Lớp 11Hóa học

Công thức cấu tạo của NH3 (ammonia): công thức electron, Lewis và hình học

Trả lời nhanh

Công thức cấu tạo của NH3 (ammonia): nguyên tử N ở trung tâm, liên kết với 3 nguyên tử H bằng 3 liên kết đơn N–H (cộng hóa trị phân cực); trên N còn 1 cặp electron chưa liên kết. Phân tử có dạng hình chóp tam giác, góc liên kết H–N–H khoảng 107°, nên NH3 là phân tử phân cực.

Từ cấu hình electron đến công thức cấu tạo NH3

Muốn vẽ đúng công thức cấu tạo, em bắt đầu từ số electron hóa trị của từng nguyên tử. Nitrogen (Z = 7) có cấu hình 1s22s22p3, tức 5 electron lớp ngoài cùng; nó cần thêm 3 electron để đạt octet. Mỗi hydrogen (Z = 1) có 1 electron và cần thêm 1 electron để giống helium.

Vì vậy N góp chung 3 electron với 3 nguyên tử H, tạo 3 cặp electron dùng chung. Hai electron còn lại của N không tham gia liên kết, trở thành cặp electron riêng (cặp electron hóa trị tự do).

  1. Tổng electron hóa trị: 5 (N) + 3 × 1 (H) = 8 electron, tức 4 cặp.
  2. Chọn nguyên tử trung tâm: N (H chỉ tạo được 1 liên kết nên luôn ở ngoài).
  3. Nối liên kết đơn: 3 liên kết N–H dùng hết 3 cặp.
  4. Đặt cặp còn lại lên N: 1 cặp electron riêng; N có đủ 8 electron, mỗi H có 2 electron.

Ba cách biểu diễn NH3

Cách biểu diễn Mô tả
Công thức phân tử NH3 – chỉ cho biết 1 N và 3 H
Công thức electron Mỗi cặp electron dùng chung viết bằng hai dấu chấm giữa N và H; trên N có thêm hai dấu chấm thể hiện cặp electron riêng
Công thức Lewis Mỗi cặp dùng chung thay bằng một gạch nối; cặp electron riêng vẫn giữ dạng hai dấu chấm trên N
Công thức cấu tạo (rút gọn) Chỉ vẽ các gạch nối N–H, thường bỏ cặp electron riêng

Hình dung công thức Lewis như sau (hai dấu chấm là cặp electron riêng):

     ••
 H — N — H
     |
     H

Lưu ý: hình vẽ phẳng chỉ cho biết thứ tự liên kết. Trong không gian, ba nguyên tử H không nằm cùng mặt phẳng với N mà tạo thành đáy của một hình chóp.

Hình học phân tử: vì sao NH3 là hình chóp tam giác?

Quanh N có 4 vùng electron (3 cặp liên kết + 1 cặp riêng). Các vùng này đẩy nhau và phân bố theo hướng tứ diện, giống CH4. Tuy nhiên chỉ 3 đỉnh có nguyên tử H, đỉnh còn lại là cặp electron riêng, nên hình dạng nhìn thấy là chóp tam giác, N ở đỉnh chóp.

Cặp electron riêng chiếm nhiều chỗ hơn cặp liên kết, ép các liên kết N–H lại gần nhau. Do đó góc H–N–H khoảng 107°, nhỏ hơn góc tứ diện 109,5°. Ở chương trình chuyên sâu, trạng thái này được giải thích bằng lai hóa sp3 của nguyên tử N.

Phân tử Số cặp riêng trên nguyên tử trung tâm Hình dạng Góc liên kết (gần đúng)
CH4 0 Tứ diện đều 109,5°
NH3 1 Chóp tam giác 107°
H2O 2 Gấp khúc (chữ V) 104,5°

Mẹo nhớ: thêm một cặp riêng, góc hẹp đi khoảng 2–3 độ (109,5° → 107° → 104,5°).

Từ cấu tạo suy ra tính chất của NH3

Phân tử phân cực, tan rất nhiều trong nước

N có độ âm điện lớn hơn H nên mỗi liên kết N–H phân cực về phía N. Vì phân tử có dạng chóp (không đối xứng), các phân cực không triệt tiêu nhau, NH3 là phân tử phân cực. Ngoài ra NH3 tạo được liên kết hydrogen với nước, nên tan rất nhiều trong nước và dễ hóa lỏng hơn nhiều chất khí có phân tử khối tương đương.

Tính base: nhờ cặp electron riêng

Cặp electron riêng trên N có thể nhận ion H+, tạo ion ammonium NH4+ (dạng tứ diện đều). Đây là nguồn gốc tính base yếu của ammonia:

  • NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH− (dung dịch làm quỳ tím hóa xanh, phenolphthalein hóa hồng)
  • NH3 + HCl → NH4Cl (khí NH3 gặp khí HCl tạo “khói trắng” là tinh thể NH4Cl)

Tính khử: nhờ số oxi hóa −3 của N

Trong NH3, N có số oxi hóa thấp nhất là −3, nên chỉ có thể tăng số oxi hóa, tức NH3 thể hiện tính khử:

  • 4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O (đốt cháy, t°)
  • 4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O (xúc tác Pt, khoảng 850–900 °C; giai đoạn đầu sản xuất nitric acid)
  • 2NH3 + 3CuO → 3Cu + N2 + 3H2O (t°; chất rắn màu đen chuyển dần sang đỏ)

Trong công nghiệp, NH3 được tổng hợp theo phản ứng thuận nghịch: N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 (xúc tác Fe, khoảng 400–450 °C, áp suất 150–200 bar).

Lỗi sai thường gặp

  • Quên cặp electron riêng khi viết công thức electron, dẫn tới N chỉ có 6 electron – sai quy tắc octet.
  • Cho rằng NH3 phẳng tam giác như BF3. BF3 không có cặp riêng trên nguyên tử trung tâm; NH3 có, nên là chóp.
  • Nhầm liên kết trong NH4Cl: giữa NH4+ và Cl− là liên kết ion, còn bên trong ion NH4+ là liên kết cộng hóa trị.
  • Viết tên cũ “amoniac” trong bài thi theo chương trình mới; tên gọi hiện hành là ammonia.

Bài tập vận dụng có lời giải

Bài 1. Trong phân tử NH3 có bao nhiêu cặp electron dùng chung và bao nhiêu cặp electron chưa liên kết?

Đáp án: 3 cặp dùng chung (3 liên kết N–H) và 1 cặp chưa liên kết trên N; tổng 4 cặp ứng với 8 electron hóa trị.

Bài 2. Tính phần trăm khối lượng nitrogen trong NH3 (N = 14, H = 1).

Lời giải: M = 14 + 3 = 17 g/mol; %N = 14/17 × 100% ≈ 82,35%.

Bài 3. Cho 0,3 mol N2 và 1,2 mol H2 vào bình tổng hợp với hiệu suất 25%. Tính khối lượng NH3 thu được.

Lời giải: 0,3 mol N2 cần 0,9 mol H2 < 1,2 mol, nên N2 là chất hết, hiệu suất tính theo N2. Theo lí thuyết thu 0,6 mol NH3; thực tế 0,6 × 25% = 0,15 mol. Khối lượng = 0,15 × 17 = 2,55 g.

Câu hỏi thường gặp

NH3 có mấy liên kết cộng hóa trị?

NH3 có 3 liên kết cộng hóa trị đơn N–H, đều là liên kết phân cực vì N có độ âm điện lớn hơn H; ngoài ra N còn 1 cặp electron chưa liên kết.

Vì sao NH3 có dạng chóp tam giác mà không phẳng?

Quanh N có 4 vùng electron (3 cặp liên kết và 1 cặp riêng) phân bố theo hướng tứ diện. Chỉ 3 đỉnh có H nên hình dạng là chóp tam giác, góc H–N–H khoảng 107°.

Cặp electron riêng của N trong NH3 có vai trò gì?

Cặp electron riêng giúp NH3 nhận ion H+ tạo NH4+, đó là nguyên nhân NH3 có tính base; nó cũng làm góc liên kết nhỏ hơn 109,5° và làm phân tử phân cực.

Bài học liên quan