Công thức cấu tạo, công thức electron của H2O: cách viết và giải thích

Công thức electron, Lewis và cấu tạo của H₂O trong một hình

Trước khi đi vào từng bước, em hãy nhìn hình dưới để thấy cùng một phân tử nước có thể được biểu diễn bằng những cách khác nhau.

Bên trái là công thức electron (còn gọi là công thức Lewis): mỗi dấu chấm là một electron. Bên phải là công thức cấu tạo: mỗi cặp electron chung được thay bằng một gạch nối, đồng thời cho thấy phân tử gấp khúc chứ không thẳng hàng.

Cách viết công thức electron của H₂O từng bước

Ta dùng quy tắc octet (nguyên tử có xu hướng đạt 8 electron ở lớp ngoài cùng, riêng H đạt 2 electron giống khí hiếm He).

1. Cấu hình electron: H (Z = 1): 1s¹, có 1 electron hoá trị, cần thêm 1 electron. O (Z = 8): 1s²2s²2p⁴, có 6 electron hoá trị, cần thêm 2 electron.
2. Tính tổng electron hoá trị: 6 + 2 × 1 = 8 electron, tức 4 cặp electron.
3. Chọn nguyên tử trung tâm: O là nguyên tử trung tâm vì H chỉ tạo được một liên kết.
4. Nối O với mỗi H bằng một cặp electron chung: dùng hết 2 cặp, mỗi H đã đủ 2 electron.
5. Đặt 2 cặp còn lại lên O: O có 2 cặp chung + 2 cặp riêng = 8 electron, đạt octet.

Kết quả: O có 2 cặp electron liên kết và 2 cặp electron không liên kết (cặp electron riêng). Viết gọn bằng gạch nối, ta được H–O–H, trong đó hai cặp riêng trên O thường vẽ thành 2 cặp chấm quanh kí hiệu O.

Bảng so sánh các loại công thức của nước

Loại công thức	Biểu diễn	Cho biết điều gì?
Công thức phân tử	H2O	Thành phần nguyên tố, số nguyên tử mỗi loại
Công thức electron (Lewis)	H:Ö:H (có 2 cặp chấm riêng trên O)	Toàn bộ electron hoá trị, cả cặp chung lẫn cặp riêng
Công thức cấu tạo	H–O–H	Thứ tự liên kết giữa các nguyên tử
Mô hình hình học	Dạng góc (chữ V), góc HOH ≈ 104,5°	Sự sắp xếp trong không gian

Mẹo nhớ: công thức cấu tạo “bỏ” các cặp electron riêng, còn công thức electron “giữ” tất cả. Muốn kiểm tra bài làm, em đếm: tổng chấm và gạch (mỗi gạch = 2 electron) quanh O phải bằng 8.

Vì sao phân tử H₂O có dạng góc mà không thẳng?

Nếu phân tử thẳng (H–O–H trên một đường thẳng, 180°) thì hai cặp electron riêng của O sẽ không có chỗ “hợp lý” trong không gian. Quanh nguyên tử O có 4 cặp electron (2 cặp liên kết và 2 cặp riêng). Các cặp này đẩy nhau và có xu hướng ở xa nhau nhất, tạo thành sự sắp xếp gần giống hình tứ diện. Hai nguyên tử H chiếm 2 trong 4 vị trí nên phân tử có dạng góc.

Góc tứ diện lí tưởng là 109,5°, nhưng cặp electron riêng chiếm nhiều không gian hơn cặp liên kết nên đẩy mạnh hơn, ép góc HOH xuống còn khoảng 104,5°. Độ dài liên kết O–H xấp xỉ 0,096 nm và năng lượng liên kết O–H vào khoảng 464 kJ/mol (số liệu thường dùng trong sách giáo khoa).

Phần giải thích bằng lực đẩy giữa các cặp electron là kiến thức mở rộng, bài kiểm tra Hoá 10 thường chỉ yêu cầu em nhớ: H₂O có dạng góc.

Liên kết O–H trong nước là liên kết gì?

Độ âm điện của O là 3,44 và của H là 2,20, hiệu độ âm điện bằng 1,24. Giá trị này nằm trong khoảng từ 0,4 đến dưới 1,7 nên liên kết O–H là liên kết cộng hoá trị phân cực: cặp electron chung lệch về phía O.

• Nguyên tử O mang điện tích âm một phần, kí hiệu δ^–.
• Mỗi nguyên tử H mang điện tích dương một phần, kí hiệu δ⁺.
• Vì phân tử có dạng góc nên hai momen phân cực không triệt tiêu: H₂O là phân tử phân cực.

Từ cấu tạo suy ra tính chất của nước

• Hoà tan nhiều chất ion và chất phân cực (muối ăn, đường, ethanol…) do nước là dung môi phân cực.
• Tạo liên kết hydrogen: nguyên tử H (δ⁺) của phân tử này hút nguyên tử O (δ^–, còn cặp electron riêng) của phân tử khác. Nhờ vậy nước có nhiệt độ sôi (100 °C ở áp suất thường) cao hơn nhiều so với H₂S, dù khối lượng phân tử H₂S lớn hơn.
• Cặp electron riêng trên O giúp nước nhận H⁺ để tạo ion H₃O⁺ (ion hydronium) khi có acid.

Mở rộng: viết công thức cấu tạo của H₃O⁺

H₂O nhận thêm một H⁺ bằng liên kết cho – nhận: O dùng một cặp electron riêng để tạo liên kết với H⁺. Tổng electron hoá trị: 6 + 3 – 1 = 8 electron, tức 4 cặp. O trung tâm nối với 3 H bằng 3 cặp chung và còn 1 cặp riêng, ion mang điện tích 1+. Dạng hình học là chóp tam giác, giống NH₃.

Lỗi sai thường gặp khi viết công thức của H₂O

• Quên 2 cặp electron riêng trên O khi đề yêu cầu công thức electron. Khi đó O chỉ có 4 electron xung quanh, sai quy tắc octet.
• Viết H=O=H hoặc H–H–O: O cần góp 2 electron nên chỉ tạo 2 liên kết đơn, mỗi liên kết nối đến một H.
• Cho rằng phân tử thẳng như CO₂. CO₂ (O=C=O) thẳng và không phân cực, còn H₂O gấp khúc và phân cực.
• Nhầm liên kết O–H là liên kết ion. Hiệu độ âm điện 1,24 chưa đạt ngưỡng 1,7 của liên kết ion.
• Nhầm liên kết hydrogen với liên kết cộng hoá trị trong phân tử. Liên kết hydrogen là lực hút giữa các phân tử, yếu hơn nhiều.

Bài luyện tập có đáp án

Bài 1. Viết công thức electron và công thức cấu tạo của H₂S. Dạng hình học có giống H₂O không?

Đáp án: S (Z = 16) cùng nhóm VIA với O, có 6 electron hoá trị. S góp chung 2 cặp electron với 2 H và còn 2 cặp riêng. Công thức cấu tạo: H–S–H. Phân tử cũng có dạng góc (góc HSH khoảng 92°), nhưng liên kết hydrogen giữa các phân tử H₂S gần như không đáng kể vì S ít âm điện hơn O.

Bài 2. Viết công thức electron, công thức cấu tạo của NH₃ và cho biết N còn mấy cặp electron riêng.

Đáp án: N có 5 electron hoá trị, cần 3 electron. Tổng electron hoá trị: 5 + 3 = 8, tức 4 cặp. N tạo 3 liên kết đơn với 3 H và còn 1 cặp electron riêng. Công thức cấu tạo: N nối với 3 nguyên tử H bằng 3 gạch. Phân tử hình chóp tam giác.

Bài 3. Vì sao CO₂ có liên kết C=O phân cực nhưng phân tử lại không phân cực, trong khi H₂O phân cực?

Đáp án: CO₂ có dạng thẳng O=C=O, hai momen phân cực của hai liên kết bằng nhau và ngược chiều nên triệt tiêu. H₂O có dạng góc nên hai momen phân cực cộng lại thành một momen khác 0.

Bài 4. Đếm số cặp electron riêng và số cặp electron chung trong phân tử H₂O.

Đáp án: 2 cặp electron chung (hai liên kết O–H) và 2 cặp electron riêng (cả hai nằm trên O). Nguyên tử H không có cặp riêng.

Tóm tắt cần nhớ

• Công thức phân tử H₂O; công thức cấu tạo H–O–H.
• O có 2 cặp electron chung và 2 cặp electron riêng; mỗi H có 1 cặp chung.
• Phân tử dạng góc, góc HOH ≈ 104,5°.
• Liên kết O–H cộng hoá trị phân cực; phân tử H₂O phân cực và tạo được liên kết hydrogen.

Câu hỏi thường gặp

Công thức cấu tạo của H2O là gì?

Công thức cấu tạo của H2O là H–O–H, trong đó nguyên tử O liên kết đơn với hai nguyên tử H. Phân tử có dạng góc chứ không thẳng, góc HOH khoảng 104,5°.

Công thức electron của H2O có bao nhiêu cặp electron riêng?

Có 2 cặp electron riêng, cả hai đều nằm trên nguyên tử O. Ngoài ra còn 2 cặp electron chung tạo nên hai liên kết O–H, nên O có tổng cộng 8 electron ở lớp ngoài cùng.

Vì sao phân tử nước có dạng góc?

Quanh nguyên tử O có 4 cặp electron (2 cặp liên kết, 2 cặp riêng) đẩy nhau nên sắp xếp gần như hình tứ diện. Hai H chỉ chiếm 2 vị trí, còn cặp riêng đẩy mạnh hơn nên góc HOH nhỏ hơn 109,5°, khoảng 104,5°.

Liên kết O–H trong H2O là liên kết gì?

Là liên kết cộng hoá trị phân cực, vì hiệu độ âm điện giữa O (3,44) và H (2,20) là 1,24, nằm trong khoảng 0,4 đến dưới 1,7. Cặp electron chung lệch về phía nguyên tử O.

Bài học liên quan

• Nguyên tử khối trung bình của Fe biết 4 đồng vị 54Fe, 56Fe, 57Fe, 58Fe
• SO2 + KMnO4 + H2O → MnSO4 + K2SO4 + H2SO4: cân bằng và hiện tượng
• Cl2 + Ca(OH)2 → CaOCl2 + H2O: Cl2 ra clorua vôi, cách cân bằng
• H2S + Br2 + H2O → H2SO4 + HBr: cân bằng, điều kiện, hiện tượng
• Hóa học là ngành khoa học thuộc lĩnh vực nào? Điền từ vào chỗ trống
• Liên kết hóa học trong phân tử NH3 là liên kết gì? Đáp án và giải thích