\ce{NH3}\) có dạng chóp tam giác, với các góc liên kết khoảng \(107^\circ\).
06Ba miền electron: vì sao \(\ce{CO2}\) và \(\ce{SO2}\) khác nhau
Bây giờ hãy so sánh hai phân tử có chứa liên kết đôi.
Carbon dioxide có cấu trúc:
\[
\ce{O=C=O}
\]
Nguyên tử carbon có hai miền electron. Chúng tách xa nhau nhất có thể, tạo ra cách sắp xếp \(180^\circ\).
Vì vậy, \(\ce{CO2}\) có dạng thẳng.
Sulfur dioxide, \(\ce{SO2}\), thì khác. Xung quanh nguyên tử lưu huỳnh trung tâm có ba miền electron chính: hai miền liên kết hướng về các nguyên tử oxy và một cặp electron không liên kết.
Ba miền ưu tiên cách sắp xếp electron dạng tam giác phẳng.
Nhưng một trong các vị trí đó do một cặp electron không liên kết chiếm giữ, nên các nguyên tử tạo thành một phân tử gấp khúc.
Một học sinh có thể nhìn thấy hai liên kết S-O và dự đoán dạng thẳng vì có “hai thứ gắn vào”. Dự đoán đó đã bỏ qua cặp electron không liên kết. VSEPR phụ thuộc vào các miền electron, chứ không chỉ đơn giản là số nguyên tử xung quanh.
Ví dụ có lời giải: Dự đoán hình dạng của \(\ce{SO2}\)
Hãy dự đoán hình học miền electron, hình dạng phân tử và góc liên kết O-S-O gần đúng của \(\ce{SO2}\).
Bước 1
Lưu huỳnh là nguyên tử trung tâm. Một cách biểu diễn Lewis phù hợp cho thấy quanh lưu huỳnh có hai miền liên kết S-O và một cặp electron không liên kết.
Mỗi hướng liên kết S-O được tính là một miền, kể cả khi liên kết được biểu diễn bằng liên kết đôi trong cấu trúc Lewis.
Do đó:
\[
2\text{ miền liên kết} + 1\text{ cặp electron không liên kết} = 3\text{ miền electron}
\]
Bước 2
Ba miền electron tạo ra cách sắp xếp electron tam giác phẳng, với độ phân cách lý tưởng là \(120^\circ\).
Bước 3
Chỉ nguyên tử lưu huỳnh và hai nguyên tử oxy xác định hình dạng phân tử.
Vì vậy, phân tử có dạng gấp khúc.
Bước 4
Cặp electron không liên kết chiếm nhiều không gian quanh lưu huỳnh hơn một miền liên kết. Nó đẩy hai miền liên kết S-O lại gần nhau hơn.
Do đó:
\[
\angle\ce{OSO} < 120^\circ
\]
Điều quan trọng trong cách lập luận của HSC không phải là ghi nhớ một giá trị góc thập phân cụ thể. Quan trọng là giải thích vì sao góc phải nhỏ hơn \(120^\circ\).
07Điều gì xảy ra khi có năm hoặc sáu miền electron?
Ý tưởng về lực đẩy vẫn tiếp tục áp dụng khi có nhiều hơn bốn miền.
Năm miền
Năm miền electron tạo thành cách sắp xếp lưỡng chóp tam giác.
Có hai loại vị trí:
- ba vị trí xích đạo nằm trong cùng một mặt phẳng, cách nhau \(120^\circ\)
- hai vị trí trục nằm phía trên và phía dưới mặt phẳng đó
Một cặp electron không liên kết thường ưu tiên vị trí xích đạo vì vị trí này giúp nó có ít tương tác \(90^\circ\) hơn với các miền electron khác.
Ví dụ, \(\ce{SF4}\) có năm miền electron quanh lưu huỳnh: bốn miền liên kết và một cặp electron không liên kết.
Hình học miền electron của nó là lưỡng chóp tam giác, nhưng khi một vị trí xích đạo bị chiếm bởi một cặp electron không liên kết, hình dạng phân tử là bập bênh.
Sáu miền
Sáu miền electron tạo thành cách sắp xếp bát diện.
Ví dụ, \(\ce{SF6}\) có sáu miền liên kết và không có cặp electron không liên kết, nên nó có dạng bát diện.
Nếu một cách sắp xếp bát diện có hai cặp electron không liên kết, vị trí của hai cặp đó rất quan trọng. Đặt chúng đối diện nhau giúp chúng cách nhau \(180^\circ\) và làm giảm lực đẩy lẫn nhau.
Điều này xảy ra trong \(\ce{XeF4}\). Xenon có sáu miền electron: bốn miền liên kết Xe-F và hai cặp electron không liên kết.
Hai cặp electron không liên kết chiếm hai vị trí đối diện nhau, để lại bốn nguyên tử fluor trong cùng một mặt phẳng.
Hình dạng phân tử là vuông phẳng.
08Hai lỗi đếm phổ biến nhất
Lỗi 1: Đếm số liên kết thay vì số miền electron
Giả sử nguyên tử carbon trung tâm có một liên kết đôi và hai liên kết đơn.
Bạn có thể đếm:
\[
2 + 1 + 1 = 4
\]
và dự đoán cách sắp xếp tứ diện.
Điều đó không đúng.
Một liên kết đôi được tính là một miền electron, vì mật độ electron của nó hướng theo một phương tổng quát.
Vì vậy, cách đếm đúng là:
\[
1 + 1 + 1 = 3\text{ miền electron}
\]
Hình học miền electron là tam giác phẳng.
Lỗi 2: Bỏ qua các cặp electron không liên kết quá sớm
Giả sử một nguyên tử oxy liên kết với hai nguyên tử.
Nếu chỉ nhìn vào hai liên kết đó, bạn có thể dự đoán dạng thẳng vì hai miền sẽ cách nhau \(180^\circ\).
Nhưng oxy thường còn có hai cặp electron không liên kết. Như vậy tổng cộng có bốn miền electron.
Do đó, cách sắp xếp electron là tứ diện, và hai nguyên tử liên kết chỉ chiếm hai trong bốn hướng đó. Kết quả là dạng gấp khúc.
Một quy tắc quyết định hữu ích là:
Hãy tính các cặp electron không liên kết khi xác định cách sắp xếp electron. Chỉ bỏ qua chúng khi gọi tên hình dạng phân tử cuối cùng.
09VSEPR dự đoán các xu hướng hữu ích, không phải các góc hoàn hảo
Mô hình VSEPR đơn giản thường bắt đầu với các góc lý tưởng như \(120^\circ\) và \(109.5^\circ\). Các phân tử thực tế không phải lúc nào cũng có chính xác những giá trị đó.
Các miền electron khác nhau không đẩy nhau với mức độ hoàn toàn giống nhau.
Đặc biệt:
- các cặp electron không liên kết thường đẩy mạnh hơn các miền liên kết
- liên kết bội có thể đẩy mạnh hơn liên kết đơn
- các nguyên tử xung quanh khác nhau có thể làm thay đổi sự phân bố của các electron liên kết
Vì vậy, khi một câu hỏi yêu cầu bạn giải thích một góc liên kết bị lệch khỏi giá trị lý tưởng, đừng chỉ nói rằng “các electron đẩy nhau”.
Hãy chính xác hơn:
- xác định các miền electron,
- xác định miền nào tạo ra lực đẩy mạnh hơn,
- nêu rõ những liên kết nào bị đẩy lại gần nhau hơn hoặc xa nhau hơn,
- so sánh góc thu được với hình học lý tưởng.
Cách giải thích đó thuyết phục hơn nhiều so với việc ghi nhớ các góc liên kết riêng lẻ.
10Câu hỏi và lời giải
Câu hỏi 1
Nguyên tử boron trung tâm trong \(\ce{BF3}\) tạo ba liên kết B-F và không có cặp electron không liên kết. Hãy dự đoán hình dạng phân tử và góc liên kết F-B-F.
Lời giải 1
\(\ce{BF3}\) có dạng tam giác phẳng, với các góc liên kết F-B-F xấp xỉ \(120^\circ\).
Nguyên tử boron có ba miền liên kết và không có cặp electron không liên kết:
\[
3\text{ miền liên kết} = 3\text{ miền electron}
\]
Ba miền electron giảm thiểu lực đẩy bằng cách phân bố trong cùng một mặt phẳng, cách nhau \(120^\circ\).
Vì mọi miền electron đều chứa một liên kết, hình học miền electron và hình dạng phân tử đều là tam giác phẳng.
Cạm bẫy phổ biến là cho rằng mọi phân tử có nhiều liên kết đều trở thành tứ diện. Hình học tứ diện cần bốn miền electron, chứ không đơn thuần là “nhiều hơn hai”.
Câu hỏi 2
Một phân tử có nguyên tử trung tâm với bốn miền electron. Ba miền là miền liên kết và một miền là cặp electron không liên kết.
Hãy nêu hình học miền electron và hình dạng phân tử. Bạn có kỳ vọng các góc liên kết chính xác bằng \(109.5^\circ\) không? Hãy giải thích.
Lời giải 2
Hình học miền electron là tứ diện, hình dạng phân tử là chóp tam giác, và các góc liên kết phải nhỏ hơn \(109.5^\circ\) một chút.
Tổng cộng bốn miền electron tạo ra cách sắp xếp tứ diện:
\[
3\text{ miền liên kết} + 1\text{ cặp electron không liên kết} = 4\text{ miền}
\]
Khi bỏ qua cặp electron không liên kết để gọi tên vị trí của các nguyên tử, còn lại ba nguyên tử liên kết, tạo thành hình dạng phân tử chóp tam giác.
Góc bị thu hẹp vì một cặp electron không liên kết chiếm nhiều không gian hơn quanh nguyên tử trung tâm và đẩy các miền liên kết lân cận mạnh hơn so với lực đẩy giữa các miền liên kết với nhau. Sai lầm sẽ là tự động dùng \(109.5^\circ\) chỉ vì cách sắp xếp electron nền tảng là tứ diện.
Câu hỏi 3
Formaldehyde, \(\ce{CH2O}\), chứa một nguyên tử carbon trung tâm liên kết với hai nguyên tử hydro và liên kết đôi với một nguyên tử oxy.
Hãy dự đoán cách sắp xếp quanh carbon. Giải thích vì sao việc coi liên kết đôi C=O là hai miền electron riêng biệt sẽ cho kết quả sai.
Lời giải 3
Cách sắp xếp quanh carbon là tam giác phẳng, với các góc liên kết quanh carbon gần \(120^\circ\).
Xung quanh nguyên tử carbon có:
\[
2\text{ miền C-H} + 1\text{ miền C=O} = 3\text{ miền electron}
\]
Do đó, ba miền phân bố theo cách sắp xếp tam giác phẳng.
Liên kết đôi C=O chứa hai cặp electron dùng chung, nhưng cả hai đều nằm theo cùng một hướng liên kết tổng quát giữa carbon và oxy. Vì vậy, VSEPR xem toàn bộ liên kết đôi là một miền mật độ electron, không phải hai hướng độc lập.
Nếu đếm liên kết đôi hai lần, ta sẽ sai khi có bốn miền và từ đó dự đoán cấu trúc tứ diện.
Các góc chính xác không nhất thiết đều đúng bằng \(120^\circ\), vì liên kết đôi giàu electron có thể đẩy các miền liên kết lân cận mạnh hơn một chút so với liên kết đơn.
Câu hỏi 4
Amoniac có thể phản ứng với ion hydro để tạo thành ion amoni:
\[
\ce{NH3 + H+ -> NH4+}
\]
Hãy dự đoán hình dạng phân tử quanh nitơ thay đổi như thế nào từ \(\ce{NH3}\) sang \(\ce{NH4+}\). Đồng thời dự đoán các góc H-N-H trở nên lớn hơn, nhỏ hơn hay không thay đổi.
Lời giải 4
Hình dạng thay đổi từ chóp tam giác trong \(\ce{NH3}\) thành tứ diện trong \(\ce{NH4+}\), và các góc H-N-H trở nên lớn hơn một chút.
Trong \(\ce{NH3}\), nitơ có:
\[
3\text{ miền liên kết} + 1\text{ cặp electron không liên kết} = 4\text{ miền electron}
\]
Hình học miền electron là tứ diện, nhưng một vị trí chứa một cặp electron không liên kết. Hình dạng phân tử là chóp tam giác, với các góc H-N-H khoảng \(107^\circ\).
Khi \(\ce{NH3}\) tạo thành \(\ce{NH4+}\), cặp electron không liên kết trên nitơ được dùng để tạo liên kết N-H bổ sung. Lúc này nitơ có:
\[
4\text{ miền liên kết} + 0\text{ cặp electron không liên kết} = 4\text{ miền electron}
\]
Cả bốn vị trí tứ diện giờ đều chứa các nguyên tử hydro liên kết, nên hình dạng phân tử là tứ diện.
Khi không còn cặp electron không liên kết gây ra sự nén bổ sung, các góc H-N-H trở thành xấp xỉ:
\[
109.5^\circ
\]
Sai lầm dễ mắc là cho rằng thêm một nguyên tử hydro chắc chắn làm hệ chật hơn và do đó góc phải nhỏ hơn. Điều quan trọng không chỉ là số nguyên tử. Cặp electron không liên kết có lực đẩy mạnh đã được thay bằng một miền liên kết, khiến bốn miền trở nên tương đương hơn.
Câu hỏi 5
Một học sinh nói:
“Bất kỳ phân tử nào có hai nguyên tử liên kết với nguyên tử trung tâm đều phải có dạng thẳng vì hai liên kết có thể hướng theo hai phía đối diện nhau.”
Hãy đánh giá nhận định này bằng cách sử dụng \(\ce{CO2}\) và \(\ce{H2O}\).
Lời giải 5
Nhận định này không đúng vì hình dạng phân tử phụ thuộc vào tất cả các miền electron xung quanh nguyên tử trung tâm, chứ không chỉ số nguyên tử liên kết.
Trong \(\ce{CO2}\), carbon có hai miền electron:
\[
\ce{O=C=O}
\]
Mỗi liên kết đôi được tính là một miền, nên tổng cộng có hai miền. Chúng tách nhau \(180^\circ\), khiến \(\ce{CO2}\) có dạng thẳng.
Trong \(\ce{H2O}\), oxy có:
\[
2\text{ miền liên kết} + 2\text{ cặp electron không liên kết} = 4\text{ miền electron}
\]
Bốn miền tạo ra cách sắp xếp electron tứ diện. Khi hai cặp electron không liên kết được bỏ qua trong tên gọi hình dạng phân tử, hai liên kết O-H còn lại nằm theo cách sắp xếp gấp khúc.
Vì vậy, phép so sánh quan trọng là:
| Phân tử | Miền liên kết | Cặp electron không liên kết trên nguyên tử trung tâm | Tổng số miền | Hình dạng |
|---|---|---|---|---|
| \(\ce{CO2}\) | 2 | 0 | 2 | Thẳng |
| \(\ce{H2O}\) | 2 | 2 | 4 | Gấp khúc |
Lập luận của học sinh có vẻ hợp lý vì hai vật riêng biệt có thể tối đa hóa khoảng cách giữa chúng bằng cách nằm ở hai phía đối diện. Nhưng lập luận đó thất bại khi còn có những miền electron vô hình khác cũng đang cạnh tranh không gian.
Câu hỏi 6
Trong \(\ce{XeF4}\), xenon có bốn miền liên kết Xe-F và hai cặp electron không liên kết.
Một học sinh xác định đúng rằng có sáu miền electron và cách sắp xếp electron bát diện, nhưng sau đó lại dự đoán hình dạng phân tử là tứ diện vì có bốn nguyên tử fluor.
Hãy giải thích vì sao dự đoán này sai và xác định hình dạng phân tử đúng.
Lời giải 6
Hình dạng phân tử đúng là vuông phẳng, không phải tứ diện.
Có sáu miền electron xung quanh xenon:
\[
4\text{ miền liên kết} + 2\text{ cặp electron không liên kết} = 6\text{ miền electron}
\]
Sáu miền electron tạo thành cách sắp xếp bát diện.
Hai cặp electron không liên kết đẩy nhau mạnh. Trong cách sắp xếp bát diện, chúng có thể chiếm hai vị trí đối diện trực tiếp nhau, khiến chúng cách nhau \(180^\circ\).
Điều đó để lại bốn liên kết Xe-F trong cùng một mặt phẳng, với các liên kết lân cận tạo góc \(90^\circ\). Vì vậy, bốn nguyên tử fluor tạo thành một hình vuông quanh xenon.
Sai lầm của học sinh khá tinh tế. Có bốn nguyên tử liên kết không tự động đồng nghĩa với hình tứ diện. Hình dạng tứ diện xuất hiện khi bốn liên kết đó được sắp xếp trong bốn miền electron tổng cộng. Trong \(\ce{XeF4}\), bốn liên kết là một phần của cách sắp xếp bát diện gồm sáu miền, nên vị trí của chúng khác đi.
11Hình dạng phân tử dẫn bạn đến đâu tiếp theo
Khi đã có thể dự đoán hình dạng, bạn có thể làm được nhiều hơn là chỉ gọi tên cấu trúc.
Hình dạng cho biết các moment lưỡng cực của từng liên kết được sắp xếp như thế nào trong không gian. Vì vậy, nó trở nên thiết yếu khi xác định một phân tử là phân cực hay không phân cực.
Ví dụ, cả \(\ce{CO2}\) và \(\ce{H2O}\) đều chứa các liên kết phân cực. Hình dạng khác nhau của chúng quyết định liệu các moment lưỡng cực liên kết đó có triệt tiêu nhau hay không.
Vì vậy, câu hỏi hữu ích tiếp theo không chỉ đơn giản là: “Các liên kết có phân cực không?” Mà là: khi các liên kết đó được đặt vào hình dạng phân tử, điều gì xảy ra khi các moment lưỡng cực của chúng được cộng lại?