Trả lời nhanh
Công thức electron của CH4 đặt cacbon ở giữa, bốn hidro xung quanh, mỗi liên kết C–H là một cặp electron dùng chung. Phân tử có đúng 8 electron hóa trị, dùng hết cho 4 cặp chung, không còn cặp electron riêng trên cacbon. Công thức Lewis thay mỗi cặp chung bằng một gạch. Phân tử có dạng tứ diện đều, góc liên kết khoảng 109°28′, và là phân tử không phân cực.
Electron hóa trị của C và H
Cacbon có số hiệu nguyên tử 6, cấu hình electron 1s2 2s2 2p2. Lớp ngoài cùng có 4 electron, nên cacbon có 4 electron hóa trị. Hidro có cấu hình 1s1, có 1 electron hóa trị. Trong methane có 1 nguyên tử C và 4 nguyên tử H, nên tổng số electron hóa trị là 4 + 4 × 1 = 8.
Quy tắc dùng ở lớp 10: hidro bền khi có 2 electron quanh hạt nhân (đủ lớp K). Cacbon bền khi có 8 electron quanh hạt nhân (octet). Cacbon còn thiếu 4 electron, mỗi hidro còn thiếu 1 electron. Cách giải quyết là góp chung, không phải nhường hẳn như liên kết ion.
Cacbon đứng ở tâm vì nó cần nhiều liên kết hơn và là nguyên tử duy nhất nối được với cả bốn hidro. Bốn hidro không nối với nhau thành một chuỗi rồi mới dính vào cacbon. Nếu em viết H–H–C–H–H, em đã đổi chất: đó không còn là bốn liên kết C–H độc lập.
Cách viết công thức electron
Công thức electron vẽ mọi electron hóa trị: cặp đang dùng chung và cặp để riêng, nếu có. Với methane, em làm lần lượt:
- Viết C ở giữa, bốn chữ H ở bốn phía: trên, dưới, trái, phải.
- Giữa C và mỗi H đặt một cặp chấm, hoặc một dấu hai chấm, biểu diễn 2 electron dùng chung.
- Đếm lại. Bốn cặp chung là 8 electron, khớp với tổng electron hóa trị.
- Kiểm tra hidro: mỗi H chạm đúng 2 electron. Kiểm tra cacbon: 4 cặp × 2 = 8 electron, đủ octet.
- Tìm cặp riêng: số electron chưa tham gia liên kết bằng 8 − 2 × 4 = 0. Không có chấm nào để thêm cạnh C.
Sơ đồ chữ, đọc từ trên xuống:
H
:
H : C : H
:
H
Mỗi dấu hai chấm là một cặp chung. Em không vẽ thêm hai chấm trên C ở phía nào trống, vì C không còn electron riêng. Đây là chỗ khác ammonia và nước: nitơ trong NH3 còn một cặp riêng, oxi trong H2O còn hai cặp riêng. Chép kiểu của methane sang hai chất ấy là sai.
Hình bên trái là công thức electron và công thức Lewis ở dạng phẳng cho dễ đếm. Hình bên phải nhắc hình thật: bốn liên kết hướng về bốn đỉnh của một tứ diện, không nằm cùng một mặt phẳng.
Từ công thức electron sang Lewis và công thức cấu tạo
Ba cách viết mô tả cùng một phân tử, mỗi cách bỏ bớt một lớp thông tin.
| Tên | Em vẽ gì | Với methane |
|---|---|---|
| Công thức electron | mọi electron hóa trị bằng chấm | bốn cặp chấm giữa C và bốn H, không cặp riêng |
| Công thức Lewis | cặp chung thành gạch, cặp riêng vẫn là chấm | bốn gạch C–H, không chấm riêng |
| Công thức cấu tạo | chỉ còn các gạch liên kết | giống Lewis, vì không có cặp riêng để giữ lại |
Công thức Lewis của methane là H gắn với C bằng một gạch ở mỗi phía. Công thức cấu tạo thu gọn hay gặp trong phương trình là CH4, nhưng khi đề yêu cầu công thức cấu tạo khai triển, em vẫn phải vẽ bốn gạch, không viết mỗi chữ CH4.
Một bước đếm giúp em tự kiểm tra trước khi nộp bài. Gọi số electron hóa trị là V, số liên kết đơn là L. Số electron nằm trong các cặp riêng bằng V − 2L. Với methane, V = 8 và L = 4, nên số electron riêng bằng 0. Nếu bài làm của em còn một cặp chấm trên cacbon, em đã đếm thừa hoặc đã thiếu một liên kết.
Hình dạng, góc liên kết và tính phân cực
Bốn cặp electron chung quanh cacbon đẩy nhau. Chúng xếp xa nhau nhất khi hướng về bốn đỉnh của tứ diện đều, cacbon nằm ở tâm. Góc giữa hai liên kết C–H là arccos(−1/3), xấp xỉ 109,47°, sách thường ghi 109°28′ hoặc khoảng 109,5°. Độ dài liên kết C–H khoảng 109 pm.
Độ âm điện Pauling của cacbon là 2,55, của hidro là 2,20. Hiệu là 0,35. Trong cách chia ở trung học phổ thông, hiệu độ âm điện dưới 0,4 được xếp vào liên kết cộng hóa trị không phân cực. Dù mỗi liên kết C–H có moment rất nhỏ, bốn vector hướng về bốn đỉnh đối xứng nên moment tổng của phân tử bằng 0. Methane là phân tử không phân cực. Vì vậy CH4 tan kém trong nước và ở điều kiện thường là chất khí, thành phần chính của khí thiên nhiên, nhiệt độ sôi khoảng −161,5 °C.
Lai hóa sp3 là cách mô tả quỹ đạo của cacbon khi tạo bốn liên kết tương đương này. Chương trình lớp 10 bắt em đọc được hình tứ diện và góc liên kết. Tên lai hóa là phần bổ sung: em chỉ viết sp3 khi đề hỏi kiểu lai hóa, không thay cho công thức electron.
Bài cùng cách làm
Bài 1. Vì sao công thức electron của NH3 không giống methane?
Nitơ có 5 electron hóa trị, ba hidro góp thêm 3, tổng 8 electron. Có 3 cặp chung N–H, còn 8 − 6 = 2 electron, tức một cặp riêng trên nitơ. Hình là tháp đáy tam giác, không phải tứ diện đều của bốn nguyên tử giống nhau. Góc H–N–H khoảng 107°, nhỏ hơn 109,5° vì cặp riêng đẩy mạnh hơn cặp chung.
Bài 2. Đếm electron của H2O.
Oxi có 6 electron hóa trị, hai hidro góp 2, tổng 8. Hai cặp chung O–H dùng 4 electron, còn 4 electron riêng, tức hai cặp riêng trên oxi. Phân tử gấp góc, khoảng 104,5°, phân cực. Em không được viết nước như methane chỉ đổi chữ C thành O.
Bài 3. Chọn phát biểu đúng về methane.
- A. Cacbon còn một cặp electron riêng.
- B. Có 4 cặp electron dùng chung và không có cặp riêng.
- C. Góc liên kết là 180°.
- D. Phân tử phân cực mạnh vì có bốn hidro.
Đáp án: B. A sai vì 8 electron đã nằm hết trong bốn liên kết. C là góc của phân tử thẳng như BeH2 trong mô hình lớp 10, không phải methane. D sai vì bốn liên kết đối xứng, moment tổng bằng 0.
Bài 4. Viết lại bước đếm cho CCl4, chỉ để thấy cùng kiểu với methane.
Cacbon 4 electron, mỗi clo 7 electron hóa trị nhưng ở đây mỗi clo góp 1 electron vào một liên kết đơn C–Cl. Có 4 cặp chung C–Cl, cacbon đủ octet và không còn cặp riêng trên cacbon. Mỗi clo còn 6 electron riêng. Hình vẫn là tứ diện đều. Em không nhầm các cặp riêng của clo với cặp riêng của nguyên tử trung tâm.
Lỗi khi chép công thức
Vẽ năm hidro quanh cacbon làm tổng electron hóa trị thành 9 và phá octet. Viết liên kết đôi C=H thì hidro phải mang quá 2 electron, trái quy tắc lớp K. Quên cặp chung và chỉ viết CH4 khi đề yêu cầu công thức electron là chưa làm bài. Thêm cặp chấm trên cacbon “cho giống nước” là đếm thừa. Ghi góc 90° hoặc 120° là lẫn với hình vuông phẳng hoặc tam giác phẳng.
Trước khi nộp, em chỉ cần hai câu: đủ 8 electron chưa, và cacbon có đúng bốn cặp chung hay không. Nếu cả hai câu đều có, công thức electron của methane đã đúng.
Câu hỏi thường gặp
Công thức electron của CH4 có bao nhiêu cặp electron chung?
Có 4 cặp chung, mỗi cặp là một liên kết C–H. Tổng electron hóa trị là 8.
Cacbon trong CH4 còn cặp electron riêng không?
Không. 8 electron đã nằm hết trong 4 liên kết, nên số electron riêng bằng 0.
Góc liên kết H–C–H bằng bao nhiêu?
Khoảng 109°28′, tức gần 109,5°, vì bốn cặp chung hướng về bốn đỉnh của tứ diện đều.
CH4 là phân tử phân cực hay không phân cực?
Không phân cực. Hiệu độ âm điện C và H là 0,35 và bốn liên kết đối xứng nên moment tổng bằng 0.
Công thức Lewis khác công thức electron ở điểm nào?
Lewis thay mỗi cặp electron chung bằng một gạch. Với CH4 không có cặp riêng nên hai công thức cùng cho thấy bốn liên kết C–H.