1. Bài 1. Liên kết hóa học

Hình học phân tử (hình dạng phân tử) của một chất rất quan trọng trong việc xác định cách thức phân tử chất đó tương tác và phản ứng với các phân tử chất khác. Hình học phân tử cũng ảnh hưởng đến nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy của chất. Nhiều đặc tính của chất được giải thích từ dữ liệu hình học phân tử của nó.

Yếu tố nào quyết định hình học phân tử các chất?

Lời giải chi tiết:

Hình học một số phân tử chỉ phụ thuộc và tổng số các cặp electron hóa trị (liên kết và chưa liên kết) của nguyên tử trung tâm

Viết công thức Lewis của nguyên tử oxygen và nguyên tử magnesium.

Phương pháp giải:

Công thức Lewis của nguyên tử một nguyên tố hóa học biểu diễn các electron hóa trị (minh họa bằng các dấu “•”

Lời giải chi tiết:

- Oxygen có 6 electron hóa trị

Công thức Lewis của nguyên tử oxygen:

- Magnesium có 2 electron hóa trị

Công thức Lewis của nguyên tử magnesium

Viết công thức electron của phân tử methane (CH₄)

Phương pháp giải:

Công thức electron của một phân tử biểu diễn các electron hóa trị riêng của các nguyên tử trong phân tử và các cặp electron chung trong phân tử đó.

Lời giải chi tiết:

- Công thức electron của CH₄ là:

Khi dùng chlorine để khử trùng hồ bơi, chlorine sẽ phản ứng với urea trong nước tiểu và mồ hôi người tắm, tạo hợp chất nitrogen trichloride (NCl₃), gây ra nhiều tác động xấu đến sức khỏe như đỏ mắt, hen suyễn,…

Viết công thức Lewis của nitrogen trichloride

Phương pháp giải:

Bước 1: Tổng số electron hóa trị của phân tử

Bước 2: Sơ đồ khung biểu diễn liên kết của phân tử

Bước 3: Tính số electron hóa trị chưa tham gia liên kết trong sơ đồ. Hoàn thiện octet cho các nguyên tử

Bước 4: Chuyển cặp electron chưa liên kết trên nguyên tử xung quanh thành electron liên kết sao cho nguyên tử trung tâm thỏa mãn quy tắc octet

Lời giải chi tiết:

Bước 1: Tổng electron hóa trị của phân tử NCl₃: 5.1 + 7.3 = 26

Bước 2: Khung sơ đồ biểu diễn liên kết của phân tử NCl₃

Bước 3: Số electron hóa trị chưa tham gia liên kết trong sơ đồ là:

26 – 2.3 = 20

Hoàn thiện octet cho các nguyên tử có độ âm điện lớn hơn trong sơ đồ (Cl có độ âm điện lớn hơn)

- Số electron hóa trị còn lại: 20 – 6.3 = 2

Nguyên tử trung tâm N chưa đạt octet, dùng 2 electron còn lại tạo octet cho N.

Công thức Lewis của nitrogen trichloride (NCl₃) là:

Hãy tính tổng số electron hóa trị của phân tử BF₃

Phương pháp giải:

- B có 3 electron hóa trị

- F có 7 electron hóa trị

Lời giải chi tiết:

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 là: 1.3 + 3.7 = 24 electron

Xác định nguyên tử trung tâm trong BF₃. Lập sơ đồ khung của phân tử BF₃.

Phương pháp giải:

Nguyên tử trung tâm là nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn (trừ H)

Lời giải chi tiết:

B có độ âm điện nhỏ hơn F nên B là nguyên tử trung tâm.

Sơ đồ khung của phân tử BF₃:

Thực hiện Bước 3 cho phân tử BF₃ và cho biết có cần tiếp tục Bước 4?

Phương pháp giải:

Bước 3: Tính số electron hóa trị chưa tham gia liên kết

Hoàn thiện octet cho nguyên tử có độ âm điện lớn hơn trong sơ đồ

Tính số electron hóa trị còn lại

Xem nguyên tử trung tâm đạt quy tắc octet chưa

Thực hiện bước 4.

Lời giải chi tiết:

Bước 3: Số electron hóa trị chưa tham gia liên kết trong sơ đồ là:

24 – 2 × 3 = 18 electron

Hoàn thiện octet cho nguyên tử có độ âm điện lớn hơn trong sơ đồ:

Số electron hóa trị còn lại: 18 – 18 = 0

Vì nguyên tử B chưa đạt octet nên vẫn cần thực hiện bước 4.

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 phân tử CCl₄

Phương pháp giải:

Bước 1: Tổng số electron hóa trị của phân tử

Bước 2: Sơ đồ khung biểu diễn liên kết của phân tử

Bước 3: Tính số electron hóa trị chưa tham gia liên kết trong sơ đồ. Hoàn thiện octet cho các nguyên tử

Bước 4: Chuyển cặp electron chưa liên kết trên nguyên tử xung quanh thành electron liên kết sao cho nguyên tử trung tâm thỏa mãn quy tắc octet

Lời giải chi tiết:

Bước 1: C có 4 electron hóa trị, Cl có 7 electron hóa trị. Trong phân tử CCl₄ có 1 nguyên tử C và 4 nguyên tử Cl.

⇒ Tổng số electron hóa trị của phân tử CCl₄ là: 1.4 + 4.7 = 32 electron

Bước 2: Sơ đồ khung biểu diễn liên kết của phân tử CCl₄

C có độ âm điện nhỏ hơn nên C là nguyên tử trung tâm.

Bước 3: Số electron hóa trị chưa tham gia liên kết trong sơ đồ là: 32 – 2 × 4 = 24 electron

Hoàn thiện octet cho nguyên tử có độ âm điện lớn hơn trong sơ đồ:

Sử dụng 24 electron này để tạo octet cho Cl trước (vì Cl có độ âm điện cao hơn)

Bước 4: Nguyên tử C đã được octet. Vậy công thức Lewis của CCl₄ là

Theo công thức Lewis của nước, phân tử nước có bao nhiêu cặp electron chung và bao nhiêu cặp electron riêng ở nguyên tử trung tâm?

Phương pháp giải:

- Viết công thức Lewis của nước

- Xác định số cặp electron chung và cặp electron riêng của O

Lời giải chi tiết:

Công thức Lewis của H₂O là

Phân tử nước có 2 cặp electron chung và 2 cặp electron riêng ở nguyên tử trung tâm (nguyên tử O).

Xác định giá trị n, m trong công thức VSEPR của phân tử SO₂. Cho biết công thức Lewis của SO₂ là

Phương pháp giải:

n là số nguyên tử O đã liên kết với S

m là số cặp electron riêng của nguyên tử S

Lời giải chi tiết:

Dựa vào công thức Lewis của SO₂ ta thấy:

+ n là số nguyên tử O liên kết với nguyên tử trung tâm S ⇒ n = 2

+ m là số cặp electron riêng của nguyên tử trung tâm ⇒ m = 1.

Viết công thức VSEPR của H₂O, NH₃ và SO₂

Phương pháp giải:

Phương pháp giải:

- Viết công thức Lewis

- Xác định số cặp electron chưa tham gia liên kết của nguyên tử trung tâm

AX_nE_m

A là nguyên tử trung tâm

X là nguyên tử xung quanh

n là số nguyên tử X đã liên kết với nguyên tử A

E là cặp electron riêng của nguyên tử A

m là số cặp electron riêng của nguyên tử A

Lời giải chi tiết:

- Từ công thức Lewis của H₂O

⇒ Công thức VSEPR của H₂O là: AX₂E₂

- Từ công thức Lewis của NH₃

⇒ Công thức VSEPR của NH₃ là: AX₃E₁

- Từ công thức Lewis của SO₂

⇒ Công thức VSEPR của SO₂ là AX₂E₁

Sử dụng mô hình VSEPR để dự đoán hình học của phân tử CS₂

Phương pháp giải:

- Xác định công thức Lewis của CS₂

=> Công thức VSEPR

=> Dự đoán hình học của phân tử

Lời giải chi tiết:

Công thức Lewis của CS₂

⇒ Công thức VSEPR của CS₂ là: AX₂

Xung quanh nguyên tử C có hai cặp electron chung (hai liên kết đôi), để giảm tối ta lực đẩy 2 cặp electron này phải chiếm 2 khu vực điện tích âm sao cho lực đẩy giữa chúng là nhỏ nhất

→ Phân tử CS₂ có dạng đường thẳng theo mô hình VSEPR, góc hóa trị liên kết là 180^o

Vì sao góc liên kết HCH trong phân tử methane không thể là 90^o?

Phương pháp giải:

- Để giảm tối đa lực đẩy giữa 4 cặp electron chung

Lời giải chi tiết:

Vì xung quanh nguyên tử C có 4 cặp electron chung. Để giảm tối đa lực đẩy giữa 4 cặp electron chung, 4 cặp electron này phải chiếm 4 khu vực điện tích âm sao cho lực đẩy giữa chúng là nhỏ nhất nên phân tử có dạng tứ diện, góc liên kết \(\widehat {HCH}\) = 109,5^o

Em có nhận xét gì về hình dạng, kích thước, năng lượng và hướng của các orbital nguyên tử lai hóa?

Phương pháp giải:

Điều kiện để các orbital nguyên tử (AO) có thể lai hóa với nhau là chúng có năng lượng gần bằng nhau

Lời giải chi tiết:

Các orbital nguyên tử lai hóa có năng lượng bằng nhau, hình dạng, kích thước giống nhau.

Nếu tổng số các AO tham gia lai hóa là 3 sẽ tạo ra bao nhiêu AO lai hóa?

Lời giải chi tiết:

Số AO lai hóa bằng tổng số AO tham gia lai hóa nên nếu có 3 AO tham gia lai hóa sẽ tạo ra 3 AO lai hóa.

Nguyên tử carbon trong phân tử CO₂ ở trạng thái lai hóa nào? Giải thích liên kết hóa học tạo thành trong phân tử CO₂ theo thuyết lai hóa

Phương pháp giải:

2 AO lai hóa sp của nguyên tử C xen phủ với 2 AO p của 2 nguyên tử O

Lời giải chi tiết:

Công thức Lewis của CO₂

 Công thức VSEPR của CO₂ có dạng AX₂

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.

1 AO 2s tổ hợp với 1 AO 2p, tạo 2 AO lai hóa sp

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.

Theo mô hình VSEPR, phân tử formaldehyde có dạng tam giác phẳng. Xác định trạng thái lai hóa của nguyên tử trung tâm carbon. Cho biết formaldehyde có công thức như hình sau đây:

Phương pháp giải:

Cấu hình electron của C: 1s²2s²2p²

1 AO 2s tổ hợp với 2 AO 2p tạo 3AO lai hóa sp²

3 AO lai hóa sp² của nguyên tử C xen phủ với 2 AO s của 2 nguyên tử H và 1 AO p của 1 nguyên tử O

Lời giải chi tiết:

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

1 AO 2s tổ hợp với 2 AO 2p tạo 3 AO lai hóa sp².

Vậy nguyên tử C trong phân tử formaldehyde lai hóa sp²

3 AO lai hóa sp² của nguyên tử C xen phủ với 2 AO s của 2 nguyên tử H và 1 AO p của 1 nguyên tử O

+ Khi xen phủ với 2 AO s của nguyên tử H là xen phủ bên

+ 1 AO còn lại xen phủ với 1 AO p của nguyên tử O là xen phủ trục => liên kết π

Tương tự như công thức VSEPR, có thể dự đoán nhanh trạng thái lai hóa của nguyên tử A (nguyên tố s, p) trong một phân tử bất kì như sau:

- Xác định số nguyên tử liên kết trực tiếp với A

- Xác định số cặp electron hóa trị riêng của A

- Nếu tổng hai giá trị là 2; 3 hoặc 4 thì trạng thái lai hóa của A lần lượt là sp, sp² hoặc sp³

Dự đoán trạng thái lai hóa của nguyên tử C, S và N trong các phân tử CO₂, SO₂ và NH₃

Lời giải chi tiết:

Trong phân tử CO₂

- Số nguyên tử liên kết với C là 2.

- Số cặp electron hóa trị riêng của C là 0

- Tổng hai giá trị là 2 ⇒ Trạng thái lai hóa của C là sp.

Trong phân tử SO₂

- Số nguyên tử liên kết với S là 2.

- Số cặp electron hóa trị riêng của S là 1

- Tổng hai giá trị là 3 ⇒ Trạng thái lai hóa của S là sp².

Trong phân tử NH₃

- Số nguyên tử liên kết với N là 3.

- Số cặp electron hóa trị riêng của N là 1

- Tổng hai giá trị là 4 ⇒ Trạng thái lai hóa của N là sp³.

Phân tử chứa nguyên tử lai hóa sp³ có cấu trúc phẳng không? Giải thích và cho ví dụ.

Phương pháp giải:

Lai hóa sp³ có hình tứ điện đều

Lời giải chi tiết:

Phân tử chứa nguyên tử lai hóa sp³ không thể có cấu trúc phẳng. Vì khi 1 AO ns tổ hợp với 3 AO np tạo ra 4 AO lai hóa sp³. 4 AO sp³ này chiếm 4 khu vực điện tích âm sao cho lực đẩy giữa chúng là nhỏ nhất nên phân tử có dạng tứ diện, góc tạo bởi hai trục của hai AO là 109,5^o_.

Ví dụ phân tử CH₄

Từ công thức Lewis của CH₄ 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.

Biết nguyên tử oxygen trong phân tử H₂O ở trạng thái lai hóa sp³. Trình bày sự hình thành liên kết hóa học trong phân tử H₂O

Phương pháp giải:

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

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

Lời giải chi tiết:

Cấu hình electron của 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.

Viết công thức Lewis của các phân tử sau:

a) HCN

b) SO₃

Phương pháp giải:

Bước 1: Tổng số electron hóa trị của phân tử

Bước 2: Sơ đồ khung biểu diễn liên kết của phân tử

Bước 3: Tính số electron hóa trị chưa tham gia liên kết trong sơ đồ. Hoàn thiện octet cho các nguyên tử

Bước 4: Chuyển cặp electron chưa liên kết trên nguyên tử xung quanh thành electron liên kết sao cho nguyên tử trung tâm thỏa mãn quy tắc octet

Lời giải chi tiết:

a) Viết công thức Lewis của HCN

Bước 1: C có 4 electron hóa trị, H có 1 electron hóa trị, N có 5 electron hóa trị.

⇒ Tổng số electron hóa trị là: 4 + 1 + 5 = 10 electron.

Bước 2: Sơ đồ khung biểu diễn liên kết của phân tử HCN

Bước 3: Số electron hóa trị chưa tham gia liên kết trong sơ đồ là: 10 – 2 × 2 = 6 electron

Hoàn thiện octet cho nguyên tử có độ âm điện lớn hơn trong sơ đồ:

Sử dụng 6 electron này để tạo octet cho N trước

Bước 4: Đã sử dụng hết 6 electron để tạo octet cho N. Tuy nhiên C chưa đủ octet nên ta chuyển 2 cặp electron của nguyên tử N tạo thành cặp electron dùng chung giữa C và N. Nguyên tử H đã đủ octet

Vậy công thức Lewis của HCN là:

b) 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 là: 1.6 + 3.6 = 24 electron

Bước 2: Sơ đồ khung biểu diễn liên kết của phân tử SO₃

S có độ âm điện nhỏ hơn nên S là nguyên tử trung tâm.

Bước 3: Số electron hóa trị chưa tham gia liên kết trong sơ đồ là: 24 – 2 × 3 = 18 electron

Hoàn thiện octet cho nguyên tử có độ âm điện lớn hơn trong sơ đồ:

Sử dụng 18 electron này để tạo octet cho O trước (vì O có độ âm điện cao hơn)

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 tạo thành cặp electron dùng chung.

Vậy công thức Lewis của SO₃ là:

Viết công thức VSEPR và dự đoán hình học của các phân tử sau:

a) HCN

b) SO₃

c) PH₃

Phương pháp giải:

- Viết công thức Lewis

=> Công thức VSEPR

AX_nE_m

A là nguyên tử trung tâm

X là nguyên tử xung quanh

n là số nguyên tử X đã liên kết với nguyên tử A

E là cặp electron riêng của nguyên tử A

m là số cặp electron của nguyên tử A

=> Hình học dựa vào bảng 1.1

Lời giải chi tiết:

a) Công thức Lewis của HCN là:

⇒ Công thức VSEPR của HCN là AX₂

⇒ HCN có dạng đường thẳng

b) Từ công thức Lewis của SO₃

⇒ Công thức VSEPR của SO₃ là: AX₃

⇒ SO₃ có dạng tam giác phẳng.

c) Công thức Lewis của PH₃ là

⇒ Công thức VSEPR của PH₃ là: AX₃E₁

⇒ Để giảm tối đa lực đẩy giữa 4 cặp electron hóa trị (gồm 3 cặp electron chung và 1 cặp electron riêng), 4 cặp electron này phải chiếm 4 khu vực điện tích âm sao cho lực đẩy giữa chúng là nhỏ nhất. Tuy nhiên cặp electron riêng đẩy mạnh hơn làm góc liên kết giảm, nên nhỏ hơn 109,5^o

Trình bày sự tạo thành liên kết hóa học trong các phân tử sau dựa vào sự lai hóa của các nguyên tử trung tâm:

a) C₂H₂

b) C₂H₄

c) NH₃

Phương pháp giải:

- Viết cấu hình electron của nguyên tử trung tâm

- Nguyên tử trung tâm liên kết với mấy nguyên tử xung quanh

Lời giải chi tiết:

a) Công thức Lewis của C₂H₂ là:

Cấu hình electron của nguyên tử C là: 1s²2s²2p²

1 AO 2s tổ hợp với 1 AO 2p, tạo 2 AO lai hóa sp

Mỗi nguyên tử C ở trạng thái lai hóa sp. Mỗi nguyên tử C dùng 1 AO lai hóa sp để xen phủ với nhau tạo ra liên kết σ_C-C. Mỗi nguyên tử C dùng AO lai hóa sp còn lại để xen phủ với AO 1s của một nguyên tử H tạo ra liên kết σ_C-H. Mỗi nguyên tử C còn lại 2 AO 2p song song từng đôi một. Chúng xen phủ bên với nhau tạo ra 2 liên kết π_C-C. Như vậy trong phân tử C₂H₂ có 3 liên kết σ và 2 liên kết π.

b) Công thức Lewis của C₂H₄ là:

Cấu hình electron của nguyên tử C là: 1s²2s²2p²

1 AO 2s tổ hợp với 2 AO 2p tạo 3 AO lai hóa sp².

Trong phân tử C₂H₄ mỗi nguyên tử C có sự lai hóa sp². Mỗi nguyên tử C dùng 1 AO lai hóa để xen phủ với nhau tạo ra liên kết σ_C-C. Mỗi nguyên tử C dùng AO lai hóa còn lại để xen phủ với AO 1s của một nguyên tử H tạo ra liên kết σ_C-H. Mỗi nguyên tử C còn 1 AO p không tham gia lai hóa sẽ xen phủ bên với nhau tạo liên kết π_C-C. Như vậy trong phân tử C₂H₄ có 5 liên kết σ và 1 liên kết π.

c) Công thức Lewis của NH₃ là:

⇒ Công thức VSEPR của NH₃ là: AX₃E₁

Từ công thức VSEPR dự đoán được trạng thái lai hóa của nguyên tử N trong phân tử NH₃ là sp³.

Cấu hình electron của N là: 1s²2s²2p³

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

Ba AO lai hóa sp³ (chứa electron độc thân) của nguyên tử N xen phủ với AO 1s của 3 nguyên tử H, tạo và liên kết σ, hướng về ba đỉnh của hình tứ diện. Nguyên tử N còn 1 AO lai hóa sp³ chứa một cặp electron chưa liên kết nằm hướng về đỉnh còn lại của tứ diện. Tuy nhiên cặp electron chưa liên kết này đẩy mạnh hơn nên làm góc liên kết giảm, nên nhỏ hơn 109,5^o

Dự đoán trạng thái lai hóa của nguyên tử trung tâm trong các phân tử sau:

a) PCl₃

b) CS₂

c) SO₂

Lời giải chi tiết:

 Có thể dự đoán nhanh trạng thái lai hóa của nguyên tử A (nguyên tố s, p) trong một phân tử bất kì như sau:

- Xác định số nguyên tử liên kết trực tiếp với A.

- Xác định số cặp electron hóa trị riêng của A.

- Nếu tổng hai giá trị là 2; 3 hoặc 4 thì trạng thái lai hóa của A lần lượt là sp; sp² hoặc sp³

a) Trong phân tử PCl₃

- Số nguyên tử liên kết với P là 3.

- Số cặp electron hóa trị riêng của P là 1

- Tổng hai giá trị là 4 ⇒ Trạng thái lai hóa của C là sp³.

b) Trong phân tử CS₂

- Số nguyên tử liên kết với C là 2.

- Số cặp electron hóa trị riêng của C là 0

- Tổng hai giá trị là 2 ⇒ Trạng thái lai hóa của C là sp.

c) Trong phân tử SO₂

- Số nguyên tử liên kết với S là 2.

- Số cặp electron hóa trị riêng của S là 1

- Tổng hai giá trị là 3 ⇒ Trạng thái lai hóa của S là sp².