Công thức cấu tạo của CH4 (metan) đầy đủ nhất

Trả lời nhanh

Công thức cấu tạo của CH₄ (metan) là nguyên tử C ở giữa, nối với 4 nguyên tử H bằng 4 liên kết đơn C–H: H–C(–H)(–H)–H. Công thức cấu tạo thu gọn vẫn là CH₄. Trong không gian, phân tử có dạng tứ diện đều, C ở tâm, 4 H ở 4 đỉnh, góc H–C–H khoảng 109,5°. Vì C có hóa trị IV còn H có hóa trị I nên mỗi C liên kết đúng 4 H.

Công thức của metan: phân biệt từng loại công thức

Khi hỏi “công thức của CH₄”, em cần xem đề muốn loại công thức nào. Metan có đủ các dạng sau, từ đơn giản đến chi tiết.

Loại công thức	Biểu diễn với metan	Cho biết điều gì
Công thức phân tử	CH₄	Thành phần nguyên tố và số nguyên tử: 1 C, 4 H
Công thức electron	C có 4 cặp electron dùng chung với 4 H	Cách các nguyên tử góp chung electron
Công thức cấu tạo	H–C(–H)(–H)–H (mỗi gạch là một cặp electron dùng chung)	Thứ tự và kiểu liên kết giữa các nguyên tử
Công thức cấu tạo thu gọn	CH₄	Rút gọn, trường hợp metan trùng với CTPT
Mô hình không gian	Tứ diện đều	Hình dạng thật của phân tử

Với metan, vì chỉ có một nguyên tử C nên công thức phân tử, công thức đơn giản nhất và công thức cấu tạo thu gọn đều là CH₄. Chỉ khi viết công thức cấu tạo đầy đủ mới thấy rõ từng liên kết.

Cách viết công thức cấu tạo của CH₄ từng bước

Xác định hóa trị: C có 4 electron lớp ngoài cùng nên hóa trị IV; H có 1 electron nên hóa trị I.
Đặt nguyên tử trung tâm: viết C ở giữa vì C cần góp chung nhiều electron nhất; H chỉ tạo được một liên kết nên luôn nằm ở “rìa”.
Nối bằng liên kết đơn: mỗi H góp 1 electron với 1 electron của C, tạo 1 cặp electron dùng chung, vẽ thành 1 gạch nối.
Kiểm tra: C có đúng 4 gạch, mỗi H có đúng 1 gạch. Khi đó C đạt cấu hình 8 electron (như khí hiếm neon), H đạt 2 electron (như heli).

Công thức cấu tạo của CH4 gồm nguyên tử C ở giữa nối với 4 nguyên tử H bằng 4 gạch đơn — Công thức cấu tạo đầy đủ của metan CH4: C có 4 liên kết đơn với 4 nguyên tử H.

Công thức electron của CH₄

Nguyên tử C có cấu hình electron 1s²2s²2p², lớp ngoài cùng 4 electron. Mỗi nguyên tử H có 1 electron. Trong phân tử CH₄, C góp 4 electron, mỗi H góp 1 electron, tạo ra 4 cặp electron dùng chung. Tổng số electron quanh C là 4 + 4 = 8, đúng quy tắc octet.

Tất cả 4 cặp electron đều là cặp liên kết, C không còn cặp electron riêng nào. Đây là lý do metan là phân tử không phân cực và có hình dạng đối xứng.

Đặc điểm cấu tạo: vì sao phân tử metan có dạng tứ diện?

Công thức cấu tạo trên giấy được vẽ phẳng (chữ thập) cho tiện, nhưng thực tế phân tử metan không phẳng. Bốn cặp electron liên kết đều mang điện âm nên đẩy nhau và tự phân bố sao cho xa nhau nhất, tức là hướng về 4 đỉnh của một hình tứ diện đều.

Nguyên tử C nằm ở tâm, 4 nguyên tử H nằm ở 4 đỉnh của tứ diện đều.
Góc liên kết H–C–H xấp xỉ 109,5° (nếu phân tử phẳng hình vuông thì góc chỉ là 90°).
Độ dài liên kết C–H khoảng 0,109 nm, bốn liên kết hoàn toàn giống nhau.
Theo thuyết lai hóa (chương trình lớp 11): C ở trạng thái lai hóa sp³; mỗi liên kết C–H là liên kết σ do xen phủ trục giữa obitan lai hóa sp³ của C và obitan 1s của H.
Phân tử chỉ có liên kết đơn, đều là liên kết σ: tổng 4 liên kết σ, không có liên kết π.

Mô hình tứ diện đều của phân tử CH4 với góc H–C–H khoảng 109,5 độ — Dạng hình học của CH4: C ở tâm tứ diện, 4 H ở 4 đỉnh; nét liền đậm hướng ra phía trước, nét đứt hướng ra phía sau mặt phẳng giấy.

Bằng chứng cho cấu trúc tứ diện

Có một cách lập luận rất hay gặp: thay 2 nguyên tử H bằng 2 nguyên tử Cl ta được CH₂Cl₂. Nếu CH₄ phẳng hình vuông thì sẽ có 2 đồng phân (hai Cl ở cạnh nhau hoặc ở hai góc đối diện). Thực nghiệm chỉ thu được một chất duy nhất, phù hợp với cấu trúc tứ diện, nơi 4 vị trí hoàn toàn tương đương.

Từ cấu tạo suy ra tính chất của metan

Chỉ có liên kết đơn bền, không có liên kết π nên metan không làm mất màu dung dịch brom hay thuốc tím, không tham gia phản ứng cộng.
Có liên kết C–H nên dễ tham gia phản ứng thế khi chiếu sáng và phản ứng cháy.
Phân tử không phân cực nên metan là chất khí, nhẹ hơn không khí, rất ít tan trong nước.

Các phương trình tiêu biểu:

Phản ứng cháy (tỏa nhiều nhiệt, ngọn lửa xanh nhạt):

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O (điều kiện: t°)

Phản ứng thế với clo (cần ánh sáng khuếch tán; màu vàng lục của clo nhạt dần, giấy quỳ tím ẩm chuyển đỏ do có HCl):

CH₄ + Cl₂ → CH₃Cl + HCl (điều kiện: ánh sáng)

Nếu clo dư, phản ứng thế tiếp tục cho CH₂Cl₂, CHCl₃, CCl₄.

Điều chế khí hiđro từ metan và hơi nước:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ (điều kiện: xúc tác Ni, t° cao)

Một vài số liệu nhanh về CH₄

Khối lượng mol: 12 + 4 × 1 = 16 g/mol.
Phần trăm khối lượng: %C = 12/16 = 75%; %H = 25%.
Tỉ khối so với H₂: 16/2 = 8; so với không khí: 16/29 ≈ 0,55 (nhẹ hơn không khí).

Lỗi sai thường gặp

Vẽ thừa hoặc thiếu gạch: C phải có đúng 4 gạch. Vẽ 3 gạch là CH₃– (gốc metyl), không phải metan.
Nối H với H: trong CH₄ các nguyên tử H không liên kết với nhau, chỉ liên kết với C.
Cho rằng góc H–C–H là 90° hoặc 180°: góc đúng là khoảng 109,5° vì phân tử dạng tứ diện.
Nhầm “công thức cấu tạo” với “công thức không gian”: hình chữ thập chỉ là cách ghi quy ước, không phản ánh hình dạng thật.
Quên điều kiện phản ứng thế: phải có ánh sáng, không phải đun nóng thông thường.

Mẹo nhớ nhanh

Nhớ câu “C bốn tay, H một tay”: C có 4 “tay” nên nắm 4 H, mỗi H chỉ có 1 tay nên chỉ nắm được C. Còn về hình dạng, nhớ “4 đỉnh tứ diện, 109,5 độ”. Từ đó khi gặp ankan khác như etan C₂H₆ hay propan C₃H₈, em chỉ việc giữ đủ 4 gạch quanh mỗi nguyên tử C.

Bài luyện tập có đáp án

Bài 1. Viết công thức cấu tạo của CH₃Cl và CH₂Cl₂. Mỗi chất có bao nhiêu liên kết σ?

Đáp án: CH₃Cl: C nối với 3 H và 1 Cl, gồm 4 liên kết σ. CH₂Cl₂: C nối với 2 H và 2 Cl, cũng gồm 4 liên kết σ. Do C luôn có hóa trị IV nên số gạch quanh C luôn bằng 4.

Bài 2. Vì sao CH₂Cl₂ chỉ có một cấu tạo duy nhất, và điều này gợi ý gì về hình dạng CH₄?

Đáp án: Vì 4 đỉnh của tứ diện đều hoàn toàn tương đương, đặt 2 Cl vào 2 đỉnh nào cũng cho cùng một chất. Nếu CH₄ phẳng hình vuông sẽ có 2 đồng phân. Thực tế chỉ có 1 chất nên CH₄ có dạng tứ diện.

Bài 3. Đốt cháy hoàn toàn 4,48 lít CH₄ (đktc). Tính thể tích O₂ cần dùng và thể tích CO₂ thu được (đktc).

Đáp án: n(CH₄) = 4,48 : 22,4 = 0,2 mol. Theo phương trình CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O: n(O₂) = 0,4 mol, V = 0,4 × 22,4 = 8,96 lít; n(CO₂) = 0,2 mol, V = 4,48 lít.

Bài 4. Nêu hai đặc điểm cấu tạo giải thích vì sao metan không làm mất màu nước brom ở điều kiện thường.

Đáp án: Phân tử chỉ có liên kết đơn σ C–H bền, không có liên kết π kém bền để phản ứng cộng; ngoài ra phân tử không phân cực nên khó bị tác nhân brom tấn công ở điều kiện thường.

Tóm tắt

CTPT và CTCT thu gọn: CH₄; CTCT đầy đủ: C nối 4 H bằng 4 gạch đơn.
Dạng hình học: tứ diện đều, góc H–C–H khoảng 109,5°, C lai hóa sp³.
Chỉ có liên kết σ, nên đặc trưng bởi phản ứng thế và phản ứng cháy.

Câu hỏi thường gặp

Công thức cấu tạo của CH4 là gì?

Nguyên tử C ở giữa liên kết đơn với 4 nguyên tử H, mỗi liên kết là một gạch nối C–H. Công thức cấu tạo thu gọn của metan vẫn viết là CH4.

Phân tử CH4 có dạng hình học nào, góc liên kết bao nhiêu?

CH4 có dạng tứ diện đều, C ở tâm, 4 H ở 4 đỉnh. Góc H–C–H khoảng 109,5° do 4 cặp electron liên kết đẩy nhau xa nhất có thể.

Trong CH4 có bao nhiêu liên kết σ và liên kết π?

Có 4 liên kết σ (C–H) và không có liên kết π nào, vì phân tử chỉ gồm các liên kết đơn.

Vì sao CH4 không tham gia phản ứng cộng?

Vì phân tử chỉ có liên kết đơn σ bền, không có liên kết đôi hay ba (liên kết π) để mở ra cộng thêm tác nhân khác. Metan chủ yếu tham gia phản ứng thế và phản ứng cháy.