Đang tải bài học…

AP Chemistry

công thức Lewis

Lewis diagram

Còn gọi: Lewis structure · cấu trúc Lewis · sơ đồ Lewis · công thức electron

Công thức Lewis là cách biểu diễn phân tử bằng ký hiệu nguyên tố, dấu chấm cho electron hóa trị và gạch nối cho các cặp electron liên kết.

Khi hai nguyên tử phi kim gặp nhau, thứ quyết định chúng gắn với nhau ra sao chính là các điện tử hóa trị ở lớp ngoài cùng. Công thức Lewis là ngôn ngữ hình vẽ để ghi lại điều đó, vì mỗi điện tử hóa trị được vẽ thành một dấu chấm quanh ký hiệu nguyên tố, còn mỗi cặp dùng chung giữa hai nguyên tử được rút gọn thành một gạch nối. Nhờ quy ước đơn giản này, một phân tử (molecule) vốn trừu tượng trở thành hình vẽ đếm được, nên người học có thể kiểm tra tính hợp lý của nó chỉ bằng phép cộng.

Quy trình dựng hình bắt đầu bằng việc đếm tổng số điện tử hóa trị của cả phân tử, cộng thêm điện tích âm hoặc trừ đi điện tích dương nếu đó là ion. Sau đó ta đặt nguyên tử có độ âm điện nhỏ nhất ở trung tâm, nối các nguyên tử biên bằng liên kết đơn, rồi rải phần điện tử còn lại thành các cặp chưa liên kết sao cho mỗi nguyên tử đạt tám điện tử, tức là thỏa mãn quy tắc bát tử, riêng nguyên tử hydrogen chỉ cần hai. Nếu số điện tử không đủ, ta chuyển một cặp chưa liên kết thành liên kết đôi hoặc liên kết ba. Ngược lại, các nguyên tử từ chu kỳ 3 trở xuống như $\mathrm{S}$ hay $\mathrm{P}$ có thể chứa nhiều hơn tám điện tử, cho ra bát tử mở rộng.

Khi nhiều cách vẽ cùng thỏa mãn số điện tử, ta chọn cách hợp lý hơn bằng điện tích hình thức (formal charge):

$FC = V - L - \tfrac{1}{2}B$

trong đó $V$ là số điện tử hóa trị của nguyên tử tự do, $L$ là số điện tử chưa liên kết và $B$ là số điện tử tham gia liên kết của nguyên tử đó. Công thức được ưu tiên là công thức có các $FC$ gần $0$ nhất, và nếu buộc phải có điện tích âm thì điện tích đó nên nằm trên nguyên tử có độ âm điện lớn hơn. Vì vậy, công thức Lewis là bước bắt buộc trước khi suy ra hình học phân tử (molecular geometry), độ phân cực và các cấu trúc cộng hưởng (resonance structure).

Ký hiệu

• $FC = V - L - \tfrac{1}{2}B$
•gạch nối "—" cho một cặp electron liên kết, hai dấu chấm ".." cho một cặp chưa liên kết

Trực giác: Giống như sơ đồ chỗ ngồi trong bữa tiệc: mỗi nguyên tử phải đủ tám ghế quanh mình, ghế nào hai người cùng ngồi thì đó là một liên kết.

Công thức

\text{FC} = \htmlClass{fp-0}{V} - \htmlClass{fp-1}{N_B} - \htmlClass{fp-2}{\frac{B}{2}}

Dùng khi vẽ công thức Lewis để so sánh các cách sắp xếp liên kết khác nhau; cấu trúc có điện tích hình thức (formal charge) gần 0 nhất và điện tích âm nằm trên nguyên tử có độ âm điện lớn hơn là cấu trúc bền nhất.

Trong đó

\text{FC}

Điện tích hình thức của nguyên tử đang xét trong công thức Lewis

V

Số electron hóa trị của nguyên tử tự do (đọc từ bảng tuần hoàn)

N_B

Số electron không liên kết (cặp electron chưa liên kết) trên nguyên tử đang xét

B

Tổng số electron liên kết mà nguyên tử đang xét tham gia

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1916Gilbert N. Lewis

Công thức Lewis do nhà hóa lý Gilbert N. Lewis đề xuất năm 1916 trong bài báo "The Atom and the Molecule", nhằm biểu diễn electron hóa trị và cách các nguyên tử dùng chung electron để tạo liên kết.

Đầu thế kỷ 20, các nhà hóa học đã tích lũy vô số dữ liệu về việc nguyên tử nào kết hợp với nguyên tử nào, nhưng chưa có một cách ghi chung nào diễn tả được bản chất electron của liên kết. Electron được phát hiện năm 1897, rồi các mô hình nguyên tử của Rutherford và Bohr xác nhận electron phân bố quanh hạt nhân; tuy nhiên khoảng cách từ những hiểu biết ấy đến một công cụ thực dụng cho người làm hóa vẫn còn rất xa. Năm 1916, tại Đại học California, Berkeley, Lewis lấp chỗ trống đó bằng một cách vẽ đơn giản đến bất ngờ: chấm các electron hóa trị (valence electrons) quanh ký hiệu nguyên tố. Cùng bài báo ấy, ông trình bày ý tưởng dùng chung electron tạo liên kết cộng hóa trị (covalent bond), chuyển electron tạo liên kết ion, và quy tắc bát tử (octet rule).

Hay hiểu sai

Liên kết đôi chỉ tính là một miền electron, không phải hai.

Cặp electron chưa liên kết vẫn chiếm một miền, dù nó không nối tới nguyên tử nào.

Công thức Lewis giống nhau về hình dạng không có nghĩa là tính base giống nhau.

Vẽ thiếu cặp electron chưa liên kết là mất điểm dù bộ khung liên kết đúng.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Acetone,

C_3H_6O

, là dung môi quen thuộc trong phòng thí nghiệm hữu cơ. Trong phân tử này, một nguyên tử carbon trung tâm liên kết với nguyên tử oxygen và với hai nhóm

-CH_3

; toàn phân tử có 24 electron hóa trị. Một đề tự luận AP đưa ra công thức Lewis của acetone rồi yêu cầu thí sinh phân tích cấu trúc đó và trình bày rõ từng bước lập luận.

aVẽ công thức Lewis của acetone và cho biết trong phân tử có bao nhiêu cặp electron chưa liên kết, chúng nằm ở nguyên tử nào.
bDự đoán góc liên kết $C-C-C$ và góc liên kết $H-C-H$ trong một nhóm methyl, giải thích dựa trên số vùng electron quanh mỗi nguyên tử carbon.
cCho biết số liên kết sigma, số liên kết pi trong phân tử và trạng thái lai hóa của mỗi nguyên tử carbon.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyCấu trúc phân tử & ion · bài “Công thức Lewis” — khoá AP Chemistry

Cần trướcquy tắc octet (sắp có)

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

công thức cấu tạo (structural formula)structural formula

Khác nhau ở đâuCông thức Lewis vẽ mọi electron hóa trị dưới dạng chấm, bao gồm cả cặp chưa liên kết. Công thức cấu tạo chỉ dùng gạch nối thể hiện liên kết giữa các nguyên tử và thường bỏ qua cặp electron chưa liên kết.

Hay nhầm khiĐề yêu cầu vẽ công thức Lewis nhưng thí sinh chỉ vẽ gạch nối mà quên chấm electron, hoặc ngược lại vẽ quá chi tiết khi đề chỉ hỏi công thức cấu tạo.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi đơn giản là lấy theo tên người đề xuất, Gilbert N. Lewis, giống như nhiều công cụ biểu diễn khác trong khoa học. Điều thú vị nằm ở các tên gọi song song vẫn còn dùng trong tài liệu tiếng Anh: "Lewis dot structure" hay "electron dot structure" đều nhấn vào chữ "dot", tức dấu chấm, vì phiên bản ban đầu chỉ gồm những dấu chấm đặt quanh ký hiệu nguyên tố. Lý do của cái chấm ấy nằm ở một mô hình nay đã bị bỏ: Lewis hình dung nguyên tử có dạng khối lập phương với electron nằm ở các đỉnh, hai khối chung một cạnh thì thành liên kết đơn, chung một mặt thì thành liên kết đôi. Vì mô hình khối lập phương không giải thích nổi liên kết ba, phần hình học bị loại bỏ, nhưng những dấu chấm thì ở lại. Về sau người ta thêm gạch nối thay cho cặp electron dùng chung, còn cặp không tham gia liên kết vẫn giữ dạng hai chấm — nay gọi là cặp electron chưa liên kết (lone pair).

Mẹo phòng thi

Trước khi nói góc liên kết, hãy viết ra số miền electron quanh nguyên tử được hỏi.

Đọc kỹ đề hỏi nguyên tử nào, đừng mặc định là nguyên tử ở giữa hình vẽ.

Khi so sánh hai chất, câu trả lời phải có từ "vì" và một đại lượng cụ thể.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Bước 1: Trước hết ta kiểm tra lại số electron hóa trị mà đề cho, vì mọi bước sau đều dựa trên con số này. Carbon thuộc nhóm 14 nên đóng góp 4 electron mỗi nguyên tử, hydrogen đóng góp 1, còn oxygen thuộc nhóm 16 đóng góp 6:

3(4)+6(1)+1(6)=24

. Vậy công thức Lewis hoàn chỉnh phải chứa đúng 12 cặp electron, không hơn không kém.

2Bước 2: Tiếp theo ta dựng khung phân tử. Carbon có khả năng tạo bốn liên kết nên đóng vai trò nguyên tử trung tâm, còn hydrogen luôn nằm ở vị trí ngoài cùng vì chỉ tạo được một liên kết. Khung

CH_3-C(-O)-CH_3

chứa 6 liên kết

C-H

và 2 liên kết

C-C

, tức 8 cặp dùng chung, tiêu tốn 16 electron và còn dư 8 electron cho nguyên tử oxygen.

3Bước 3: Nếu đặt cả 8 electron còn lại lên oxygen dưới dạng một liên kết đơn

C-O

cộng ba cặp electron chưa liên kết (lone pair), thì nguyên tử carbon trung tâm chỉ có 6 electron quanh nó và chưa đạt octet. Do đó ta chuyển một cặp electron của oxygen vào vùng liên kết, tạo thành liên kết đôi

C=O

. Kết quả là oxygen giữ lại 2 cặp electron chưa liên kết, và đây là hai cặp duy nhất trong toàn phân tử vì mọi electron của carbon và hydrogen đều đã tham gia liên kết.

4Bước 4: Để chắc chắn cấu trúc vừa dựng là hợp lý nhất, ta tính điện tích hình thức (formal charge) theo

\mathrm{FC}=V-L-\tfrac{1}{2}B

, trong đó

V

là số electron hóa trị của nguyên tử tự do,

L

là số electron không liên kết và

B

là số electron dùng chung. Với oxygen:

6-4-\tfrac{1}{2}(4)=0

; với carbon trung tâm:

4-0-\tfrac{1}{2}(8)=0

. Mọi nguyên tử đều mang điện tích hình thức bằng 0, nên đây chính là công thức Lewis được chấp nhận.

5Bước 5: Sang phần hình học, ta đếm số vùng electron quanh từng nguyên tử carbon theo mô hình VSEPR. Carbon carbonyl có ba vùng (hai liên kết đơn

C-C

và một liên kết đôi

C=O

, liên kết đôi vẫn tính là một vùng), nên ba nguyên tử xung quanh sắp xếp phẳng tam giác và góc

C-C-C

xấp xỉ

120^\circ

. Ngược lại, mỗi carbon của nhóm methyl có bốn vùng electron, dạng tứ diện, nên góc

H-C-H

xấp xỉ

109{,}5^\circ

6Bước 6: Cuối cùng ta đếm liên kết. Mỗi liên kết đơn là một liên kết sigma, còn liên kết đôi gồm một sigma và một pi, nên tổng cộng có

6+2+1=9

liên kết sigma và đúng 1 liên kết pi. Vì lai hóa (hybridization) được quyết định bởi số vùng electron, carbon carbonyl với ba vùng là

\mathrm{sp}^2

, còn hai carbon methyl với bốn vùng là

\mathrm{sp}^3

Công thức Lewis của acetone gồm khung $(CH_3)_2C=O$ với 9 liên kết sigma, 1 liên kết pi và 2 cặp electron chưa liên kết đều nằm trên nguyên tử oxygen, tổng cộng đúng 12 cặp ứng với 24 electron hóa trị. Vì carbon carbonyl có ba vùng electron còn carbon methyl có bốn vùng, phân tử vừa có phần phẳng tam giác với góc $C-C-C \approx 120^\circ$ ( $\mathrm{sp}^2$ ), vừa có phần tứ diện với góc $H-C-H \approx 109{,}5^\circ$ ( $\mathrm{sp}^3$ ).

2Ví dụ 2/2

Công thức Lewis của hai base yếu

NH_3

và

NF_3

được cho trong đề. Cả hai phân tử đều có nguyên tử nitrogen ở trung tâm liên kết với ba nguyên tử giống nhau, và đề yêu cầu thí sinh dựa trên chính hai công thức Lewis đó để dự đoán phân tử nào là base mạnh hơn kèm lý do phù hợp.

1Bước 1: Ta dựng lại từng công thức Lewis để thấy rõ điểm giống nhau. Với

NH_3

, số electron hóa trị là

5+3(1)=8

, tương ứng 4 cặp: ba cặp tạo liên kết

N-H

và một cặp còn lại nằm trên nitrogen. Vậy nitrogen đạt octet và giữ đúng một cặp electron chưa liên kết.

2Bước 2: Với

NF_3

, số electron hóa trị lớn hơn nhiều:

5+3(7)=26

, tức 13 cặp. Ba cặp dùng cho ba liên kết

N-F

, chín cặp phân bố đều cho ba nguyên tử fluorine (mỗi nguyên tử ba cặp), và cặp thứ mười ba nằm trên nitrogen. Như vậy hai phân tử hoàn toàn giống nhau ở chỗ then chốt: mỗi phân tử đều có một cặp electron chưa liên kết trên nitrogen và đều có dạng chóp tam giác.

3Bước 3: Vì tính base ở đây là khả năng dùng cặp electron đó để nhận proton, sự khác biệt phải nằm ở chỗ cặp electron ấy sẵn sàng đến mức nào. Ta so sánh độ âm điện (electronegativity): hydrogen kém âm điện hơn nitrogen, còn fluorine là nguyên tố âm điện mạnh nhất và vượt xa nitrogen. Do đó trong

NH_3

mật độ electron bị kéo về phía nitrogen, còn trong

NF_3

ba liên kết

N-F

lại kéo mật độ electron ra xa nitrogen.

4Bước 4: Hệ quả của hiệu ứng hút electron (electron-withdrawing effect) là cặp electron chưa liên kết trên nitrogen của

NF_3

bị giữ chặt hơn và kém khả dụng hơn khi tấn công proton. Vì vậy phương án đúng phải là

NH_3

mạnh hơn

NF_3

, với lý do dựa trên độ âm điện của nguyên tử gắn vào nitrogen chứ không phải dựa trên số cặp electron chưa liên kết, bởi hai phân tử có cùng một cặp như nhau.

Cả $NH_3$ và $NF_3$ đều có đúng một cặp electron chưa liên kết trên nitrogen, nên khác biệt về tính base không đến từ số cặp mà từ môi trường quanh nitrogen. Vì fluorine âm điện mạnh hút mật độ electron ra khỏi nguyên tử trung tâm, cặp electron của $NF_3$ khó nhường cho proton hơn; do đó $NH_3$ là base mạnh hơn $NF_3$ .

Liên quanelectron hóa trị điện tích hình thứccấu trúc cộng hưởng (sắp có)

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.