Công thức cấu tạo của CO2: O=C=O – cách viết và giải thích chi tiết
Lớp 10Hóa học

Công thức cấu tạo của CO2: O=C=O – cách viết và giải thích chi tiết

Trả lời nhanh

Công thức cấu tạo đúng của CO2 là O=C=O. Nguyên tử C ở giữa tạo hai liên kết đôi với hai nguyên tử O, mỗi nguyên tử đều đạt cấu hình bát tử. Phân tử có dạng đường thẳng (góc liên kết 180°) nên là phân tử không phân cực, dù mỗi liên kết C=O đều phân cực.

Công thức phân tử, công thức electron và công thức cấu tạo của CO2

Ba loại công thức này hay bị nhầm với nhau, nên em hãy phân biệt rõ ngay từ đầu.

Loại công thức Cách viết với CO2 Cho biết điều gì?
Công thức phân tử CO2 Thành phần nguyên tố, số nguyên tử mỗi loại
Công thức electron :Ö::C::Ö: (mỗi O còn 2 cặp electron riêng, giữa C và mỗi O có 2 cặp electron chung) Toàn bộ electron hoá trị, kể cả cặp electron không liên kết
Công thức Lewis / cấu tạo O=C=O Mỗi cặp electron chung được thay bằng một gạch nối

Khi đề hỏi “công thức cấu tạo”, em chỉ cần vẽ các gạch nối giữa các nguyên tử. Nếu đề yêu cầu “công thức Lewis” thì phải vẽ thêm các cặp electron riêng trên nguyên tử O.

Vì sao CO2 có công thức O=C=O?

Ta suy ra công thức bằng cách đếm electron hoá trị và áp dụng quy tắc octet (bát tử).

  1. Đếm electron hoá trị. Carbon (Z = 6, cấu hình 1s22s22p2) có 4 electron hoá trị. Oxygen (Z = 8, cấu hình 1s22s22p4) có 6 electron hoá trị. Tổng của phân tử: 4 + 2 × 6 = 16 electron, tức 8 cặp.
  2. Chọn nguyên tử trung tâm. Carbon ở giữa vì nó cần nhiều electron hơn để đạt octet (cần thêm 4), còn O chỉ cần thêm 2 và thường không đứng giữa.
  3. Nối bằng liên kết đơn. O–C–O dùng hết 2 cặp, còn lại 6 cặp. Chia cho mỗi O 3 cặp riêng thì mỗi O đủ 8 electron, nhưng C mới chỉ có 4 electron.
  4. Chuyển cặp riêng thành cặp chung. Mỗi O đưa một cặp riêng vào giữa tạo thêm liên kết với C. Kết quả là O=C=O: C có 4 cặp chung (8 electron), mỗi O có 2 cặp chung và 2 cặp riêng (8 electron).

Kiểm tra lại: 4 cặp chung + 4 cặp riêng = 8 cặp = 16 electron, khớp với bước 1. Hoá trị của C là IV, của O là II, đúng với quy tắc hoá trị.

Công thức Lewis của CO2 với hai liên kết đôi C=O, bốn cặp electron riêng trên hai nguyên tử O và góc liên kết 180 độ
Công thức Lewis của CO2: phân tử thẳng, hai liên kết đôi, mỗi nguyên tử O còn hai cặp electron riêng.

Loại trừ các cách viết sai

Cách viết Sai ở đâu?
O–C–O C chỉ có 2 liên kết đơn, tức 4 electron quanh nó, chưa đạt octet; hoá trị C chỉ là II
O=C–O Hai nguyên tử O không tương đương, nhưng thực nghiệm cho thấy hai liên kết C–O giống hệt nhau; một O còn thiếu electron
C=O=O O ở giữa phải tạo 4 liên kết, trong khi hoá trị của O chỉ là II
O≡C–O hoặc C≡O–O Không cân bằng electron, vượt hoặc thiếu octet ở một nguyên tử

Đặc điểm liên kết trong phân tử CO2

  • Loại liên kết: liên kết cộng hoá trị. Độ âm điện của C là 2,55 và của O là 3,44, hiệu bằng 0,89 nên mỗi liên kết C=O là liên kết cộng hoá trị phân cực (cặp electron lệch về phía O).
  • Số liên kết σ và π: mỗi liên kết đôi gồm 1 liên kết σ và 1 liên kết π. Vậy CO2 có 2 liên kết σ và 2 liên kết π.
  • Lai hoá: nguyên tử C lai hoá sp. Hai orbital lai hoá nằm trên một đường thẳng tạo hai liên kết σ với O, còn hai orbital p không lai hoá của C tạo hai liên kết π.
  • Hình học: theo thuyết VSEPR, C có 2 vùng electron liên kết và không có cặp riêng (dạng AX2) nên phân tử thẳng, góc O–C–O = 180°.
  • Độ dài và độ bền: độ dài liên kết C=O khoảng 116 pm, ngắn hơn liên kết đôi C=O trong nhiều hợp chất hữu cơ; liên kết khá bền nên CO2 khó bị phân huỷ nhiệt.

Vì sao CO2 không phân cực?

Mỗi liên kết C=O có một vectơ momen lưỡng cực hướng về phía O. Do phân tử thẳng và đối xứng, hai vectơ này bằng nhau về độ lớn nhưng ngược chiều nên triệt tiêu, tổng momen lưỡng cực bằng 0. Vì vậy CO2 là phân tử không phân cực.

Điều này giải thích vì sao CO2 tan ít trong nước (khoảng 1 thể tích khí trong 1 thể tích nước ở điều kiện thường) và dễ thăng hoa thành “nước đá khô” ở –78,5 °C dưới áp suất thường. Lực hút giữa các phân tử chỉ là lực van der Waals yếu.

Liên hệ tính chất hoá học với cấu tạo

Nguyên tử C trong CO2 mang một phần điện tích dương (δ+), nên bị tác nhân nucleophile như ion OH– tấn công. Đây là lý do CO2 là oxide acid:

  • CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + H2O. Hiện tượng: nước vôi trong bị vẩn đục màu trắng. Đây là phản ứng nhận biết CO2.
  • CO2 + 2NaOH → Na2CO3 + H2O (khi NaOH dư); CO2 + NaOH → NaHCO3 (khi CO2 dư).
  • CaCO3 + CO2 + H2O → Ca(HCO3)2. Hiện tượng: kết tủa tan dần khi sục CO2 dư.
  • CO2 + H2O ⇌ H2CO3, một acid yếu, không bền.

Carbon đã ở số oxi hoá cao nhất (+4) nên CO2 chỉ thể hiện tính oxi hoá, ví dụ: CO2 + 2Mg → 2MgO + C (đun nóng, Mg cháy trong khí CO2, tạo chất rắn trắng và muội đen). Vì thế không dùng CO2 để dập đám cháy kim loại mạnh như Mg.

So sánh nhanh CO2 với CO, SO2, CS2

Chất Công thức cấu tạo Hình dạng Phân cực?
CO2 O=C=O Thẳng, 180° Không
CS2 S=C=S Thẳng Không
SO2 O=S→O (hoặc O=S=O) Gấp khúc (S còn một cặp electron riêng) Có
CO C≡O (biểu diễn có liên kết cho – nhận) Phân tử hai nguyên tử Phân cực yếu

Mẹo nhớ: “Giữa C, hai bên O – tay phải tay trái đều đôi, thẳng hàng như cây thước.” Phân tử có nguyên tử trung tâm không còn cặp electron riêng và hai nguyên tử giống nhau ở hai bên thì thường thẳng và không phân cực.

Lỗi sai thường gặp

  • Viết O–C–O vì nghĩ “mỗi nguyên tử một gạch”. Hãy luôn đếm electron quanh C, phải đủ 8.
  • Vẽ phân tử CO2 gấp khúc giống H2O. H2O gấp khúc vì O còn 2 cặp electron riêng, còn C trong CO2 không có cặp riêng.
  • Cho rằng liên kết phân cực thì phân tử chắc chắn phân cực. Phải xét thêm hình dạng và tính đối xứng.
  • Quên cặp electron riêng trên O khi đề yêu cầu công thức Lewis.

Bài luyện tập có đáp án

Bài 1. Viết công thức cấu tạo của CS2 và cho biết hình dạng phân tử.

Đáp án: S cùng nhóm VIA với O nên có 6 electron hoá trị. Tổng electron hoá trị: 4 + 12 = 16, giống CO2. Công thức cấu tạo: S=C=S, phân tử thẳng, không phân cực.

Bài 2. Trong phân tử CO2 có bao nhiêu liên kết σ, bao nhiêu liên kết π, bao nhiêu cặp electron không liên kết?

Đáp án: 2 liên kết σ, 2 liên kết π; có 4 cặp electron không liên kết (mỗi nguyên tử O có 2 cặp).

Bài 3. Vì sao SO2 là phân tử phân cực còn CO2 thì không, dù cả hai đều có công thức dạng AO2?

Đáp án: Nguyên tử S trong SO2 còn một cặp electron riêng nên phân tử gấp khúc (góc khoảng 119°). Hai vectơ momen lưỡng cực của hai liên kết S–O không triệt tiêu nhau. Trong CO2, C không còn cặp electron riêng nên phân tử thẳng và các vectơ triệt tiêu.

Bài 4. Sục 0,1 mol CO2 vào dung dịch chứa 0,1 mol Ca(OH)2. Tính khối lượng kết tủa (Ca = 40, C = 12, O = 16).

Đáp án: CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + H2O, tỉ lệ 1 : 1 nên hai chất phản ứng vừa đủ, thu được 0,1 mol CaCO3, khối lượng = 0,1 × 100 = 10 g.

Câu hỏi thường gặp

Công thức cấu tạo đúng của CO2 là gì?

Công thức cấu tạo đúng của CO2 là O=C=O. Nguyên tử carbon ở giữa tạo hai liên kết đôi với hai nguyên tử oxygen, phân tử có dạng đường thẳng.

CO2 có phân cực không?

Không. Mỗi liên kết C=O phân cực, nhưng phân tử thẳng và đối xứng nên hai momen lưỡng cực triệt tiêu nhau, tổng momen bằng 0.

Trong phân tử CO2 có bao nhiêu liên kết σ và π?

Có 2 liên kết σ và 2 liên kết π, vì mỗi liên kết đôi C=O gồm một liên kết σ và một liên kết π.

Vì sao CO2 là phân tử thẳng còn H2O lại gấp khúc?

Carbon trong CO2 không còn cặp electron riêng nên hai liên kết đẩy nhau xa nhất, tạo góc 180°. Oxygen trong H2O còn hai cặp electron riêng đẩy các liên kết lại gần nhau, nên phân tử gấp khúc, góc khoảng 104,5°.

Bài học liên quan