Công thức Lewis của H2O và CH4, số cặp electron riêng

Trả lời nhanh

H₂O: nguyên tử O ở giữa, nối với mỗi H bằng một cặp electron chung, ngoài ra O còn 2 cặp electron hoá trị riêng. CH₄: nguyên tử C ở giữa, nối với 4 nguyên tử H bằng 4 cặp electron chung và không có cặp electron hoá trị riêng nào. Cả hai phân tử đều có 8 electron hoá trị, tức 4 cặp; H₂O dùng 2 cặp để liên kết, CH₄ dùng cả 4 cặp.

1. Nhắc lại: công thức Lewis là gì? “Cặp electron hoá trị riêng” là gì?

Công thức Lewis là cách biểu diễn phân tử, trong đó ta vẽ toàn bộ electron hoá trị của các nguyên tử. Electron ở đây gồm hai loại: cặp electron dùng chung (thường kẻ bằng một gạch “–”) và cặp electron chưa tham gia liên kết (kí hiệu bằng hai dấu chấm “••” đặt cạnh nguyên tử).

Cặp electron hoá trị riêng (còn gọi là cặp electron không liên kết hoặc cặp electron tự do) là cặp electron hoá trị chỉ thuộc về một nguyên tử, không dùng chung với nguyên tử nào. Đề bài hỏi “bao nhiêu cặp electron hoá trị riêng” tức là hỏi số cặp “••” có trong công thức Lewis.

Các em cần phân biệt: công thức cấu tạo chỉ vẽ các gạch liên kết, còn công thức Lewis vẽ thêm cả các cặp electron riêng. Ví dụ, công thức cấu tạo của nước là H–O–H, nhưng công thức Lewis phải có thêm 2 cặp chấm quanh O.

2. Các bước viết công thức Lewis

Đếm tổng số electron hoá trị của mọi nguyên tử trong phân tử (với nguyên tố nhóm A, số electron hoá trị bằng số thứ tự nhóm).
Chọn nguyên tử trung tâm: thường là nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn và tạo được nhiều liên kết nhất. H không bao giờ là nguyên tử trung tâm vì H chỉ tạo một liên kết.
Nối nguyên tử trung tâm với các nguyên tử xung quanh bằng liên kết đơn (mỗi liên kết dùng 2 electron).
Phân bố số electron còn lại thành từng cặp, ưu tiên cho các nguyên tử xung quanh đủ octet (H chỉ cần 2 electron), phần dư đặt lên nguyên tử trung tâm. Nếu nguyên tử trung tâm còn thiếu octet thì chuyển cặp riêng của nguyên tử bên cạnh thành liên kết đôi hoặc ba.

3. Viết công thức Lewis của H₂O

Bước 1 – Đếm electron hoá trị: H (nhóm IA) có 1 electron hoá trị, O (nhóm VIA) có 6. Tổng: 2 × 1 + 6 = 8 electron = 4 cặp.
Bước 2 – Nguyên tử trung tâm: O (H không thể làm trung tâm).
Bước 3 – Nối liên kết đơn: H–O–H, dùng hết 2 cặp = 4 electron.
Bước 4 – Phân bố phần còn lại: còn 8 − 4 = 4 electron = 2 cặp. Mỗi H đã có 2 electron (đủ cấu hình bền như He), nên 2 cặp này đặt lên O.

Kiểm tra: quanh O có 2 cặp liên kết + 2 cặp riêng = 8 electron, đúng quy tắc octet. Mỗi H có 2 electron. Vậy phân tử H₂O có 2 cặp electron hoá trị riêng, cả hai đều nằm trên nguyên tử O.

4. Viết công thức Lewis của CH₄

Bước 1 – Đếm electron hoá trị: C (nhóm IVA) có 4, H có 1. Tổng: 4 + 4 × 1 = 8 electron = 4 cặp.
Bước 2 – Nguyên tử trung tâm: C.
Bước 3 – Nối liên kết đơn: C nối với 4 nguyên tử H bằng 4 liên kết đơn, dùng hết 4 cặp = 8 electron.
Bước 4 – Phân bố phần còn lại: 8 − 8 = 0, không còn electron nào.

Kiểm tra: quanh C có 4 cặp liên kết = 8 electron, đủ octet; mỗi H có 2 electron. Vậy CH₄ có 0 cặp electron hoá trị riêng, tất cả electron hoá trị đều tham gia liên kết.

5. Bảng so sánh H₂O và CH₄

Tiêu chí	H₂O	CH₄
Tổng electron hoá trị	8	8
Nguyên tử trung tâm	O (nhóm VIA)	C (nhóm IVA)
Số cặp electron liên kết	2	4
Số cặp electron hoá trị riêng	2 (trên O)	0
Công thức cấu tạo	H–O–H	C nối với 4 H bằng 4 liên kết đơn
Hình dạng phân tử (tham khảo)	Gấp khúc (góc khoảng 104,5°)	Tứ diện đều (góc khoảng 109,5°)

6. Vì sao cùng 8 electron hoá trị mà số cặp riêng lại khác nhau?

Điểm mấu chốt nằm ở số electron mà nguyên tử trung tâm cần nhận thêm để đạt octet. O có 6 electron hoá trị nên chỉ thiếu 2, vì vậy O chỉ tạo 2 liên kết; 4 electron còn lại của O ghép thành 2 cặp riêng. C có 4 electron hoá trị nên thiếu 4, C tạo 4 liên kết và dùng hết electron hoá trị của mình.

Mẹo nhớ nhanh cho nguyên tử trung tâm thuộc chu kì 2 chỉ có liên kết đơn: số cặp riêng = (số electron hoá trị − số liên kết) : 2. Với O: (6 − 2) : 2 = 2. Với C: (4 − 4) : 2 = 0. Với N trong NH₃: (5 − 3) : 2 = 1.

Cặp electron riêng không chỉ để “đếm cho đủ”. Chúng chiếm chỗ trong không gian và đẩy các cặp liên kết lại gần nhau. Đó là lí do phân tử nước có dạng gấp khúc chứ không thẳng hàng, còn CH₄ không có cặp riêng nên 4 liên kết phân bố đều theo hình tứ diện. Các cặp riêng trên O cũng góp phần giúp nước tạo liên kết hydrogen, giải thích nhiệt độ sôi cao bất thường của nước so với CH₄.

7. Lỗi sai thường gặp khi làm bài

Quên vẽ cặp riêng trên O: viết H–O–H rồi dừng lại là mới ra công thức cấu tạo, chưa phải công thức Lewis.
Đặt chấm quanh H: H đã có 2 electron khi tham gia một liên kết, không thêm cặp riêng nào cho H.
Đếm cả cặp liên kết vào “cặp riêng”: nhiều bạn trả lời H₂O có 4 cặp. Đó là tổng số cặp electron quanh O, còn số cặp riêng chỉ là 2.
Nhầm số electron hoá trị của C: C có 4 electron hoá trị (cấu hình 1s²2s²2p²), không phải 2 hay 6.
Đặt H làm nguyên tử trung tâm, kiểu viết H–H–O: sai, vì H chỉ tạo được một liên kết.

8. Bài tập luyện tập (có đáp án)

Bài 1. Viết công thức Lewis của NH₃. Phân tử có bao nhiêu cặp electron hoá trị riêng?

Đáp án: Tổng electron hoá trị = 5 + 3 × 1 = 8 (4 cặp). N ở trung tâm, tạo 3 liên kết đơn N–H (3 cặp), còn 1 cặp đặt trên N. Vậy NH₃ có 1 cặp electron hoá trị riêng, N đủ octet.

Bài 2. Viết công thức Lewis của CO₂ và cho biết tổng số cặp electron hoá trị riêng.

Đáp án: Tổng electron hoá trị = 4 + 2 × 6 = 16 (8 cặp). C ở trung tâm. Nếu chỉ dùng liên kết đơn O–C–O thì C thiếu octet, nên chuyển thành hai liên kết đôi O=C=O (4 cặp liên kết). Còn 4 cặp, mỗi O mang 2 cặp riêng. Tổng: 4 cặp electron hoá trị riêng, C không có cặp riêng nào.

Bài 3. Sắp xếp các phân tử CH₄, NH₃, H₂O, HF theo chiều tăng dần số cặp electron hoá trị riêng trên nguyên tử không phải H.

Đáp án: CH₄ (0) < NH₃ (1) < H₂O (2) < HF (3). Cả bốn phân tử đều có 8 electron hoá trị. Nguyên tử nặng càng ở nhóm cao thì càng tạo ít liên kết với H và càng còn nhiều cặp riêng. Các em nên nhớ dãy này vì nó hay xuất hiện trong đề kiểm tra.

9. Tóm tắt cần nhớ

H₂O: 2 cặp liên kết O–H, 2 cặp electron hoá trị riêng trên O.
CH₄: 4 cặp liên kết C–H, không có cặp electron hoá trị riêng.
Muốn viết đúng công thức Lewis: đếm electron hoá trị, chọn nguyên tử trung tâm, nối liên kết đơn, phân bố phần còn lại rồi kiểm tra octet (H chỉ cần 2 electron).

Câu hỏi thường gặp

Phân tử H2O có bao nhiêu cặp electron hoá trị riêng?

H2O có 2 cặp electron hoá trị riêng, cả hai đều nằm trên nguyên tử O. Nguyên tử H không có cặp riêng nào.

Vì sao CH4 không có cặp electron hoá trị riêng?

C có 4 electron hoá trị và cần thêm 4 electron để đủ octet. C tạo 4 liên kết đơn với 4 nguyên tử H nên dùng hết electron hoá trị, không còn cặp nào chưa liên kết.

Công thức Lewis khác công thức cấu tạo như thế nào?

Công thức cấu tạo chỉ biểu diễn các liên kết bằng gạch nối. Công thức Lewis biểu diễn đầy đủ electron hoá trị, gồm cả cặp electron liên kết và cặp electron riêng (vẽ bằng dấu chấm).

Cặp electron riêng trên O ảnh hưởng gì đến phân tử nước?

Hai cặp electron riêng đẩy các cặp liên kết lại gần nhau nên phân tử nước có dạng gấp khúc, góc liên kết khoảng 104,5°. Chúng cũng giúp nước tạo liên kết hydrogen.