Lai hóa C2H4: sự tạo thành liên kết sp2 trong etilen

Trả lời nhanh

Trong phân tử C₂H₄, mỗi nguyên tử C trung tâm lai hoá sp²: một obitan 2s trộn với hai obitan 2p tạo 3 obitan sp² nằm trong một mặt phẳng, hợp nhau góc khoảng 120°. Các obitan này tạo 5 liên kết σ (4 C–H và 1 C–C). Hai obitan 2p không lai hoá xen phủ bên với nhau tạo 1 liên kết π, nên C=C gồm 1σ + 1π.

Đề bài và hướng làm

Đề yêu cầu trình bày sự tạo thành liên kết hoá học trong các phân tử dựa vào sự lai hoá của nguyên tử trung tâm. Với C₂H₄, hai nguyên tử C đều là trung tâm. Ta làm theo bốn bước: viết cấu hình electron, xác định kiểu lai hoá, cho các obitan xen phủ, rồi kết luận số liên kết σ, π và hình dạng phân tử.

Lưu ý: đề gốc còn có thêm một số phân tử khác đi kèm C₂H₄. Trang này giải chi tiết C₂H₄, sau đó đưa cách làm tương tự cho CH₄, C₂H₂ để bạn áp dụng cho phân tử còn lại.

Bước 1: Xác định kiểu lai hoá của C trong C₂H₄

Công thức cấu tạo: CH₂=CH₂. Mỗi C liên kết với 3 nguyên tử khác (2 H và 1 C) nên có 3 “vùng liên kết σ”, không có cặp electron riêng.
Cấu hình C ở trạng thái cơ bản: 1s²2s²2p². Để tạo 4 liên kết, một electron 2s chuyển lên 2p: 2s¹2p³ (trạng thái kích thích).
Một obitan 2s trộn với hai obitan 2p (2p_x, 2p_y) cho ba obitan lai hoá sp² tương đương, nằm trong cùng một mặt phẳng, hướng tới ba đỉnh của tam giác đều (góc 120°).
Obitan 2p_z còn lại không lai hoá, vuông góc với mặt phẳng chứa ba obitan sp², chứa 1 electron.

Bước 2: Sự xen phủ tạo liên kết

Liên kết σ C–H (4 liên kết): mỗi C dùng 2 obitan sp² xen phủ trục với obitan 1s của 2 nguyên tử H.
Liên kết σ C–C (1 liên kết): hai obitan sp² còn lại của hai C xen phủ trục với nhau.
Liên kết π C–C (1 liên kết): hai obitan 2p_z song song nhau xen phủ bên, tạo vùng mật độ electron nằm phía trên và phía dưới mặt phẳng phân tử.

Sơ đồ liên kết σ và π trong phân tử etilen C2H4 với lai hoá sp2 — Bên trái: 5 liên kết σ nằm trong một mặt phẳng. Bên phải: liên kết π do hai obitan p xen phủ bên.

Bước 3: Kết luận

Nội dung	C₂H₄
Kiểu lai hoá của mỗi C	sp²
Số liên kết σ	5 (4 C–H, 1 C–C)
Số liên kết π	1 (giữa hai C)
Hình dạng	Phẳng, 6 nguyên tử cùng nằm trong một mặt phẳng; các góc H–C–H, H–C–C gần 120°

Liên kết đôi C=C không phải là hai liên kết giống nhau. Liên kết σ bền, xen phủ trục; liên kết π xen phủ bên nên kém bền hơn và dễ bị phá vỡ. Đó là lí do etilen dễ tham gia phản ứng cộng, còn etan thì không.

Vì sao không phải sp³?

Nếu C lai hoá sp³, cả 4 obitan lai đều dùng tạo liên kết σ, mỗi C sẽ có 4 liên kết σ như trong CH₄ hay C₂H₆. Trong C₂H₄, mỗi C chỉ có 3 liên kết σ và còn một electron dành cho liên kết π, nên chỉ cần lai hoá 3 obitan.

Mẹo nhớ nhanh

Đếm số liên kết σ quanh nguyên tử trung tâm cộng số cặp electron riêng: 4 → sp³; 3 → sp²; 2 → sp.
Liên kết đơn = 1σ; đôi = 1σ + 1π; ba = 1σ + 2π.
Số obitan p chưa lai hoá của C chính là số liên kết π mà nó tạo: sp² còn 1 p, sp còn 2 p.

Áp dụng cho phân tử tương tự

CH₄: C lai hoá sp³, 4 obitan sp³ xen phủ trục với 4 obitan 1s của H, tạo 4σ, phân tử tứ diện, góc 109,5°.
C₂H₂: mỗi C lai hoá sp, 2 obitan sp tạo σ (một với H, một với C kia), 2 obitan p còn lại xen phủ bên tạo 2π; tổng 3σ + 2π, phân tử thẳng hàng, góc 180°.

Lỗi sai thường gặp

Viết “C=C gồm hai liên kết σ” – sai, phải là 1σ + 1π.
Quên đếm liên kết C–H khi tính tổng σ, dẫn đến đáp số 1σ thay vì 5σ.
Cho rằng obitan p tham gia lai hoá đều hết; thực tế sp² vẫn còn 1 obitan p nguyên vẹn.
Vẽ liên kết π xen phủ trục; π luôn là xen phủ bên.

Luyện tập

Trình bày sự lai hoá của C trong C₂H₆ và đếm số liên kết σ.
Đáp án: mỗi C lai hoá sp³; có 6 liên kết C–H và 1 liên kết C–C, tổng 7σ, không có π.
Xác định kiểu lai hoá của C và số σ, π trong HCHO (CH₂=O).
Đáp án: C có 3 liên kết σ (2 C–H, 1 C–O), không có cặp electron riêng nên lai hoá sp²; tổng 3σ + 1π.
Phân tử C₂H₂ có bao nhiêu liên kết σ và π?
Đáp án: HC≡CH có 2σ C–H, 1σ C≡C và 2π, tổng 3σ + 2π.

Câu hỏi thường gặp

Trong C2H4, nguyên tử C lai hoá kiểu gì?

Mỗi nguyên tử C lai hoá sp2, vì tạo 3 liên kết σ (2 với H, 1 với C) và không có cặp electron riêng. Obitan 2p còn lại không lai hoá dùng để tạo liên kết π.

C2H4 có bao nhiêu liên kết σ và π?

C2H4 có 5 liên kết σ (4 liên kết C–H và 1 liên kết σ C–C) và 1 liên kết π giữa hai nguyên tử C.

Vì sao phân tử C2H4 phẳng?

Ba obitan sp2 của mỗi C nằm trong cùng một mặt phẳng, hợp nhau góc 120°. Hai nguyên tử C và 4 nguyên tử H liên kết σ qua các obitan này nên cả 6 nguyên tử cùng nằm trong một mặt phẳng.

Liên kết π khác liên kết σ ở điểm nào?

Liên kết σ hình thành do xen phủ trục, bền hơn; liên kết π hình thành do xen phủ bên của các obitan p song song, kém bền hơn nên dễ bị phá vỡ trong phản ứng cộng.