Công thức cấu tạo của CO: công thức electron và Lewis

Trả lời nhanh

Phân tử CO có tổng cộng 4 + 6 = 10 electron hóa trị (5 cặp). Giữa C và O có liên kết ba gồm 2 cặp electron góp chung và 1 cặp electron cho – nhận do O đóng góp; mỗi nguyên tử còn 1 cặp electron riêng. Công thức electron viết là :C⋮⋮O:, công thức Lewis là |C≡O|, còn công thức cấu tạo thường viết C≡O hoặc vẽ hai gạch nối và một mũi tên O→C. Nhờ cách liên kết này cả C và O đều đạt octet.

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

Carbon monoxide (CO) là phân tử hai nguyên tử, khối lượng mol M = 12 + 16 = 28 g/mol. Trong chương trình Hóa học 10 mới, một phân tử cộng hóa trị được biểu diễn theo ba cách có liên quan chặt chẽ với nhau:

Công thức electron: dùng dấu chấm biểu diễn mọi electron hóa trị. Với CO, giữa hai nguyên tử có 6 chấm (3 cặp dùng chung), cạnh C có 1 cặp chấm, cạnh O có 1 cặp chấm: :C⋮⋮O:.
Công thức Lewis: mỗi cặp electron dùng chung thay bằng một gạch nối, các cặp electron riêng vẫn được giữ lại (vẽ bằng hai chấm hoặc một gạch ngắn): |C≡O|.
Công thức cấu tạo: chỉ giữ các gạch biểu diễn liên kết, bỏ cặp electron riêng: C≡O. Nếu muốn chỉ rõ liên kết cho – nhận, em vẽ hai gạch nối và một mũi tên hướng từ O sang C.

Ba cách biểu diễn phân tử CO: công thức electron với sáu chấm giữa C và O, công thức Lewis có liên kết ba và cặp electron riêng, công thức cấu tạo có mũi tên cho – nhận từ O sang C — Hình 1. Công thức electron, công thức Lewis và công thức cấu tạo của carbon monoxide CO.

Điểm đặc biệt của CO là liên kết ba không hoàn toàn giống liên kết ba trong N₂. Trong N≡N, mỗi nguyên tử N góp 3 electron. Trong CO, nguyên tử C chỉ có 2 electron độc thân ở trạng thái cơ bản, nên chỉ tạo được 2 cặp góp chung với O; cặp thứ ba là cặp electron riêng của O được đưa sang dùng chung. Vì vậy nhiều tài liệu gọi đó là “liên kết ba gồm hai liên kết cộng hóa trị thông thường và một liên kết cho – nhận”.

Cách viết công thức Lewis của CO theo từng bước

Đếm electron hóa trị. C (Z = 6, cấu hình 1s²2s²2p²) có 4 electron hóa trị; O (Z = 8, cấu hình 1s²2s²2p⁴) có 6 electron hóa trị. Tổng: 4 + 6 = 10 electron, tức 5 cặp.
Vẽ khung phân tử. Phân tử chỉ có hai nguyên tử nên nối C–O bằng một liên kết đơn. Đã dùng 1 cặp, còn 4 cặp.
Phân bố cặp electron còn lại. Ưu tiên nguyên tử có độ âm điện lớn hơn: đặt 3 cặp quanh O để O đủ 8 electron, cặp cuối cùng đặt lên C. Lúc này C mới có 2 (liên kết) + 2 (cặp riêng) = 4 electron, chưa đạt octet.
Chuyển cặp electron riêng thành liên kết bội. Chuyển một cặp riêng của O vào vùng giữa hai nguyên tử, được liên kết đôi C=O; C có 6 electron, vẫn thiếu. Chuyển thêm một cặp riêng nữa của O, được liên kết ba C≡O.
Kiểm tra. C có 3 cặp liên kết + 1 cặp riêng = 8 electron; O có 3 cặp liên kết + 1 cặp riêng = 8 electron. Tổng số cặp: 3 + 1 + 1 = 5 cặp, khớp với 10 electron ở bước 1.

Nếu tính điện tích hình thức (kiến thức mở rộng): C có 4 electron hóa trị, trong công thức Lewis “sở hữu” 2 electron riêng + 3 electron (một nửa của 6 electron liên kết) = 5, nên điện tích hình thức là 4 − 5 = −1; tương tự O là 6 − 5 = +1. Điều này giải thích vì sao CO có momen lưỡng cực rất nhỏ (khoảng 0,11 D) dù O âm điện hơn C nhiều: sự lệch electron do độ âm điện gần như bị bù trừ bởi cặp electron mà O đã đưa sang dùng chung.

Liên kết σ và liên kết π trong CO

Một liên kết ba luôn gồm 1 liên kết σ và 2 liên kết π. Liên kết σ hình thành do sự xen phủ trục, hai liên kết π do sự xen phủ bên của các orbital p. Liên kết trong CO rất ngắn (khoảng 0,113 nm) và rất bền, năng lượng liên kết khoảng 1 070 kJ/mol, thuộc loại liên kết bền nhất đã biết giữa hai nguyên tử. Do đó ở nhiệt độ thường CO khá trơ, chỉ phản ứng mạnh khi được đun nóng.

Hóa trị, số oxi hóa và các điểm dễ nhầm

Đại lượng	Giá trị trong CO	Giải thích ngắn
Số oxi hóa của C	+2	x + (−2) = 0 nên x = +2
Số oxi hóa của O	−2	Quy ước thông thường của oxygen trong oxide
Hóa trị của C theo cách tính ở lớp 8	II	Một nguyên tử C kết hợp với một nguyên tử O (O hóa trị II)
Số cặp electron dùng chung giữa C và O	3	2 cặp góp chung + 1 cặp cho – nhận
Số cặp electron riêng	2	1 trên C, 1 trên O
Số liên kết σ / π	1 / 2	Liên kết ba

Em cần tách bạch: “hóa trị II” là cách gọi theo tỉ lệ kết hợp đã học ở lớp 8, còn khi xét cấu tạo thì giữa C và O có tới 3 cặp electron chung. Trong bài trắc nghiệm, đọc kĩ câu hỏi đang hỏi về số oxi hóa, hóa trị hay số liên kết.

CO và N₂ là hai phân tử đẳng electron: cùng có 14 electron, cùng 10 electron hóa trị và cùng khối lượng mol 28 g/mol. Cả hai đều có liên kết ba rất bền, đều là khí không màu, khó hóa lỏng. Khác biệt chính là CO có liên kết cho – nhận và phân cực rất yếu, còn N₂ hoàn toàn không phân cực.

Tính chất vật lí và độc tính của CO

Khí không màu, không mùi, không vị; rất ít tan trong nước.
Hóa lỏng ở khoảng −191,5 °C. Tỉ khối so với không khí d = 28 : 29 ≈ 0,97, nên CO nhẹ hơn không khí một chút và dễ khuếch tán khắp phòng.
Rất độc: CO kết hợp với hemoglobin trong máu bền hơn oxygen khoảng 200–250 lần, làm máu mất khả năng vận chuyển oxygen. Vì không màu, không mùi nên người bị ngộ độc thường không nhận ra. Không được đốt than, chạy máy phát điện hay để ô tô nổ máy trong phòng kín.

Tính chất hóa học và điều chế CO

Oxide trung tính

Ở điều kiện thường, CO không tác dụng với nước, dung dịch acid hay dung dịch kiềm, nên được xếp vào loại oxide trung tính (oxide không tạo muối). Đây là điểm khác hẳn với CO₂, một acidic oxide.

Tính khử mạnh khi đun nóng

C trong CO có số oxi hóa +2, có thể lên +4 nên CO là chất khử mạnh ở nhiệt độ cao:

Cháy trong không khí với ngọn lửa màu xanh lam, tỏa nhiều nhiệt: 2CO + O₂ → 2CO₂ (t°).
Khử oxide của kim loại đứng sau Al trong dãy hoạt động: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ (t°); CuO + CO → Cu + CO₂ (t°). Đây là phản ứng chính trong lò cao luyện gang.
Kết hợp với chlorine khi có ánh sáng hoặc xúc tác than hoạt tính: CO + Cl₂ → COCl₂ (phosgene, rất độc).

Lưu ý: CO không khử được Al₂O₃, MgO, Na₂O, CaO.

Điều chế

Trong phòng thí nghiệm: đun formic acid với H₂SO₄ đặc (chất hút nước): HCOOH → CO + H₂O.
Trong công nghiệp: cho hơi nước đi qua than nung đỏ, khoảng 1 000 °C: C + H₂O → CO + H₂ (khí than ướt); hoặc cho không khí qua than nung đỏ, CO₂ sinh ra bị than khử tiếp: C + CO₂ → 2CO (khí than khô, khí lò gas).

So sánh cấu tạo CO và CO2

Tiêu chí	CO	CO₂
Công thức cấu tạo	C≡O (có 1 liên kết cho – nhận)	O=C=O
Số electron hóa trị	10	16
Số oxi hóa của C	+2	+4
Hình dạng, độ phân cực	Thẳng, phân cực rất yếu	Thẳng, không phân cực (hai liên kết phân cực triệt tiêu nhau)
Loại oxide	Trung tính	Acidic oxide
Tính chất nổi bật	Tính khử, rất độc	Không duy trì sự cháy, gây hiệu ứng nhà kính

Bài tập vận dụng có lời giải

Bài 1. Trong phân tử CO có bao nhiêu cặp electron dùng chung, bao nhiêu cặp electron riêng và bao nhiêu liên kết π?

Đáp án: 3 cặp dùng chung, 2 cặp riêng (mỗi nguyên tử 1 cặp), 2 liên kết π.

Bài 2. Tính phần trăm khối lượng của C trong CO.

Lời giải: %C = 12 : 28 · 100% ≈ 42,86%; %O ≈ 57,14%.

Bài 3. Khử hoàn toàn 16 g Fe₂O₃ bằng khí CO ở nhiệt độ cao. Tính thể tích CO tối thiểu cần dùng (điều kiện chuẩn 25 °C, 1 bar) và khối lượng Fe thu được.

Lời giải: n(Fe₂O₃) = 16 : 160 = 0,1 mol. Theo Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂: n(CO) = 0,3 mol, V = 0,3 · 24,79 = 7,437 lít; n(Fe) = 0,2 mol, m = 0,2 · 56 = 11,2 g.

Bài 4. Dẫn khí CO dư qua ống đựng CuO nung nóng. Sau phản ứng, khối lượng chất rắn giảm 3,2 g. Tính thể tích CO đã phản ứng ở điều kiện chuẩn.

Lời giải: Khối lượng chất rắn giảm chính là khối lượng O bị CO lấy đi: n(O) = 3,2 : 16 = 0,2 mol. Mỗi phân tử CO nhận 1 nguyên tử O nên n(CO) = 0,2 mol, V = 0,2 · 24,79 = 4,958 lít.

Bài 5. Đun 9,2 g formic acid với H₂SO₄ đặc, giả sử phản ứng hoàn toàn. Tính thể tích CO ở điều kiện chuẩn.

Lời giải: n(HCOOH) = 9,2 : 46 = 0,2 mol, n(CO) = 0,2 mol, V = 4,958 lít.

Bài 6. Hỗn hợp X gồm 0,25 mol CO và CO₂ có tỉ khối so với H₂ bằng 18. Tính số mol mỗi khí.

Lời giải: M(X) = 36, nên m(X) = 0,25 · 36 = 9 g. Gọi x là số mol CO thì số mol CO₂ là 0,25 − x: 28x + 44(0,25 − x) = 9, suy ra 11 − 16x = 9, x = 0,125. Vậy có 0,125 mol CO và 0,125 mol CO₂.

Những lỗi thường gặp khi viết công thức của CO

Viết C=O với liên kết đôi rồi để C chỉ có 6 electron: sai, vì C chưa đạt octet.
Vẽ mũi tên cho – nhận từ C sang O: sai chiều. Cặp electron cho – nhận thuộc về O nên mũi tên đi từ O đến C.
Quên cặp electron riêng trên C khi viết công thức electron hoặc công thức Lewis, dẫn đến đếm thiếu electron (chỉ còn 8 thay vì 10).
Nhầm CO là acidic oxide giống CO₂: CO là oxide trung tính, không tác dụng với NaOH hay Ca(OH)₂.

Câu hỏi thường gặp

Phân tử CO có mấy liên kết cho – nhận?

CO có 1 liên kết cho – nhận, cặp electron do nguyên tử O đóng góp. Hai cặp electron còn lại giữa C và O là liên kết cộng hóa trị góp chung thông thường.

Trong CO, carbon có số oxi hóa bao nhiêu?

Carbon có số oxi hóa +2. Vì C còn có thể lên +4 nên CO thể hiện tính khử mạnh khi đun nóng.

CO có phải là acidic oxide không?

Không. CO là oxide trung tính: ở điều kiện thường nó không tác dụng với nước, acid hay dung dịch kiềm.

Vì sao CO và N2 có nhiều tính chất vật lí giống nhau?

Hai phân tử đẳng electron (cùng 14 electron), cùng có liên kết ba và cùng khối lượng mol 28 g/mol, nên đều là khí không màu, rất bền và khó hóa lỏng.

Vì sao khí CO rất độc?

CO kết hợp với hemoglobin bền hơn oxygen khoảng 200–250 lần, làm máu không còn vận chuyển được oxygen; khí lại không màu, không mùi nên khó phát hiện.