Công thức electron của CO2, công thức Lewis và công thức cấu tạo

Ba cách biểu diễn phân tử CO₂ cần phân biệt

Theo chương trình Hóa học 10 mới, khi học liên kết cộng hóa trị em sẽ gặp ba kiểu công thức. Chúng mô tả cùng một phân tử nhưng ở mức chi tiết khác nhau, nên đề kiểm tra hay hỏi lẫn để bắt lỗi.

Loại công thức	Cách thể hiện	Với CO2
Công thức electron	Mọi electron hóa trị đều vẽ bằng dấu chấm, cặp chung đặt giữa hai nguyên tử	Giữa C và mỗi O có 2 cặp chấm (::); mỗi O còn 2 cặp chấm riêng
Công thức Lewis	Mỗi cặp electron chung thay bằng một gạch, cặp riêng vẫn để dạng chấm	O=C=O, trên mỗi O có thêm 2 cặp chấm
Công thức cấu tạo	Chỉ giữ các gạch liên kết, bỏ cặp electron riêng	O=C=O

Công thức electron của CO₂ có thể hình dung như sau (mỗi dấu chấm là một electron):

  ..          ..
  O  ::  C  ::  O
  ..          ..

Đếm lại: mỗi O có 2 cặp riêng (trên, dưới) và 2 cặp chung với C, tức 8 electron; nguyên tử C có 4 cặp chung, cũng đủ 8 electron.

Cách viết công thức e của CO₂ theo 5 bước

Thay vì học thuộc hình vẽ, em nên làm theo quy trình dưới đây. Quy trình này dùng được cho hầu hết phân tử ở lớp 10 như H₂O, NH₃, N₂, SO₂.

1. Tính tổng electron hóa trị. C có cấu hình 1s²2s²2p² nên có 4 electron hóa trị; O có cấu hình 1s²2s²2p⁴ nên có 6. Tổng: 4 + 2 × 6 = 16 electron, tức 8 cặp.
2. Chọn nguyên tử trung tâm. C có độ âm điện nhỏ hơn O và có khả năng tạo nhiều liên kết nhất, nên đặt C ở giữa: O – C – O.
3. Vẽ khung bằng liên kết đơn. Hai liên kết đơn dùng hết 4 electron, còn lại 16 – 4 = 12 electron.
4. Chia electron còn lại cho nguyên tử ngoài. Mỗi O nhận 6 electron (3 cặp) để đủ octet. Lúc này 12 electron đã dùng hết nhưng C mới chỉ có 4 electron xung quanh, chưa đạt octet.
5. Chuyển cặp riêng thành cặp chung. Lấy 1 cặp riêng của mỗi O đưa vào vùng liên kết với C. Mỗi liên kết đơn trở thành liên kết đôi, C có 8 electron, mỗi O vẫn giữ 8 electron. Kết quả: O=C=O, mỗi O còn 2 cặp riêng.

Bước 5 chính là chỗ nhiều bạn bỏ sót: nếu dừng ở bước 4, em sẽ có công thức O–C–O với C thiếu electron, đây là đáp án sai.

Vì sao CO₂ là phân tử thẳng, không phân cực?

Hình học phân tử

Quanh C chỉ có hai vùng electron (hai liên kết đôi) và không có cặp electron riêng. Hai vùng này đẩy nhau ra xa nhất có thể, tức là nằm trên một đường thẳng, góc liên kết O–C–O bằng 180°. Ở mức mở rộng, người ta giải thích bằng sự lai hóa sp của nguyên tử C.

Liên kết phân cực nhưng phân tử không phân cực

Độ âm điện của O là 3,44 và của C là 2,55, hiệu độ âm điện Δχ = 0,89. Giá trị này nằm trong khoảng 0,4 ≤ Δχ < 1,7 nên mỗi liên kết C=O là liên kết cộng hóa trị phân cực, cặp electron chung lệch về phía O.

Tuy nhiên hai liên kết nằm đối xứng hai bên C, sự phân cực của chúng có độ lớn bằng nhau, hướng ngược nhau nên triệt tiêu. Vì vậy cả phân tử CO₂ không phân cực. Đây cũng là lý do CO₂ tan ít trong nước hơn nhiều so với các phân tử phân cực như NH₃.

Số liên kết σ và π

Mỗi liên kết đôi gồm 1 liên kết σ (xen phủ trục) và 1 liên kết π (xen phủ bên). Phân tử CO₂ có 2 liên kết đôi nên có 2 liên kết σ và 2 liên kết π.

Bảng tóm tắt thông số phân tử CO₂

Tổng electron hóa trị	16
Số cặp electron chung	4 (2 liên kết đôi)
Số cặp electron riêng	4 (mỗi O 2 cặp, C không có)
Số liên kết σ / π	2 / 2
Hình dạng, góc liên kết	Đường thẳng, 180°
Hóa trị của C / O	IV / II
Liên kết C=O	Cộng hóa trị phân cực (Δχ = 0,89)
Phân tử	Không phân cực

So sánh CO₂ với các phân tử hay bị nhầm

• CO (carbon monoxide): chỉ có 10 electron hóa trị. Để cả C và O đạt octet, giữa hai nguyên tử có liên kết ba, trong đó có một liên kết cho – nhận từ O sang C. Đừng chép công thức này sang CO₂.
• H₂O: nguyên tử O trung tâm còn 2 cặp electron riêng, đẩy hai liên kết O–H lại gần nhau nên phân tử có dạng góc và phân cực, khác hẳn CO₂.
• CS₂: S cùng nhóm với O nên công thức Lewis có dạng S=C=S, cũng thẳng và không phân cực. Đây là cách kiểm tra nhanh em đã hiểu bản chất hay chỉ học thuộc.

Lỗi sai thường gặp và mẹo nhớ

• Vẽ mỗi O có 3 cặp riêng trong khi đã dùng liên kết đôi: khi đếm lại sẽ thấy 20 electron, nhiều hơn 16. Mẹo: luôn đếm tổng chấm và gạch (mỗi gạch 2 electron) sau khi vẽ xong.
• Để C có cặp electron riêng: C chỉ có 4 electron hóa trị và đã dùng hết cho 4 cặp chung.
• Kết luận CO₂ phân cực vì liên kết C=O phân cực: cần xét thêm hình dạng phân tử.
• Mẹo nhớ: “C đứng giữa, hai tay hai đôi, mỗi O hai cặp ngồi chơi” – C tạo hai liên kết đôi, mỗi O giữ 2 cặp riêng.

Bài tập luyện tập có đáp án

Câu 1. Trong công thức Lewis của CO₂, tổng số electron không tham gia liên kết là bao nhiêu?

Đáp án: 8 electron. Có 4 cặp electron riêng (mỗi O 2 cặp), 4 × 2 = 8. Kiểm tra: 8 electron liên kết + 8 electron riêng = 16, đúng bằng tổng electron hóa trị.

Câu 2. Hãy cho biết phát biểu sau đúng hay sai: “Phân tử CO₂ chứa liên kết cộng hóa trị không phân cực vì hai nguyên tử O giống nhau.”

Đáp án: Sai. Liên kết được xét giữa C và O (Δχ = 0,89) nên là liên kết phân cực; chỉ có phân tử là không phân cực nhờ cấu trúc thẳng, đối xứng.

Câu 3. Viết công thức cấu tạo của CS₂ và cho biết số liên kết π. Biết độ âm điện của S là 2,58.

Đáp án: S=C=S, có 2 liên kết π. Hiệu độ âm điện C – S chỉ khoảng 0,03 nên liên kết C=S gần như không phân cực, và phân tử CS₂ cũng không phân cực.

Khi đã nắm chắc CO₂, em có thể áp dụng ngay quy trình 5 bước cho SO₂ (18 electron hóa trị) để thấy vì sao phân tử này lại có dạng góc: nguyên tử S trung tâm còn một cặp electron riêng.

Câu hỏi thường gặp

CO2 có bao nhiêu cặp electron chung và cặp electron riêng?

CO2 có 4 cặp electron chung (tạo 2 liên kết đôi C=O) và 4 cặp electron riêng, mỗi nguyên tử O giữ 2 cặp, nguyên tử C không có cặp riêng.

Công thức cấu tạo của CO2 là gì?

Công thức cấu tạo của CO2 là O=C=O, trong đó C có hóa trị IV và mỗi O có hóa trị II.

Vì sao CO2 không phân cực?

Mỗi liên kết C=O phân cực, nhưng phân tử CO2 thẳng với góc 180°, hai liên kết đối xứng nên sự phân cực triệt tiêu, cả phân tử không phân cực.

Phân tử CO2 có mấy liên kết sigma và pi?

Có 2 liên kết σ và 2 liên kết π, vì mỗi liên kết đôi gồm 1 σ và 1 π.

Bài học liên quan

• Công thức Lewis của N2: cách vẽ từng bước, liên kết ba và độ bền
• Cách tính số liên kết xích ma (σ) và pi (π) trong phân tử
• SO2 + H2S → S + H2O: cân bằng phương trình, điều kiện và hiện tượng
• Dãy gồm các phân tử đều có liên kết ion là dãy nào? Cách nhận biết nhanh
• Công thức cấu tạo của CO2 là gì? Cách viết và giải thích liên kết
• FeO + H2SO4 đặc nóng: cân bằng phương trình, hiện tượng, bài tập