Cách xác định trạng thái lai hóa: PCl3 và ví dụ

Trả lời nhanh

Nguyên tử P trong PCl₃ ở trạng thái lai hóa sp³. Lý do: P tạo 3 liên kết σ với 3 nguyên tử Cl và còn 1 cặp electron không liên kết, nên có 3 + 1 = 4 vùng electron quanh P. Bốn vùng electron tương ứng 4 obitan lai hóa sp³, phân tử có dạng chóp tam giác.

Đề bài thường yêu cầu “dự đoán trạng thái lai hóa của nguyên tử trung tâm trong các phân tử sau: PCl₃, …”. Phần danh sách phân tử phía sau có thể khác nhau tuỳ đề, nên ở đây thầy cô hướng dẫn một quy trình dùng được cho mọi phân tử, rồi giải PCl₃ và một loạt ví dụ quen thuộc để các em đối chiếu.

Quy trình 4 bước xác định lai hóa

Viết công thức Lewis (hoặc công thức cấu tạo) của phân tử, xác định nguyên tử trung tâm.
Đếm số liên kết σ mà nguyên tử trung tâm tạo ra. Liên kết đơn có 1 σ; liên kết đôi có 1 σ + 1 π; liên kết ba có 1 σ + 2 π. Chỉ đếm σ, không đếm π.
Đếm số cặp electron hóa trị chưa liên kết (cặp e riêng) trên nguyên tử trung tâm.
Cộng lại: số vùng electron = số σ + số cặp e riêng. Đối chiếu bảng dưới đây.

Số vùng electron	Kiểu lai hóa	Sự sắp xếp các vùng	Góc điển hình
2	sp	Thẳng	180°
3	sp²	Tam giác phẳng	120°
4	sp³	Tứ diện	109,5°

Mẹo nhớ: số vùng electron bằng 2, 3, 4 thì lần lượt là sp, sp², sp³ (số mũ = số vùng − 1 nếu có mũ; sp là mũ 1 được ẩn đi).

Giải chi tiết: PCl₃

P (Z = 15) có cấu hình electron lớp ngoài cùng 3s²3p³, tức 5 electron hóa trị.
P dùng 3 electron độc thân để tạo 3 liên kết đơn P–Cl, vậy có 3 liên kết σ.
2 electron còn lại (3s²) tạo 1 cặp electron không liên kết.
Số vùng electron = 3 + 1 = 4 → lai hóa sp³.

Bốn obitan sp³ hướng về 4 đỉnh của hình tứ diện; ba obitan xen phủ với obitan 3p của Cl, một obitan chứa cặp electron riêng. Vì vậy PCl₃ có hình dạng chóp tam giác (không phải tam giác phẳng), góc Cl–P–Cl khoảng 100°, nhỏ hơn 109,5° do cặp electron riêng đẩy mạnh hơn cặp liên kết.

Bảng ví dụ thường gặp

Phân tử	Số σ	Cặp e riêng	Lai hóa	Dạng hình học
BeCl₂	2	0	sp	Thẳng
CO₂ (O=C=O)	2	0	sp	Thẳng
BF₃	3	0	sp²	Tam giác phẳng
SO₂	2	1	sp²	Gấp khúc
CH₄	4	0	sp³	Tứ diện
NH₃	3	1	sp³	Chóp tam giác
PCl₃	3	1	sp³	Chóp tam giác
H₂O	2	2	sp³	Gấp khúc

Lai hóa của nguyên tử C trong hợp chất hữu cơ

Với cacbon có thể nhận nhanh theo loại liên kết của nó (C không có cặp e riêng):

Chỉ có liên kết đơn (4 σ) → sp³, như CH₄, C₂H₆.
Có 1 liên kết đôi (3 σ + 1 π) → sp², như C₂H₄, HCHO.
Có 1 liên kết ba hoặc 2 liên kết đôi (2 σ + 2 π) → sp, như C₂H₂, HCN, CO₂.

Lỗi sai thường gặp

Đếm cả liên kết π vào số vùng electron. Ví dụ CO₂ có 4 liên kết nhưng chỉ có 2 σ nên là sp, không phải sp³.
Quên cặp electron riêng. Nhìn PCl₃, NH₃ chỉ thấy 3 liên kết rồi kết luận sp² là sai; phải cộng thêm 1 cặp e riêng.
Nhầm kiểu lai hóa với hình dạng phân tử. NH₃, H₂O đều sp³ nhưng hình dạng là chóp tam giác và gấp khúc, vì cặp e riêng không tính vào “hình” của phân tử.
Chọn sai nguyên tử trung tâm khi phân tử có nhiều nguyên tử, như HCHO hay C₂H₄ (phải xét từng nguyên tử C).

Bài luyện tập

Xác định lai hóa của nguyên tử trung tâm trong CCl₄, SO₃, HCN.
Xác định lai hóa của nguyên tử C trong HCHO và của S trong H₂S.
Vì sao góc liên kết H–O–H (khoảng 104,5°) nhỏ hơn góc H–C–H trong CH₄ (109,5°) dù cả hai nguyên tử trung tâm đều lai hóa sp³?

Đáp án

CCl₄: 4σ, 0 cặp e riêng → sp³. SO₃: S có 3σ (cùng 3 liên kết π hoặc dạng cộng hưởng), 0 cặp e riêng → sp². HCN (H–C≡N): C có 2σ → sp.
HCHO: C có 3σ (2 C–H, 1 C=O), 0 cặp e riêng → sp². H₂S: S có 2σ + 2 cặp e riêng = 4 vùng → sp³.
O có 2 cặp e riêng chiếm hai trong bốn obitan sp³. Các cặp này đẩy các cặp liên kết mạnh hơn, làm góc H–O–H bị ép nhỏ lại so với góc tứ diện lý tưởng.

Lưu ý: với các phân tử có nguyên tử trung tâm có hơn 4 vùng electron như PCl₅ (sp³d) hay SF₆ (sp³d²), kiến thức này thường nằm ngoài yêu cầu của chương trình phổ thông, nhưng cách đếm vùng electron vẫn tương tự.

Câu hỏi thường gặp

PCl3 lai hóa gì và có hình dạng ra sao?

P trong PCl3 lai hóa sp3 vì có 3 liên kết σ và 1 cặp electron không liên kết (4 vùng electron). Phân tử có dạng chóp tam giác, góc Cl–P–Cl khoảng 100°.

Làm sao xác định nhanh lai hóa của nguyên tử trung tâm?

Đếm số liên kết σ cộng số cặp electron hóa trị chưa liên kết. Kết quả 2 là sp, 3 là sp2, 4 là sp3.

Liên kết π có được tính khi xác định lai hóa không?

Không. Chỉ tính liên kết σ và cặp electron riêng. Liên kết π hình thành từ obitan p không tham gia lai hóa.

Vì sao NH3 và H2O đều sp3 nhưng góc liên kết khác nhau?

Số cặp electron riêng khác nhau: NH3 có 1, H2O có 2. Cặp electron riêng đẩy mạnh hơn cặp liên kết nên góc H–O–H (khoảng 104,5°) nhỏ hơn góc H–N–H (khoảng 107°).