Trả lời nhanh
Công thức Lewis của HCN (hiđro xianua) là H–C≡N, trong đó nguyên tử C ở giữa, liên kết với H bằng một liên kết đơn và với N bằng một liên kết ba; nguyên tử N còn một cặp electron riêng. Tổng số electron hóa trị là 10 (1 + 4 + 5), tương ứng 5 cặp electron. C và N đều đạt octet, H đạt cấu hình bền của khí hiếm He.
1. Công thức Lewis của HCN trông như thế nào?
Khi dùng chấm để biểu diễn electron, ta viết: H:C:::N: (ba cặp chấm giữa C và N, một cặp chấm bên cạnh N). Khi dùng gạch nối cho cặp electron liên kết, ta viết H–C≡N và vẽ thêm một cặp chấm trên N.
Đếm lại để chắc chắn: 1 cặp ở liên kết C–H, 3 cặp ở liên kết C≡N và 1 cặp riêng trên N, tổng cộng 5 cặp = 10 electron. Con số này khớp với tổng electron hóa trị tính ở bước đầu.
2. Các bước viết công thức Lewis của HCN
Bước 1: Tính tổng số electron hóa trị
| Nguyên tử | Nhóm | Electron hóa trị | Số nguyên tử | Tổng |
|---|---|---|---|---|
| H | IA | 1 | 1 | 1 |
| C | IVA | 4 | 1 | 4 |
| N | VA | 5 | 1 | 5 |
| Tổng | 10 | |||
Bước 2: Chọn nguyên tử trung tâm và nối bằng liên kết đơn
H chỉ tạo được một liên kết nên không thể làm trung tâm. Giữa C và N, ta chọn C vì C có độ âm điện nhỏ hơn và cần tạo nhiều liên kết hơn. Khung ban đầu: H–C–N, đã dùng 2 cặp (4 electron), còn lại 6 electron.
Bước 3: Đặt electron còn lại cho nguyên tử bên ngoài
H đã đủ 2 electron nên không nhận thêm. Cho N 6 electron (3 cặp riêng): N đạt 8 electron nhưng C mới chỉ có 2 electron từ liên kết với H và 2 electron từ liên kết với N, tức 4 electron – chưa đủ octet.
Bước 4: Chuyển cặp electron riêng thành liên kết bội
Để C đủ 8 electron, chuyển lần lượt hai cặp electron riêng của N thành hai liên kết π giữa C và N. Kết quả: C≡N (một liên kết σ và hai liên kết π), N còn một cặp riêng. Kiểm tra: C có 2 (C–H) + 6 (C≡N) = 8 electron; N có 6 (C≡N) + 2 (cặp riêng) = 8 electron.
3. Vì sao C ở giữa mà không phải N?
- Quy tắc chọn nguyên tử trung tâm: nguyên tử có độ âm điện thấp hơn (và không phải H) thường làm trung tâm. Độ âm điện theo thang Pauling: H ≈ 2,20; C ≈ 2,55; N ≈ 3,04.
- Điện tích hình thức: với H–C≡N, điện tích hình thức của H, C, N đều bằng 0. Nếu viết H–N≡C thì N có 4 liên kết (điện tích hình thức +1) và C có 3 liên kết cùng một cặp riêng (điện tích hình thức −1) – cấu trúc kém bền hơn.
- Thực nghiệm: hợp chất tồn tại bền là hiđro xianua HCN, không phải dạng HNC.
Cách tính điện tích hình thức: điện tích = (số electron hóa trị của nguyên tử tự do) − (số electron riêng) − (số liên kết). Với C trong HCN: 4 − 0 − 4 = 0. Với N: 5 − 2 − 3 = 0.
4. Từ công thức Lewis suy ra những gì về HCN?
| Đặc điểm | Kết luận cho HCN |
|---|---|
| Số liên kết σ | 2 (một ở C–H, một ở C≡N) |
| Số liên kết π | 2 (đều nằm trong liên kết ba C≡N) |
| Cặp electron riêng | 1 cặp, trên nguyên tử N |
| Lai hóa của C (chương trình nâng cao) | sp |
| Hình dạng phân tử | Đường thẳng, góc H–C–N = 180° |
| Độ phân cực | Phân tử phân cực |
Vì sao phân tử thẳng? Quanh C có hai “vùng” electron (một liên kết đơn và một liên kết ba), chúng đẩy nhau xa nhất có thể nên hai vùng nằm trên một đường thẳng. Cặp electron riêng của N nằm ngoài cùng trên trục này nên không làm cong phân tử.
Vì sao phân cực? Cả hai liên kết C–H và C≡N đều phân cực, và phân tử không đối xứng (hai đầu là H và N khác nhau), nên các momen lưỡng cực không triệt tiêu. Đây là điểm khác với CO2 cũng thẳng nhưng không phân cực vì hai đầu giống nhau.
Tính chất liên quan: HCN tan trong nước tạo dung dịch axit rất yếu (axit xianhiđric). Hợp chất và muối xianua đều cực độc, chỉ làm việc trong phòng thí nghiệm với sự hướng dẫn của giáo viên.
5. Mẹo nhớ nhanh
- HCN có 10 electron hóa trị – giống N2 (10 e), CO (10 e), C2H2 (10 e) và ion CN− (10 e). Các chất này đều có liên kết ba.
- Nhớ “H chỉ một gạch”: H luôn nằm ở đầu mạch, nối với đúng một nguyên tử.
- Nguyên tử N muốn đủ 8 electron: 3 liên kết + 1 cặp riêng. C muốn 4 liên kết: ở đây là 1 + 3.
6. Lỗi sai thường gặp
- Viết H–C=N: chỉ có liên kết đôi thì C chỉ có 3 liên kết, thiếu electron (không đủ octet). Phải là liên kết ba.
- Quên cặp electron riêng trên N: viết H–C≡N mà bỏ cặp chấm thì tổng electron chỉ còn 8, thiếu 2.
- Đặt N làm nguyên tử trung tâm: dẫn đến dạng H–N≡C, không đúng với HCN.
- Thêm cặp electron riêng cho C hoặc H: C trong HCN không có cặp riêng; H không bao giờ có.
- Nhầm liên kết ba là 3 liên kết σ: thực tế là 1 σ + 2 π.
7. Bài luyện tập có đáp án
Bài 1. Viết công thức Lewis của ion xianua CN− và so sánh với HCN.
Đáp án: Tổng electron hóa trị = 4 + 5 + 1 (điện tích âm) = 10. Công thức: [:C≡N:]−, mỗi nguyên tử có một cặp electron riêng và giữa chúng là liên kết ba. So với HCN, ion CN− có thêm cặp electron riêng trên C thay cho liên kết C–H; điện tích âm thường được gán cho C.
Bài 2. Viết công thức Lewis của C2H2 và cho biết số liên kết σ, π.
Đáp án: Tổng electron = 2·4 + 2·1 = 10. Công thức H–C≡C–H, không có cặp riêng. Có 3 liên kết σ (2 C–H và 1 C–C) và 2 liên kết π.
Bài 3. Trong phân tử HCN, nguyên tử nào có cặp electron không liên kết? Có bao nhiêu cặp electron dùng chung?
Đáp án: Nguyên tử N có 1 cặp không liên kết. Số cặp electron dùng chung: 1 (C–H) + 3 (C≡N) = 4 cặp.
Bài 4. Cho các phân tử: HCN, CO2, H2O. Phân tử nào có dạng đường thẳng và phân cực?
Đáp án: HCN. CO2 thẳng nhưng không phân cực; H2O phân cực nhưng gấp khúc.
8. Tóm tắt
- HCN: 10 electron hóa trị, công thức Lewis H–C≡N, N có 1 cặp electron riêng.
- Cấu trúc đúng khi mọi nguyên tử đạt octet (H đạt 2 electron) và điện tích hình thức đều bằng 0.
- Phân tử thẳng, góc liên kết 180°, phân cực, gồm 2 liên kết σ và 2 liên kết π.
Câu hỏi thường gặp
Công thức Lewis của HCN có bao nhiêu cặp electron riêng?
HCN có đúng 1 cặp electron riêng, nằm trên nguyên tử N. Nguyên tử C và H không có cặp electron riêng.
HCN có bao nhiêu liên kết σ và liên kết π?
HCN có 2 liên kết σ (C–H và một liên kết trong C≡N) và 2 liên kết π (hai liên kết còn lại của liên kết ba C≡N).
HCN có phải phân tử phân cực không?
Có. Phân tử thẳng nhưng hai đầu là H và N khác nhau, các liên kết phân cực lệch về phía N nên momen lưỡng cực không triệt tiêu.
Vì sao C là nguyên tử trung tâm trong HCN?
H chỉ tạo một liên kết nên không làm trung tâm. C có độ âm điện thấp hơn N và cần tạo 4 liên kết, đồng thời cấu trúc H–C≡N cho điện tích hình thức bằng 0 ở mọi nguyên tử nên bền hơn H–N≡C.