Công thức Lewis của C2H4 (ethylene) chương trình mới

Trả lời nhanh

Phân tử C₂H₄ có tổng cộng 12 electron hoá trị (2 × 4 + 4 × 1). Trong công thức Lewis, hai nguyên tử C nối với nhau bằng một liên kết đôi C=C, mỗi nguyên tử C còn liên kết đơn với 2 nguyên tử H: H₂C=CH₂. Mỗi C có đủ octet (8 electron), mỗi H có 2 electron, và trong phân tử không có cặp electron riêng nào.

1. Nhắc lại: công thức Lewis là gì?

Trong chương trình Hoá học 10 mới, liên kết cộng hoá trị được biểu diễn bằng ba loại công thức. Các em cần phân biệt rõ để không bị nhầm khi đề hỏi:

Công thức electron: mỗi electron hoá trị được vẽ bằng một dấu chấm, các cặp electron dùng chung đặt giữa hai nguyên tử.
Công thức Lewis: mỗi cặp electron dùng chung được thay bằng một gạch nối (–). Cặp electron riêng (không liên kết) vẫn được giữ dưới dạng hai dấu chấm.
Công thức cấu tạo: chỉ giữ các gạch liên kết, lược bỏ electron riêng.

Với C₂H₄, vì không có cặp electron riêng nên công thức Lewis và công thức cấu tạo trông giống hệt nhau. Đây là điểm nhiều bạn thắc mắc: “Sao Lewis của C₂H₄ chẳng có dấu chấm nào?” – câu trả lời là phân tử này dùng hết toàn bộ electron hoá trị để tạo liên kết.

2. Các bước vẽ công thức Lewis của C₂H₄

Bước 1: Đếm tổng số electron hoá trị

C (Z = 6, cấu hình 1s²2s²2p²) thuộc nhóm IVA → có 4 electron hoá trị.
H (Z = 1, cấu hình 1s¹) → có 1 electron hoá trị.

Tổng: 2 × 4 + 4 × 1 = 12 electron, tức là 6 cặp electron cần phân bố.

Bước 2: Vẽ khung phân tử

Nguyên tử H chỉ tạo được 1 liên kết nên H luôn nằm ở ngoài, không bao giờ làm “cầu nối”. Vì vậy hai nguyên tử C phải liên kết trực tiếp với nhau, mỗi C mang thêm 2 nguyên tử H. Khung phân tử là H₂C–CH₂.

Bước 3: Đặt liên kết đơn giữa các nguyên tử

Khung có 5 liên kết đơn (4 liên kết C–H và 1 liên kết C–C), dùng hết 5 × 2 = 10 electron. Còn lại 12 − 10 = 2 electron.

Bước 4: Phân bố electron còn lại và kiểm tra octet

Mỗi H đã đủ 2 electron (bền như khí hiếm He). Nếu đặt 2 electron còn lại lên một nguyên tử C thì C đó có 8 electron, nhưng C còn lại chỉ có 6 electron – chưa đạt octet.

Bước 5: Chuyển cặp electron riêng thành liên kết bội

Ta đem cặp electron riêng đó dùng chung cho cả hai C, biến liên kết đơn C–C thành liên kết đôi C=C. Khi đó:

Mỗi C có 2 liên kết C–H (4 electron) + liên kết đôi C=C (4 electron) = 8 electron → đạt octet.
Mỗi H có 2 electron → đạt cấu hình bền của He.
Tổng electron vẫn là 4 × 2 + 2 × 2 = 12 → khớp với Bước 1.

3. Cách tính nhanh số cặp electron liên kết

Khi làm trắc nghiệm, các em có thể dùng công thức kiểm tra nhanh sau (áp dụng cho phân tử tuân theo quy tắc octet):

Số electron cần để mọi nguyên tử “đủ bền”: N = 8 × (số nguyên tử khác H) + 2 × (số nguyên tử H).
Số cặp electron dùng chung = (N − tổng electron hoá trị) : 2.
Số cặp electron riêng = (tổng electron hoá trị − 2 × số cặp dùng chung) : 2.

Áp dụng cho C₂H₄: N = 8 × 2 + 2 × 4 = 24. Số cặp dùng chung = (24 − 12) : 2 = 6 cặp. Số cặp riêng = (12 − 12) : 2 = 0.

Có 6 cặp dùng chung nhưng chỉ có 5 “vị trí” liên kết trong khung (4 C–H và 1 C–C). Như vậy phải có một vị trí chứa 2 cặp – đó chính là liên kết đôi C=C. Mẹo này giúp em biết ngay phân tử có liên kết bội hay không mà không cần vẽ thử.

4. Đặc điểm liên kết trong phân tử C₂H₄

Đặc điểm	Giá trị	Giải thích
Tổng electron hoá trị	12	2 × 4 + 4 × 1
Số cặp electron dùng chung	6	4 cặp C–H + 2 cặp C=C
Số cặp electron riêng	0	Toàn bộ electron đều tham gia liên kết
Số liên kết σ (sigma)	5	4 liên kết C–H + 1 liên kết σ trong C=C
Số liên kết π (pi)	1	Nằm trong liên kết đôi C=C
Loại liên kết C–H	Cộng hoá trị phân cực rất yếu	Hiệu độ âm điện 2,55 − 2,20 = 0,35 < 0,4 nên thường xếp là không phân cực
Loại liên kết C=C	Cộng hoá trị không phân cực	Hai nguyên tử cùng loại
Phân tử	Không phân cực	Cấu trúc phẳng, đối xứng

Vì sao liên kết đôi gồm 1 σ và 1 π? Liên kết σ hình thành do các orbital xen phủ trục (dọc theo đường nối hai hạt nhân), vùng xen phủ lớn nên bền. Liên kết π hình thành do xen phủ bên của hai orbital p song song, vùng xen phủ nhỏ hơn nên kém bền hơn. Nhờ có liên kết π dễ bị phá vỡ, ethylene tham gia được phản ứng cộng (ví dụ làm mất màu nước bromine) và phản ứng trùng hợp tạo polyethylene (PE) – kiến thức các em sẽ học kĩ ở lớp 11.

5. Dạng hình học của phân tử C₂H₄

Mỗi nguyên tử C trong C₂H₄ ở trạng thái lai hoá sp²: một orbital 2s tổ hợp với hai orbital 2p tạo ra 3 orbital lai hoá nằm trong cùng một mặt phẳng, hướng về ba đỉnh của tam giác, góc giữa chúng xấp xỉ 120°. Ba orbital này tạo 3 liên kết σ (2 với H, 1 với C còn lại). Orbital 2p không lai hoá của mỗi C nằm vuông góc với mặt phẳng, xen phủ bên với nhau tạo liên kết π.

Kết quả: cả 6 nguyên tử của C₂H₄ nằm trên cùng một mặt phẳng, các góc liên kết xấp xỉ 120°. Liên kết π cũng làm cho hai nhóm CH₂ không quay tự do quanh trục C=C được – khác với C₂H₆ có liên kết đơn quay tự do.

6. So sánh C₂H₆, C₂H₄ và C₂H₂

Ba phân tử này chỉ khác nhau số nguyên tử H, nhưng chính điều đó quyết định bậc liên kết giữa hai C. Đặt cạnh nhau sẽ dễ nhớ hơn:

Phân tử	Electron hoá trị	Cặp dùng chung	Liên kết C–C	σ / π	Lai hoá C	Hình dạng
C₂H₆ (ethane)	14	7	Đơn C–C	7 / 0	sp³	Tứ diện quanh mỗi C
C₂H₄ (ethylene)	12	6	Đôi C=C	5 / 1	sp²	Phẳng, góc ~120°
C₂H₂ (acetylene)	10	5	Ba C≡C	3 / 2	sp	Thẳng, góc 180°

Mẹo nhớ: cứ bớt 2 nguyên tử H thì mất 2 electron hoá trị, mỗi C “thiếu” thêm 1 electron và hai C phải góp thêm 1 cặp dùng chung – liên kết C–C tăng thêm một bậc (đơn → đôi → ba).

7. Những lỗi sai thường gặp khi vẽ Lewis của C₂H₄

Để cặp electron riêng trên C: vẽ H₂C–CH₂ rồi thêm 2 dấu chấm lên một C. Cách này làm C còn lại chỉ có 6 electron, sai quy tắc octet.
Vẽ H ở giữa: kiểu C–H–C. H chỉ có 1 orbital 1s nên chỉ tạo được 1 liên kết, không thể làm nguyên tử trung tâm.
Đếm nhầm electron: lấy số hiệu nguyên tử (6) thay cho số electron hoá trị (4) của C, dẫn đến tổng 16 electron – sai từ bước đầu.
Đếm sai số liên kết σ: nghĩ liên kết đôi gồm 2 liên kết σ. Trong mọi liên kết bội chỉ có đúng 1 liên kết σ, phần còn lại là π.
Nhầm giữa công thức electron và công thức Lewis: đề yêu cầu Lewis mà em chỉ vẽ dấu chấm thì vẫn chưa đúng yêu cầu; nên vẽ cả hai nếu đề hỏi “công thức electron và công thức Lewis”.

8. Bài tập luyện tập có đáp án

Bài 1

Trong phân tử C₂H₄, tổng số cặp electron dùng chung và tổng số liên kết σ lần lượt là bao nhiêu?

Đáp án: 6 cặp electron dùng chung; 5 liên kết σ. Lí do: 4 cặp ở 4 liên kết C–H, 2 cặp ở liên kết đôi C=C; liên kết đôi chỉ đóng góp 1 liên kết σ, nên σ = 4 + 1 = 5.

Bài 2

Vẽ công thức Lewis của formaldehyde HCHO (CH₂O, C là nguyên tử trung tâm) và so sánh với C₂H₄.

Đáp án: Tổng electron hoá trị = 4 + 2 × 1 + 6 = 12. N = 8 × 2 + 2 × 2 = 20 → số cặp dùng chung = (20 − 12) : 2 = 4; số cặp riêng = (12 − 8) : 2 = 2. Công thức Lewis: C liên kết đơn với 2 H và liên kết đôi C=O, nguyên tử O mang 2 cặp electron riêng. Giống C₂H₄ ở chỗ đều có 12 electron hoá trị và một liên kết đôi; khác ở chỗ HCHO có 2 cặp electron riêng trên O, còn C₂H₄ không có cặp riêng nào.

Bài 3

Propene có công thức CH₂=CH–CH₃. Hãy tính tổng số electron hoá trị, số liên kết σ và số liên kết π trong phân tử.

Đáp án: C₃H₆ có 3 × 4 + 6 × 1 = 18 electron hoá trị. Liên kết gồm 6 liên kết C–H, 1 liên kết đơn C–C và 1 liên kết đôi C=C. Số σ = 6 + 1 + 1 = 8; số π = 1. Kiểm tra: số cặp dùng chung = (8 × 3 + 2 × 6 − 18) : 2 = 9 = 6 + 1 + 2, khớp.

9. Ghi nhớ nhanh

C₂H₄: 12 electron hoá trị, 6 cặp dùng chung, 0 cặp riêng.
Lewis: H₂C=CH₂, liên kết đôi C=C gồm 1σ + 1π.
Toàn phân tử: 5σ, 1π; C lai hoá sp²; phân tử phẳng, góc ~120°, không phân cực.

Câu hỏi thường gặp

Công thức Lewis của C2H4 có cặp electron riêng không?

Không. C2H4 có 12 electron hoá trị và cả 12 electron đều được dùng để tạo 6 cặp electron liên kết (4 cặp C–H và 2 cặp trong liên kết đôi C=C), nên không còn cặp electron riêng nào.

Vì sao giữa hai nguyên tử C trong C2H4 là liên kết đôi?

Nếu chỉ có liên kết đơn C–C thì sau khi tạo 5 liên kết đơn còn dư 2 electron, một nguyên tử C sẽ chỉ có 6 electron, chưa đạt octet. Dùng chung thêm cặp electron đó giữa hai C tạo liên kết đôi giúp cả hai C đều có 8 electron.

Phân tử C2H4 có bao nhiêu liên kết sigma và pi?

C2H4 có 5 liên kết σ (4 liên kết C–H và 1 liên kết σ trong C=C) và 1 liên kết π nằm trong liên kết đôi C=C.

Công thức Lewis và công thức cấu tạo của C2H4 khác nhau thế nào?

Với C2H4, hai công thức trông giống nhau (H2C=CH2) vì phân tử không có cặp electron riêng. Ở phân tử có cặp riêng như H2O hay HCHO, công thức Lewis phải vẽ thêm các cặp chấm đó, còn công thức cấu tạo thì lược bỏ.