Trả lời nhanh
Công thức cấu tạo của nước (H2O) là H–O–H. Nguyên tử O góp chung 2 electron với 2 nguyên tử H qua hai liên kết cộng hoá trị phân cực O–H, còn lại 2 cặp electron chưa liên kết trên O. Vì vậy phân tử có dạng gấp khúc (chữ V), góc HOH khoảng 104,5°, chứ không thẳng hàng.
1. Công thức của nước và cách đọc thông tin
Công thức phân tử của nước là H2O: mỗi phân tử gồm 2 nguyên tử hydrogen và 1 nguyên tử oxygen. Khối lượng phân tử là 2 × 1 + 16 = 18 (amu), tức khối lượng mol 18 g/mol.
Từ công thức phân tử, ta chưa biết các nguyên tử nối với nhau thế nào. Công thức cấu tạo cho biết điều đó: mỗi gạch nối “–” biểu diễn một cặp electron dùng chung.
| Loại công thức | Cách viết với nước | Cho biết |
|---|---|---|
| Công thức phân tử | H2O | Thành phần nguyên tố và số nguyên tử |
| Công thức electron | H:Ö:H (O có 2 cặp electron chưa liên kết) | Cặp electron chung và cặp electron riêng |
| Công thức cấu tạo | H–O–H | Thứ tự liên kết giữa các nguyên tử |
| Công thức cấu tạo thu gọn | H2O (hoặc HOH) | Dùng khi viết gọn |
2. Cách viết công thức electron và công thức cấu tạo của H2O
Bước 1: Xác định số electron lớp ngoài cùng
- H (Z = 1): 1s1 → có 1 electron, cần thêm 1 electron để giống khí hiếm He (2 electron).
- O (Z = 8): 1s22s22p4 → có 6 electron lớp ngoài cùng, cần thêm 2 electron để đạt cấu hình bền của Ne (8 electron, quy tắc octet).
Bước 2: Cho các nguyên tử góp chung electron
Một nguyên tử O cần 2 electron nên kết hợp với hai nguyên tử H, mỗi H góp 1 electron và O góp 1 electron cho mỗi cặp. Kết quả có 2 cặp electron chung.
Bước 3: Kiểm tra octet
- Quanh O: 2 cặp chung (4 electron) + 2 cặp riêng (4 electron) = 8 electron → đạt octet.
- Quanh mỗi H: 1 cặp chung = 2 electron → giống He.
Bước 4: Thay mỗi cặp electron chung bằng một gạch nối
Ta được H–O–H. Nếu muốn nhấn mạnh cặp electron chưa liên kết, vẽ thêm hai cặp chấm trên nguyên tử O. Mẹo nhớ: số liên kết của nguyên tử = 8 − số electron lớp ngoài cùng (với phi kim nhóm VA–VIIA) nên O có 8 − 6 = 2 liên kết, H có 1 liên kết.
3. Hình dạng phân tử nước: vì sao gấp khúc, góc 104,5°?
Nhiều bạn nhìn công thức H–O–H viết trên một dòng rồi nghĩ phân tử thẳng hàng. Thực tế phân tử nước có dạng chữ V.
Lý do giải thích theo mô hình đẩy nhau giữa các cặp electron (VSEPR, phần đọc thêm):
- Quanh nguyên tử O có 4 vùng electron: 2 cặp liên kết và 2 cặp chưa liên kết. Bốn vùng này hướng về bốn đỉnh của một tứ diện gần đều (góc lý tưởng 109,5°).
- Hai cặp electron chưa liên kết chỉ chịu hút bởi hạt nhân O nên “chiếm chỗ” nhiều hơn, đẩy hai liên kết O–H lại gần nhau.
- Kết quả: góc HOH thu nhỏ còn khoảng 104,5° và phân tử có dạng gấp khúc. Độ dài liên kết O–H xấp xỉ 0,096 nm.
Có thể so sánh với một số phân tử cùng kiểu để thấy vai trò của cặp electron chưa liên kết:
| Phân tử | Số cặp electron chưa liên kết trên nguyên tử trung tâm | Dạng phân tử | Góc liên kết (xấp xỉ) |
|---|---|---|---|
| CH4 | 0 | Tứ diện | 109,5° |
| NH3 | 1 | Chóp tam giác | 107° |
| H2O | 2 | Gấp khúc | 104,5° |
| CO2 | 0 (liên kết đôi) | Thẳng | 180° |
Quy luật dễ thấy: càng nhiều cặp electron chưa liên kết trên nguyên tử trung tâm, góc liên kết càng nhỏ hơn 109,5°.
4. Bản chất liên kết O–H: cộng hoá trị phân cực
Dựa vào hiệu độ âm điện (Δχ) để xác định loại liên kết: Δχ < 0,4 là cộng hoá trị không phân cực; 0,4 ≤ Δχ < 1,7 là cộng hoá trị phân cực; Δχ ≥ 1,7 thường là liên kết ion.
- Độ âm điện: O = 3,44; H = 2,20.
- Δχ = 3,44 − 2,20 = 1,24, nằm trong khoảng 0,4 đến dưới 1,7.
Vậy liên kết O–H là liên kết cộng hoá trị phân cực. Cặp electron chung lệch về phía O (độ âm điện lớn hơn), làm O mang điện tích âm một phần, mỗi H mang điện tích dương một phần.
5. Phân tử nước phân cực
Hai liên kết O–H đều phân cực. Vì phân tử gấp khúc nên hai “mũi tên” phân cực không triệt tiêu nhau mà cộng lại thành một chiều chung hướng về phía O. Do đó nước là phân tử phân cực, có hai đầu mang điện trái dấu (momen lưỡng cực khoảng 1,85 D).
Đối chiếu: CO2 có hai liên kết C=O cũng phân cực, nhưng phân tử thẳng nên hai momen ngược chiều, triệt tiêu → CO2 không phân cực. Đây là ví dụ rất hay gặp để chứng minh “hình dạng phân tử quyết định tính phân cực”.
Tính phân cực giúp giải thích nước hoà tan tốt nhiều chất ion (NaCl) và chất phân cực (đường, ethanol), nhưng hoà tan kém các chất không phân cực như dầu ăn, hexane (nguyên tắc “giống tan trong giống”).
6. Liên kết hydrogen giữa các phân tử nước
Do O rất âm điện và H mang điện dương một phần, nguyên tử H của phân tử nước này bị hút bởi cặp electron chưa liên kết của O ở phân tử nước bên cạnh. Lực hút đó là liên kết hydrogen, thường biểu diễn bằng nét đứt.
- Mỗi phân tử nước có thể tạo tối đa 4 liên kết hydrogen (2 qua hai H, 2 qua hai cặp electron chưa liên kết của O).
- Liên kết hydrogen yếu hơn nhiều so với liên kết cộng hoá trị O–H nhưng đủ nhiều để ảnh hưởng đến tính chất vật lí.
Hệ quả: nước có nhiệt độ sôi (100 °C) cao bất thường so với H2S (khoảng −60 °C) dù khối lượng phân tử H2S lớn hơn. Cũng vì liên kết hydrogen, nước lỏng có nhiệt dung riêng lớn và nước đá nổi trên nước lỏng (cấu trúc đá xốp hơn nên khối lượng riêng nhỏ hơn).
7. Một số phản ứng thể hiện cấu tạo của nước
- Tổng hợp nước từ đơn chất: 2H2 + O2 → 2H2O (đốt, t°; hỗn hợp nổ mạnh với tỉ lệ thể tích H2 : O2 = 2 : 1).
- Nước tác dụng với kim loại kiềm: 2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑ (Na chạy trên mặt nước, tan dần, có khí thoát ra, dung dịch làm quỳ tím hoá xanh). Liên kết O–H phân cực nên H dễ bị thay thế.
- Điện phân nước: 2H2O → 2H2↑ + O2↑ (điện phân; thể tích H2 gấp đôi O2).
Thành phần theo khối lượng của nước: %H = 2/18 × 100% ≈ 11,11%; %O = 16/18 × 100% ≈ 88,89%. Tỉ lệ khối lượng mH : mO = 1 : 8.
8. Lỗi sai thường gặp
- Viết H=O=H hoặc H–H–O: sai. O là nguyên tử trung tâm và chỉ tạo liên kết đơn với mỗi H, vì H chỉ có 1 electron nên không tạo liên kết đôi.
- Quên cặp electron chưa liên kết: trong công thức electron O phải có 2 cặp chấm riêng; thiếu thì không đủ octet.
- Vẽ phân tử thẳng: khi yêu cầu vẽ dạng hình học phải vẽ gấp khúc, góc khoảng 104,5°.
- Nhầm liên kết hydrogen với liên kết O–H: O–H nằm trong một phân tử (bền, cộng hoá trị), liên kết hydrogen nằm giữa các phân tử (yếu hơn).
- Cho rằng H2O là liên kết ion: Δχ = 1,24 < 1,7 nên là cộng hoá trị phân cực.
9. Bài luyện tập (có đáp án)
Bài 1. Trong phân tử H2O có bao nhiêu cặp electron chung và bao nhiêu cặp electron chưa liên kết?
Đáp án: 2 cặp electron chung (hai liên kết O–H) và 2 cặp electron chưa liên kết (cùng nằm trên nguyên tử O).
Bài 2. Giải thích vì sao H2O phân cực còn CO2 không phân cực, dù cả hai đều có liên kết phân cực.
Đáp án: H2O gấp khúc nên tổng hai momen liên kết khác 0. CO2 thẳng (O=C=O), hai momen bằng nhau và ngược chiều nên triệt tiêu, tổng bằng 0.
Bài 3. Tính số mol phân tử và số nguyên tử hydrogen có trong 3,6 gam nước. (NA = 6,022.1023)
Đáp án: n(H2O) = 3,6 : 18 = 0,2 mol. n(H) = 0,2 × 2 = 0,4 mol, số nguyên tử H = 0,4 × 6,022.1023 ≈ 2,41.1023 nguyên tử.
Bài 4. Vẽ công thức electron và công thức cấu tạo của H2S và so sánh với H2O. Vì sao nhiệt độ sôi của H2S thấp hơn nhiều?
Đáp án: S cùng nhóm VIA với O nên có 6 electron lớp ngoài cùng: công thức cấu tạo H–S–H, S còn 2 cặp electron chưa liên kết, phân tử cũng gấp khúc. S ít âm điện hơn O nhiều (2,58 so với 3,44) nên giữa các phân tử H2S gần như không tạo được liên kết hydrogen bền → nhiệt độ sôi thấp.
10. Tóm tắt cần nhớ
- Công thức cấu tạo của nước: H–O–H; O còn 2 cặp electron chưa liên kết.
- Liên kết O–H là cộng hoá trị phân cực (Δχ = 1,24).
- Phân tử gấp khúc, góc khoảng 104,5° nên phân tử phân cực.
- Giữa các phân tử nước có liên kết hydrogen, giải thích nhiệt độ sôi cao và nhiều tính chất đặc biệt của nước.
Câu hỏi thường gặp
Công thức cấu tạo của H2O viết như thế nào?
Viết là H–O–H: nguyên tử O ở giữa, nối với mỗi nguyên tử H bằng một liên kết đơn (một cặp electron chung). Trên O còn 2 cặp electron chưa liên kết, và phân tử có dạng gấp khúc.
Góc liên kết HOH trong phân tử nước là bao nhiêu?
Khoảng 104,5°. Góc này nhỏ hơn 109,5° vì hai cặp electron chưa liên kết trên nguyên tử O đẩy mạnh hai liên kết O–H lại gần nhau.
Liên kết trong phân tử H2O là liên kết gì?
Là liên kết cộng hoá trị phân cực. Hiệu độ âm điện giữa O (3,44) và H (2,20) là 1,24, nằm trong khoảng 0,4 đến dưới 1,7, nên cặp electron chung lệch về phía O.
Vì sao nước có nhiệt độ sôi cao hơn H2S?
Vì giữa các phân tử nước có liên kết hydrogen bền (do O rất âm điện, H mang điện dương một phần). Phải tốn nhiều năng lượng để phá các liên kết này nên nước sôi ở 100 °C, trong khi H2S chỉ khoảng −60 °C.