Trả lời nhanh
Theo mô hình VSEPR: CCl4 là AX4 (tứ diện đều, 109,5°); H2S là AX2E2 (gấp khúc, khoảng 92°); CO2 là AX2 (đường thẳng, 180°); SO3 là AX3 (tam giác phẳng, 120°); PH3 là AX3E (chóp tam giác, khoảng 93°). Dạng hình học do tổng số cặp electron quanh nguyên tử trung tâm quyết định, các cặp này đẩy nhau để xa nhau nhất.
Mô hình VSEPR là gì? Cách đọc kí hiệu AXnEm
VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) là mô hình đẩy nhau giữa các cặp electron lớp ngoài cùng. Các cặp electron quanh nguyên tử trung tâm mang điện tích âm nên chúng tự sắp xếp sao cho cách xa nhau nhất. Từ cách sắp xếp đó ta suy ra hình dạng phân tử.
Công thức VSEPR được viết dưới dạng AXnEm, trong đó:
- A: nguyên tử trung tâm.
- X: nguyên tử liên kết với A; n là số nguyên tử X (mỗi liên kết đơn, đôi hay ba đều chỉ tính là một vùng electron).
- E: cặp electron hoá trị chưa liên kết (cặp electron riêng) của A; m là số cặp này.
Tổng n + m là số vùng electron quanh A, quyết định kiểu phân bố chung của các cặp electron.
Các bước viết công thức VSEPR
- Xác định nguyên tử trung tâm A (thường là nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn, ít xuất hiện hơn; H không bao giờ là nguyên tử trung tâm).
- Viết công thức Lewis, đếm số nguyên tử X liên kết trực tiếp với A (n).
- Đếm số cặp electron riêng trên A (m): m = (số electron hoá trị của A − số electron A dùng để tạo liên kết) : 2.
- Tính n + m, đối chiếu bảng dưới đây để biết dạng hình học.
| Dạng | n + m | Cặp riêng (m) | Dạng hình học phân tử | Góc lý tưởng |
|---|---|---|---|---|
| AX2 | 2 | 0 | Đường thẳng | 180° |
| AX3 | 3 | 0 | Tam giác phẳng | 120° |
| AX2E | 3 | 1 | Gấp khúc | < 120° |
| AX4 | 4 | 0 | Tứ diện đều | 109,5° |
| AX3E | 4 | 1 | Chóp tam giác | < 109,5° |
| AX2E2 | 4 | 2 | Gấp khúc | < 109,5° |
Giải chi tiết từng phân tử
1. CCl4
- Nguyên tử trung tâm: C (4 electron hoá trị). C tạo 4 liên kết đơn với 4 nguyên tử Cl nên n = 4.
- C dùng hết 4 electron để liên kết, không còn cặp riêng: m = 0.
- Công thức VSEPR: AX4. Bốn vùng electron hướng về 4 đỉnh của hình tứ diện đều.
- Dạng hình học: tứ diện đều, góc Cl–C–Cl = 109,5°. Bốn liên kết C–Cl phân cực nhưng triệt tiêu nhau nên phân tử không phân cực.
2. H2S
- Nguyên tử trung tâm: S (6 electron hoá trị). S tạo 2 liên kết đơn với 2 nguyên tử H: n = 2.
- Số cặp riêng: (6 − 2) : 2 = 2, nên m = 2.
- Công thức VSEPR: AX2E2. Có 4 vùng electron nên các cặp electron hướng về 4 đỉnh tứ diện, nhưng chỉ 2 đỉnh là nguyên tử H.
- Dạng hình học: gấp khúc (chữ V). Góc H–S–H thực tế khoảng 92°, nhỏ hơn nhiều so với 109,5° vì cặp electron riêng đẩy mạnh hơn cặp liên kết. Phân tử phân cực.
3. CO2
- Nguyên tử trung tâm: C. Công thức Lewis: O=C=O. C liên kết với 2 nguyên tử O: n = 2.
- C dùng cả 4 electron cho hai liên kết đôi, m = 0.
- Công thức VSEPR: AX2. Mỗi liên kết đôi chỉ tính là một vùng electron.
- Dạng hình học: đường thẳng, góc O–C–O = 180°. Hai liên kết C=O phân cực ngược chiều, triệt tiêu nhau nên phân tử không phân cực.
4. SO3
- Nguyên tử trung tâm: S, liên kết với 3 nguyên tử O: n = 3.
- Trong công thức Lewis phổ biến, S tạo ba liên kết đôi S=O, quanh S không còn cặp electron riêng: m = 0.
- Công thức VSEPR: AX3 (3 vùng electron, mỗi liên kết đôi tính là một vùng).
- Dạng hình học: tam giác phẳng (tam giác đều), góc O–S–O = 120°. Phân tử đối xứng nên không phân cực.
5. PH3
- Nguyên tử trung tâm: P (5 electron hoá trị), tạo 3 liên kết đơn với 3 nguyên tử H: n = 3.
- Số cặp riêng: (5 − 3) : 2 = 1, nên m = 1.
- Công thức VSEPR: AX3E. Có 4 vùng electron hướng về 4 đỉnh tứ diện, một đỉnh là cặp riêng.
- Dạng hình học: chóp tam giác (tháp tam giác). Góc H–P–H thực tế khoảng 93°, nhỏ hơn 109,5°. Phân tử phân cực nhẹ.
Bảng tổng hợp đáp án
| Phân tử | Nguyên tử trung tâm | Công thức VSEPR | Dạng hình học | Góc liên kết | Phân cực? |
|---|---|---|---|---|---|
| CCl4 | C | AX4 | Tứ diện đều | 109,5° | Không |
| H2S | S | AX2E2 | Gấp khúc | ≈ 92° | Có |
| CO2 | C | AX2 | Đường thẳng | 180° | Không |
| SO3 | S | AX3 | Tam giác phẳng | 120° | Không |
| PH3 | P | AX3E | Chóp tam giác | ≈ 93° | Có |
Vì sao góc liên kết của H2S và PH3 nhỏ hơn 109,5°?
Cặp electron riêng chỉ chịu sức hút của một hạt nhân nên “phình” rộng hơn và đẩy các cặp liên kết mạnh hơn. Thứ tự lực đẩy: cặp riêng – cặp riêng > cặp riêng – cặp liên kết > cặp liên kết – cặp liên kết. Vì vậy góc liên kết bị ép nhỏ lại.
Ngoài ra S và P có độ âm điện thấp, kích thước lớn nên cặp liên kết nằm xa nguyên tử trung tâm, lực đẩy giữa chúng yếu hơn. Đó là lý do góc của H2S, PH3 gần 90° hơn so với H2O (khoảng 104,5°) hay NH3 (khoảng 107°).
Mẹo nhớ nhanh
- Cùng n + m = 4 nhưng khác m: m = 0 → tứ diện; m = 1 → chóp tam giác; m = 2 → gấp khúc. Cứ thêm một cặp riêng thì “mất” một nguyên tử X ở đỉnh tứ diện.
- Hình học phân tử chỉ nhìn các nguyên tử, không nhìn cặp riêng; hình học cặp electron thì tính cả cặp riêng.
- Muốn biết phân tử có phân cực không: kiểm tra liên kết có phân cực không, sau đó xem phân tử có đối xứng để triệt tiêu momen lưỡng cực không.
Lỗi sai thường gặp
- Đếm liên kết đôi thành 2 vùng. Với CO2 và SO3, mỗi liên kết đôi chỉ là 1 vùng electron, nên CO2 là AX2 chứ không phải AX4.
- Quên cặp electron riêng của S, P. Nhiều bạn thấy H2S giống CO2 (đều có 2 nguyên tử bên cạnh) nên kết luận thẳng; thực ra S còn 2 cặp riêng nên phân tử gấp khúc.
- Ghi góc 109,5° cho mọi phân tử có 4 vùng. Chỉ phân tử không có cặp riêng (như CCl4) mới đúng gần 109,5°.
- Viết sai nguyên tử trung tâm, ví dụ chọn Cl làm trung tâm của CCl4.
Bài luyện tập (ví dụ tự đặt)
Bài 1. Viết công thức VSEPR và nêu dạng hình học của BF3 và CH4.
Đáp án: BF3: B có 3 electron hoá trị, tạo 3 liên kết, không cặp riêng → AX3, tam giác phẳng, góc 120°. CH4: C tạo 4 liên kết → AX4, tứ diện đều, góc 109,5°.
Bài 2. So sánh dạng hình học của SO2 và CO2. Vì sao khác nhau?
Đáp án: CO2 là AX2 (đường thẳng). SO2 có S liên kết với 2 nguyên tử O và còn 1 cặp electron riêng, là AX2E (gấp khúc, góc khoảng 119°). Khác nhau vì S còn cặp riêng, C thì không.
Bài 3. NH3 và H2O thuộc dạng VSEPR nào?
Đáp án: NH3: AX3E (chóp tam giác). H2O: AX2E2 (gấp khúc).
Câu hỏi thường gặp
Công thức VSEPR AXnEm nghĩa là gì?
A là nguyên tử trung tâm, X là các nguyên tử liên kết trực tiếp với A (n nguyên tử), E là cặp electron hoá trị chưa liên kết trên A (m cặp). Tổng n + m là số vùng electron quyết định dạng hình học.
Vì sao CO2 thẳng còn H2S lại gấp khúc?
CO2 là AX2, carbon không có cặp electron riêng nên hai liên kết nằm thẳng hàng. H2S là AX2E2, lưu huỳnh còn 2 cặp electron riêng đẩy hai liên kết H–S lại gần nhau thành dạng chữ V.
Liên kết đôi trong CO2 và SO3 được tính thế nào trong mô hình VSEPR?
Một liên kết đôi hay ba đều chỉ tính là một vùng electron, vì các cặp electron của liên kết đó cùng hướng về một phía giữa hai nguyên tử.
Phân tử nào trong CCl4, H2S, CO2, SO3, PH3 không phân cực?
CCl4, CO2 và SO3 không phân cực do cấu trúc đối xứng làm các momen lưỡng cực triệt tiêu. H2S và PH3 có cấu trúc không đối xứng nên phân cực.