Công thức cấu tạo của N2, công thức electron và Lewis

Trả lời nhanh

Phân tử N₂ có 5 + 5 = 10 electron hóa trị. Hai nguyên tử N góp chung 3 cặp electron tạo thành liên kết ba, mỗi nguyên tử còn 1 cặp electron riêng. Công thức electron là :N⋮⋮N:, công thức Lewis là |N≡N| và công thức cấu tạo là N≡N. Liên kết ba gồm 1 liên kết σ và 2 liên kết π, là liên kết cộng hóa trị không phân cực và rất bền, nên N₂ khá trơ ở nhiệt độ thường.

Công thức electron, công thức Lewis và công thức cấu tạo của N2

Nitrogen (N₂) là phân tử gồm hai nguyên tử N giống nhau, khối lượng mol M = 2 · 14 = 28 g/mol. Theo chương trình Hóa học 10 mới, phân tử cộng hóa trị được biểu diễn bằng ba loại công thức:

Công thức electron: biểu diễn mọi electron hóa trị bằng dấu chấm. Với N₂, giữa hai nguyên tử có 6 chấm (3 cặp dùng chung), phía ngoài mỗi nguyên tử N có 2 chấm (1 cặp riêng): :N⋮⋮N:.
Công thức Lewis: mỗi cặp electron dùng chung được thay bằng một gạch nối, cặp electron riêng vẫn giữ (vẽ hai chấm hoặc một gạch ngắn): |N≡N|.
Công thức cấu tạo: chỉ giữ gạch biểu diễn liên kết, bỏ cặp electron riêng: N≡N.

Công thức electron, công thức Lewis và công thức cấu tạo của phân tử N2 với liên kết ba — Hình 1. Công thức electron, công thức Lewis và công thức cấu tạo của N₂ đều thể hiện liên kết ba giữa hai nguyên tử nitrogen.

Khác với CO (cũng có liên kết ba nhưng trong đó một cặp là liên kết cho – nhận), ở N₂ cả ba cặp electron đều được hình thành do mỗi nguyên tử N góp 3 electron độc thân. Vì vậy cả ba liên kết đều là liên kết cộng hóa trị góp chung thông thường, không có mũi tên cho – nhận.

Cách viết công thức electron của N2 theo từng bước

Viết cấu hình electron của N. N có Z = 7: 1s²2s²2p³. Lớp ngoài cùng có 5 electron, trong đó 3 electron độc thân ở phân lớp 2p. Mỗi nguyên tử N cần thêm 3 electron để đạt octet giống khí hiếm neon.
Đếm tổng electron hóa trị. 5 + 5 = 10 electron, tức 5 cặp.
Ghép electron độc thân. Mỗi nguyên tử đưa 3 electron độc thân ra góp chung, tạo 3 cặp electron chung nằm giữa hai hạt nhân.
Đặt cặp electron còn lại. Còn 2 cặp (2 electron 2s của mỗi nguyên tử), mỗi nguyên tử giữ 1 cặp riêng ở phía ngoài.
Kiểm tra octet. Mỗi N có 3 cặp chung (6 electron) + 1 cặp riêng (2 electron) = 8 electron. Tổng số cặp: 3 + 2 = 5, khớp với 10 electron hóa trị.

Nếu đề yêu cầu viết công thức Lewis theo cách “đếm electron rồi phân bố”, em làm như sau: nối N–N bằng một liên kết đơn (dùng 1 cặp), phân bố 4 cặp còn lại để mỗi N có thêm 2 cặp, khi đó mỗi N mới có 6 electron. Chuyển dần cặp electron riêng thành liên kết bội cho đến khi cả hai nguyên tử đủ 8 electron: liên kết đôi chưa đủ, liên kết ba thì đủ. Kết quả vẫn là |N≡N|.

Liên kết σ và liên kết π trong N2

Liên kết thứ nhất hình thành do hai orbital 2p xen phủ dọc theo trục nối hai hạt nhân, gọi là liên kết σ. Hai orbital 2p còn lại của mỗi nguyên tử vuông góc với trục, xen phủ bên tạo ra 2 liên kết π. Vậy N₂ có tổng cộng 1 σ và 2 π.

Đặc điểm liên kết và các thông số cần nhớ

Đại lượng	Giá trị trong N₂	Giải thích
Số cặp electron dùng chung	3	Mỗi N góp 3 electron
Số cặp electron riêng	2	Mỗi nguyên tử N một cặp
Loại liên kết	Cộng hóa trị không phân cực	Hiệu độ âm điện bằng 0
Số liên kết σ / π	1 / 2	Liên kết ba
Năng lượng liên kết	Khoảng 945 kJ/mol	Một trong những liên kết bền nhất giữa hai nguyên tử
Độ dài liên kết	Khoảng 0,110 nm	Ngắn hơn N=N và N–N
Số oxi hóa của N	0	Đơn chất
Hóa trị của N	III	N tạo 3 liên kết cộng hóa trị

Năng lượng liên kết lớn là lí do N₂ rất kém hoạt động ở nhiệt độ thường: muốn phản ứng, phải cung cấp nhiều năng lượng để phá vỡ liên kết ba. Do số oxi hóa 0 nằm giữa −3 (thấp nhất) và +5 (cao nhất), N₂ vừa có tính oxi hóa vừa có tính khử, nhưng cả hai đều chỉ thể hiện khi đun nóng mạnh hoặc có xúc tác.

N₂ và CO là hai phân tử đẳng electron: cùng 14 electron, cùng 10 electron hóa trị, cùng có liên kết ba và cùng khối lượng mol 28 g/mol. Vì thế chúng có nhiều tính chất vật lí giống nhau.

Tính chất vật lí của nitrogen

Khí không màu, không mùi, không vị; chiếm khoảng 78% thể tích không khí.
Tỉ khối so với không khí: d = 28 : 29 ≈ 0,97, nên N₂ nhẹ hơn không khí một chút.
Tan rất ít trong nước; hóa lỏng ở khoảng −196 °C. Nitrogen lỏng dùng để làm lạnh nhanh và bảo quản mẫu sinh học.
Không duy trì sự cháy và sự hô hấp, nhưng không độc. Do phân tử không phân cực, lực hút giữa các phân tử rất yếu, giải thích vì sao nhiệt độ sôi rất thấp.

Tính chất hóa học suy ra từ cấu tạo

Tính oxi hóa (N: 0 → −3)

Với hydrogen (t°, p cao, xúc tác Fe): N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃, Δ_rH°₂₉₈ ≈ −92 kJ. Đây là phản ứng thuận nghịch, tỏa nhiệt, là cơ sở của quá trình Haber sản xuất ammonia.
Với kim loại hoạt động: 6Li + N₂ → 2Li₃N (xảy ra ở nhiệt độ thường); 3Mg + N₂ → Mg₃N₂ và 3Ca + N₂ → Ca₃N₂ (khi đun nóng).

Tính khử (N: 0 → +2)

Với oxygen ở khoảng 3 000 °C hoặc khi có tia lửa điện (sấm sét): N₂ + O₂ ⇌ 2NO, Δ_rH°₂₉₈ ≈ +180 kJ. Phản ứng thu nhiệt mạnh, đúng với việc phải phá vỡ liên kết ba rất bền. Trong tự nhiên, NO sinh ra khi có sấm sét tiếp tục chuyển hóa và góp phần đưa nitrogen vào đất.

Ứng dụng gắn với tính trơ

Nhờ khó phản ứng ở điều kiện thường, N₂ được bơm vào bao bì thực phẩm để chống oxi hóa, dùng làm môi trường trơ trong luyện kim và sản xuất linh kiện điện tử. Phần lớn N₂ công nghiệp được dùng để tổng hợp NH₃, từ đó sản xuất phân đạm và nitric acid.

Bài tập vận dụng có lời giải

Bài 1. Trong phân tử N₂, số cặp electron dùng chung và số cặp electron riêng lần lượt là bao nhiêu?

Lời giải: 3 cặp dùng chung và 2 cặp riêng (mỗi N một cặp). Tổng 5 cặp = 10 electron hóa trị.

Bài 2. Ước tính Δ_rH của phản ứng N₂ + 3H₂ → 2NH₃ từ năng lượng liên kết: E(N≡N) = 945 kJ/mol, E(H–H) = 436 kJ/mol, E(N–H) = 391 kJ/mol.

Lời giải: Δ_rH = ΣE(liên kết bị phá vỡ) − ΣE(liên kết hình thành) = (945 + 3 · 436) − 6 · 391 = 2 253 − 2 346 = −93 kJ. Kết quả gần với giá trị thực nghiệm −92 kJ, cho thấy phản ứng tỏa nhiệt dù phải phá liên kết ba rất bền.

Bài 3. Đun nóng 7,2 g Mg trong khí N₂ dư. Tính khối lượng Mg₃N₂ thu được (giả sử phản ứng hoàn toàn).

Lời giải: n(Mg) = 7,2 : 24 = 0,3 mol. Theo phương trình 3Mg + N₂ → Mg₃N₂, n(Mg₃N₂) = 0,3 : 3 = 0,1 mol. M(Mg₃N₂) = 3 · 24 + 2 · 14 = 100 g/mol, nên m = 0,1 · 100 = 10 g.

Bài 4. Cho 14 g N₂ phản ứng với H₂ dư, hiệu suất 25%. Tính khối lượng NH₃ thu được.

Lời giải: n(N₂) = 14 : 28 = 0,5 mol. Theo lí thuyết, n(NH₃) = 2 · 0,5 = 1 mol. Với hiệu suất 25%: n(NH₃) = 1 · 0,25 = 0,25 mol, m = 0,25 · 17 = 4,25 g.

Bài 5. Cho 4,2 g Li tác dụng hết với N₂. Tính khối lượng Li₃N.

Lời giải: n(Li) = 4,2 : 7 = 0,6 mol. Theo 6Li + N₂ → 2Li₃N, n(Li₃N) = 0,6 : 3 = 0,2 mol; M(Li₃N) = 3 · 7 + 14 = 35 g/mol, nên m = 0,2 · 35 = 7 g.

Bài 6. Vì sao N₂ khó tham gia phản ứng hơn P (phosphorus trắng) dù N có độ âm điện lớn hơn?

Lời giải: Tính hoạt động của đơn chất phụ thuộc vào độ bền liên kết trong phân tử. N₂ có liên kết ba rất bền (khoảng 945 kJ/mol), trong khi phân tử P₄ chỉ có các liên kết đơn P–P kém bền hơn nhiều. Vì vậy N₂ trơ hơn phosphorus ở nhiệt độ thường.

Lỗi thường gặp khi viết công thức của N2

Quên cặp electron riêng. Công thức electron và công thức Lewis phải có cặp electron riêng trên mỗi nguyên tử N; chỉ công thức cấu tạo mới bỏ đi.
Vẽ liên kết cho – nhận. N₂ không có liên kết cho – nhận; đó là đặc điểm của CO.
Nhầm hóa trị với số oxi hóa. Trong N₂, N có hóa trị III nhưng số oxi hóa bằng 0.
Viết liên kết đôi N=N. Với liên kết đôi, mỗi N chỉ có 6 electron, chưa đạt octet.

Xem thêm về nitrogen

Câu hỏi thường gặp

Công thức cấu tạo của N2 là gì?

Công thức cấu tạo của N2 là N≡N: hai nguyên tử N liên kết với nhau bằng liên kết ba gồm 1 liên kết σ và 2 liên kết π.

Phân tử N2 có bao nhiêu cặp electron dùng chung?

N2 có 3 cặp electron dùng chung giữa hai nguyên tử và 2 cặp electron riêng, mỗi nguyên tử N một cặp.

Liên kết trong N2 là liên kết gì?

Là liên kết cộng hóa trị không phân cực, vì hai nguyên tử giống nhau nên hiệu độ âm điện bằng 0.

Vì sao N2 trơ ở nhiệt độ thường?

Vì liên kết ba N≡N rất bền, năng lượng liên kết khoảng 945 kJ/mol, cần nhiều năng lượng mới phá vỡ được.

Trong N2, nitrogen có hóa trị và số oxi hóa bao nhiêu?

Nitrogen có hóa trị III (tạo 3 liên kết) và số oxi hóa 0 vì N2 là đơn chất.