Trả lời nhanh
Công thức Lewis của NO2 có nguyên tử N ở trung tâm, liên kết đôi với một nguyên tử O và liên kết đơn với nguyên tử O còn lại. Nguyên tử O liên kết đôi có 2 cặp electron riêng, O liên kết đơn có 3 cặp, còn N giữ 1 electron độc thân. Công thức cấu tạo viết gọn: O=N–O (chương trình cũ viết O=N→O). Tổng cộng 17 electron hoá trị nên NO2 không thoả mãn quy tắc octet.
Ba loại công thức cần phân biệt
Khi đề hỏi “công thức Lewis biểu diễn cấu tạo của NO2“, nhiều em lẫn giữa ba cách biểu diễn. Thầy tóm tắt để các em không nhầm:
- Công thức electron: dùng dấu chấm cho mọi electron hoá trị, kể cả electron dùng chung.
- Công thức Lewis: mỗi cặp electron dùng chung thay bằng một gạch nối, các electron không liên kết vẫn giữ dạng chấm.
- Công thức cấu tạo: chỉ giữ các gạch nối giữa nguyên tử, bỏ toàn bộ electron không liên kết.
Với NO2, điểm đặc biệt nằm ở electron lẻ thứ 17. Nếu bỏ sót electron này, công thức Lewis sẽ sai dù các liên kết đã đúng.
Cách vẽ công thức Lewis của NO2 từng bước
- Đếm electron hoá trị. N thuộc nhóm VA có 5 electron hoá trị, mỗi O thuộc nhóm VIA có 6. Tổng: 5 + 2 × 6 = 17 electron. Đây là số lẻ, nên chắc chắn sẽ còn một electron không ghép cặp.
- Chọn nguyên tử trung tâm. N có độ âm điện nhỏ hơn O và chỉ có một nguyên tử, nên N đứng giữa: O – N – O.
- Nối liên kết đơn. Hai liên kết đơn dùng 4 electron, còn lại 13 electron.
- Hoàn thành octet cho hai nguyên tử O. Mỗi O nhận thêm 3 cặp electron riêng (12 electron), còn lại 1 electron đặt trên N.
- Kiểm tra nguyên tử trung tâm. Lúc này N chỉ có 4 + 1 = 5 electron xung quanh. Chuyển một cặp electron riêng của một nguyên tử O thành liên kết đôi N=O, khi đó N có 7 electron: 3 cặp liên kết và 1 electron độc thân.
Kết quả: O=N–O, trong đó O liên kết đôi mang 2 cặp electron riêng, O liên kết đơn mang 3 cặp, N mang 1 electron độc thân. Phân tử có dạng góc (gấp khúc), góc liên kết khoảng 134°, không thẳng hàng như CO2.
Kiểm tra bằng điện tích hình thức
Điện tích hình thức giúp các em tự đánh giá công thức vừa vẽ có hợp lý không. Công thức tính: điện tích hình thức = số electron hoá trị – số electron không liên kết – số liên kết.
| Nguyên tử | Electron hoá trị | Electron không liên kết | Số liên kết | Điện tích hình thức |
|---|---|---|---|---|
| N | 5 | 1 | 3 | +1 |
| O (liên kết đôi) | 6 | 4 | 2 | 0 |
| O (liên kết đơn) | 6 | 6 | 1 | –1 |
Tổng điện tích hình thức bằng 0, đúng với phân tử trung hoà. Về lý thuyết vẫn có thể đặt electron độc thân trên O liên kết đơn (khi đó N có 1 cặp riêng). Tuy nhiên thực nghiệm cho thấy electron độc thân tập trung chủ yếu ở N, bằng chứng là NO2 đime hoá bằng liên kết N–N. Vì vậy sách giáo khoa và đề thi dùng dạng electron độc thân trên N.
Vì sao NO2 là ngoại lệ của quy tắc octet?
Quy tắc octet đòi hỏi mỗi nguyên tử đạt 8 electron lớp ngoài cùng. Với tổng số electron lẻ, không thể ghép tất cả thành cặp, nên ít nhất một nguyên tử sẽ thiếu. Trong NO2, nguyên tử thiếu là N với 7 electron.
Phân tử có electron độc thân gọi là gốc tự do, thường hoạt động hoá học mạnh. Đây là lý do khí NO2 màu nâu đỏ dễ kết hợp với nhau tạo N2O4 không màu:
2NO2 (nâu đỏ) ⇌ N2O4 (không màu)
Hai electron độc thân trên hai nguyên tử N ghép thành một cặp dùng chung, tạo liên kết N–N. Phản ứng thuận toả nhiệt, nên khi ngâm bình khí vào nước đá, màu nâu nhạt dần; khi hơ nóng, màu nâu đậm trở lại.
Liên kết đôi “nằm” ở bên nào?
Trên giấy, các em có thể vẽ liên kết đôi ở bên trái hoặc bên phải; hai cách viết này tương đương. Thực nghiệm cho thấy hai liên kết N–O trong NO2 dài bằng nhau, nằm giữa độ dài liên kết đơn và liên kết đôi. Vì vậy cấu tạo thật là sự “trung bình” của hai cách vẽ (gọi là cộng hưởng). Ở lớp 10, các em chỉ cần vẽ một dạng đúng là đủ điểm.
Lỗi sai thường gặp
- Đếm 16 hoặc 18 electron do quên rằng NO2 trung hoà, dẫn tới vẽ hai liên kết đôi O=N=O như CO2.
- Vẽ O=N=O rồi thêm electron lẻ lên N: N khi đó có 9 electron, vượt octet. Nguyên tố chu kì 2 như N không thể có quá 8 electron lớp ngoài cùng.
- Nhầm NO2 với ion nitrite NO2–: ion có 18 electron, không còn electron độc thân, N có 1 cặp electron riêng.
- Vẽ phân tử thẳng hàng: cặp/electron không liên kết trên N đẩy hai liên kết lệch đi, nên phân tử có dạng góc.
Mẹo nhớ nhanh
Thầy hay dặn: “Tổng electron lẻ thì chắc chắn có gốc tự do”. Gặp NO, NO2, ClO2, các em hãy nghĩ ngay tới một electron không ghép cặp và đặt nó trên nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn.
Bài tập luyện tập
Bài 1. Tính tổng số electron hoá trị và cho biết nguyên tử nào không đạt octet trong phân tử NO.
Đáp án: 5 + 6 = 11 electron, số lẻ. Công thức Lewis có liên kết đôi N=O, O có 2 cặp electron riêng, N có 1 cặp riêng và 1 electron độc thân, nên N chỉ có 7 electron.
Bài 2. Viết công thức Lewis của ion NO2– và so sánh với phân tử NO2.
Đáp án: Ion có 18 electron. Công thức O=N–O, nhưng N có 1 cặp electron riêng (thay cho electron độc thân), mọi nguyên tử đều đạt octet; điện tích –1 nằm trên O liên kết đơn.
Bài 3. Khí NO2 sục vào nước có mặt O2 tạo thành acid nào? Viết phương trình.
Đáp án: Tạo nitric acid: 4NO2 + O2 + 2H2O → 4HNO3. Đây là một giai đoạn hình thành mưa acid từ khí thải chứa nitrogen oxide.
Câu hỏi thường gặp
Công thức cấu tạo của NO2 là gì?
Công thức cấu tạo của NO2 là O=N–O (chương trình cũ viết O=N→O), trong đó nguyên tử N còn một electron độc thân.
Phân tử NO2 có bao nhiêu electron hoá trị?
NO2 có 17 electron hoá trị: N góp 5, mỗi nguyên tử O góp 6. Vì là số lẻ nên phân tử có một electron độc thân.
NO2 có tuân theo quy tắc octet không?
Không. Nguyên tử N trong NO2 chỉ có 7 electron xung quanh, nên NO2 là một ngoại lệ của quy tắc octet và thuộc loại gốc tự do.
Vì sao NO2 dễ chuyển thành N2O4?
Vì mỗi phân tử NO2 có một electron độc thân trên N; hai phân tử ghép hai electron này thành liên kết N–N, tạo N2O4 không màu theo cân bằng 2NO2 ⇌ N2O4.