CTCT H2SO4: Công thức cấu tạo của axit sunfuric và cách viết

Công thức cấu tạo H₂SO₄ trông như thế nào?

Axit sunfuric có công thức phân tử H₂SO₄, khối lượng mol 98 g/mol. Trong phân tử, 4 nguyên tử oxi đều liên kết trực tiếp với lưu huỳnh. Hai nguyên tử H không gắn vào S mà gắn vào oxi, nên đây là axit có oxi (oxoaxit).

Cách đọc hình: hai nguyên tử O ở trên và dưới liên kết đôi với S, còn hai nguyên tử O ở hai bên mỗi nguyên tử gắn thêm một H. Hai nhóm O–H này chính là nguồn H⁺ khi H₂SO₄ phân li trong nước.

Cách viết CTCT H₂SO₄ từng bước

Muốn viết đúng mà không phải học thuộc, em làm theo 5 bước sau.

1. Chọn nguyên tử trung tâm. Là nguyên tử có độ âm điện thấp hơn O và có thể tạo nhiều liên kết: lưu huỳnh. Hiđro không bao giờ làm nguyên tử trung tâm.
2. Đếm tổng số electron hoá trị. 2 H cho 2 e, S cho 6 e, 4 O cho 24 e. Tổng là 2 + 6 + 24 = 32 electron, tức 16 cặp.
3. Nối các nguyên tử bằng liên kết đơn. S nối với 4 O, mỗi H nối với một O. Có 6 liên kết đơn, dùng hết 12 electron.
4. Hoàn thiện cặp electron riêng cho O. Mỗi O ở nhóm –OH đã có 2 cặp riêng sau khi nối với S và H. Hai O còn lại cần thêm cặp electron nên dùng liên kết đôi với S.
5. Kiểm tra. Mỗi O có đủ 8 electron, mỗi H có 2 electron, S dùng cả 6 electron hoá trị để tạo 6 cặp liên kết (4 liên kết σ + 2 liên kết π ở phần S–O). Tổng electron vẫn là 32.

Công thức electron và cách đếm liên kết

Ở dạng công thức electron, mỗi nguyên tử O của nhóm –OH có 2 cặp electron không liên kết; mỗi nguyên tử O của nhóm S=O cũng có 2 cặp electron không liên kết; nguyên tử S không còn cặp riêng nào.

Đại lượng	Giá trị	Giải thích
Tổng electron hoá trị	32	2×1 + 6 + 4×6
Liên kết σ	6	4 liên kết S–O (kể cả trong S=O) và 2 liên kết O–H
Liên kết π	2	mỗi liên kết đôi S=O có 1 σ và 1 π
Cặp electron không liên kết	8	mỗi O có 2 cặp, S và H không có
Số oxi hoá của S	+6	2(+1) + x + 4(–2) = 0 nên x = +6
Hoá trị của S	VI	S tạo 6 cặp electron dùng chung

Kiểm tra chéo: 6 σ + 2 π = 8 cặp electron liên kết, cộng 8 cặp riêng là 16 cặp, đúng bằng 32 electron.

Vì sao S được phép vượt quá 8 electron?

Trong CTCT có hai liên kết đôi, S xung quanh có 12 electron, vượt quy tắc bát tử. Điều này được chấp nhận với các nguyên tố chu kì 3 trở đi như S, P, Cl vì chúng có phân lớp 3d trống.

Ngoài ra, nhiều tài liệu còn biểu diễn bằng cách khác: S chỉ tạo liên kết đơn với cả 4 O, hai O mang điện tích âm hình thức, S mang điện tích dương hình thức. Cách này thoả mãn bát tử nhưng ở chương trình phổ thông, dạng có 2 liên kết đôi là cách viết được dùng phổ biến và em nên dùng nó khi làm bài.

Hình dạng phân tử

Bốn nguyên tử O bao quanh S theo dạng gần tứ diện, S ở tâm. Hai liên kết S–OH dài hơn hai liên kết S=O vì liên kết đôi có bậc liên kết cao hơn. Hình vẽ phẳng trong mặt giấy chỉ là cách quy ước để dễ nhìn, không phản ánh hình dạng thực trong không gian.

Liên hệ cấu tạo với tính chất của H₂SO₄

• Tính axit mạnh: S có số oxi hoá +6 và hai O không gắn H hút electron rất mạnh, làm liên kết O–H phân cực mạnh nên H dễ tách ra dưới dạng H⁺. H₂SO₄ → H⁺ + HSO₄^– (phân li hoàn toàn nấc 1).
• Tính oxi hoá mạnh (khi đặc, nóng): S ở mức oxi hoá cao nhất +6 nên chỉ có thể bị khử. Ví dụ: Cu + 2H₂SO₄ (đặc) → CuSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O (đun nóng, khí không màu mùi hắc, dung dịch chuyển xanh).
• Axit loãng cho tính axit thông thường: Zn + H₂SO₄ (loãng) → ZnSO₄ + H₂↑ (sủi bọt khí không màu). Ở đây chính H⁺ bị khử, không phải S⁺⁶.
• Hút nước, nhớt, nhiệt độ sôi cao: các nhóm O–H và S=O tạo nhiều liên kết hiđro với nước và với nhau. Vì vậy H₂SO₄ đặc là chất lỏng sánh như dầu, hút nước mạnh và toả nhiều nhiệt khi pha loãng. Quy tắc an toàn: rót từ từ axit vào nước, không làm ngược lại.
• Than hoá đường: C₁₂H₂₂O₁₁ → 12C + 11H₂O (xúc tác H₂SO₄ đặc, đường chuyển đen, phồng lên). Sau đó C bị oxi hoá tiếp: C + 2H₂SO₄ (đặc) → CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O (đun nóng).

So sánh CTCT H₂SO₄ với H₂SO₃ và SO₃

Chất	CTCT	Số oxi hoá của S	Điểm khác biệt
SO3	O=S(=O)=O	+6	Oxit axit, không có H
H2SO4	H–O–S(=O)(=O)–O–H	+6	S không còn cặp electron riêng
H2SO3	H–O–S(=O)–O–H	+4	S còn 1 cặp electron riêng, vừa oxi hoá vừa khử

Mẹo nhớ: H₂SO₄ có thể coi là SO₃ cộng nước: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Nước “chèn” vào liên kết đôi S=O, cho hai nhóm –OH. Nhờ đó em có thể kiểm tra lại CTCT: số O vẫn là 4, số oxi hoá S vẫn là +6.

Lỗi sai thường gặp khi viết CTCT H₂SO₄

• Gắn H trực tiếp vào S (viết H–S…). Sai, H luôn gắn với O trong oxoaxit.
• Viết cả 4 liên kết S–O đều là liên kết đơn rồi không giải thích điện tích hình thức. Trong bài phổ thông hãy vẽ 2 liên kết đôi.
• Viết 3 liên kết đôi S=O (nhầm với SO₃). Khi đó không còn chỗ cho H.
• Quên cặp electron không liên kết trên O khi được yêu cầu viết công thức electron.
• Nhầm “hoá trị của S là VI” với “có 6 liên kết σ”. Hoá trị S là 6 vì S dùng 6 cặp electron dùng chung (4σ + 2π ở S), còn tổng σ của cả phân tử là 6 vì tính thêm 2 liên kết O–H.

Bài luyện tập có đáp án

Bài 1. Viết CTCT của H₂SO₄ và đếm số liên kết σ, π.

Đáp án: H–O–S(=O)(=O)–O–H; có 6 liên kết σ (4 S–O, 2 O–H) và 2 liên kết π.

Bài 2. Trong phân tử H₂SO₄ có bao nhiêu cặp electron không liên kết?

Đáp án: 8 cặp. Mỗi trong 4 nguyên tử O có 2 cặp, còn S và H không có.

Bài 3. Vì sao H₂SO₄ đặc nóng oxi hoá được Cu, còn không có chất nào khử S⁺⁶ thành mức cao hơn?

Đáp án: S đã ở số oxi hoá +6, là mức cao nhất (bằng số electron lớp ngoài cùng), nên chỉ có thể nhận electron và bị khử xuống SO₂, S, H₂S… mà không thể bị oxi hoá thêm.

Bài 4. Viết phương trình điều chế H₂SO₄ từ SO₃ và cho biết sự thay đổi liên kết.

Đáp án: SO₃ + H₂O → H₂SO₄. Một liên kết π S=O chuyển thành liên kết đơn S–O và gắn thêm nhóm –OH, số oxi hoá S vẫn +6. Trong thực tế công nghiệp người ta hấp thụ SO₃ vào H₂SO₄ đặc để tạo oleum rồi pha loãng, nhằm tránh tạo sương axit.

Tóm tắt cần nhớ

• CTPT H₂SO₄; CTCT H–O–S(=O)(=O)–O–H.
• 32 electron hoá trị; 6 σ, 2 π; 8 cặp electron riêng.
• S có số oxi hoá +6, hoá trị VI; các nhóm O–H phân cực tạo nên tính axit mạnh.

Câu hỏi thường gặp

CTCT H2SO4 là gì?

CTCT của H2SO4 là H–O–S(=O)(=O)–O–H: S ở trung tâm, liên kết đôi với 2 nguyên tử O và liên kết đơn với 2 nhóm –OH.

Phân tử H2SO4 có bao nhiêu liên kết σ và π?

Có 6 liên kết σ (4 liên kết S–O và 2 liên kết O–H) và 2 liên kết π (nằm trong hai liên kết đôi S=O).

Số oxi hoá của lưu huỳnh trong H2SO4 là bao nhiêu?

Là +6. Tính theo tổng số oxi hoá bằng 0: 2(+1) + x + 4(–2) = 0, suy ra x = +6, mức cao nhất của lưu huỳnh.

Vì sao S trong H2SO4 có thể có 12 electron xung quanh?

S thuộc chu kì 3, có phân lớp 3d trống nên có thể mở rộng lớp vỏ hoá trị. Nếu viết dạng chỉ có liên kết đơn kèm điện tích hình thức thì S vẫn đủ 8 electron, nhưng chương trình phổ thông thường dùng dạng 2 liên kết đôi.

Bài học liên quan

• Viết công thức VSEPR của CCl4, H2S, CO2, SO3 và PH3
• Giải SGK Hóa học 10 cả 3 bộ sách: Kết nối tri thức, Chân trời sáng tạo, Cánh diều
• Viết công thức Lewis của SO3 và các phân tử tương tự: hướng dẫn từng bước
• Cách viết công thức oxit cao nhất và bảng oxit cao nhất của các nguyên tố
• Công thức Lewis của CS2: cách viết, cấu tạo và hình dạng phân tử
• Chuyên đề Hóa học 10 Chân trời sáng tạo: Giải 10 bài chuyên đề học tập