Đang tải bài học…

AP Chemistry

điện tích hình thức

formal charge

Còn gọi: điện tích quy ước

Điện tích hình thức là đại lượng quy ước đánh giá sự phân bố electron trong cấu trúc phân tử, giả định rằng các cặp electron liên kết được chia đều.

Điện tích hình thức (formal charge) là đại lượng quy ước đánh giá sự phân bố êlectron trong cấu trúc phân tử. Khi vẽ công thức Lewis, thí sinh cần xác định nguyên tử nào mang điện tích dương hoặc âm để tìm ra mô hình bền nhất. Do đó, việc tính toán đại lượng này giúp ích rất nhiều trong việc lựa chọn cấu trúc ưu tiên giữa nhiều khả năng.

Công thức tính điện tích hình thức của một nguyên tử được viết là $FC = V - (L + \frac{B}{2})$ . Trong biểu thức này, $V$ đại diện cho số êlectron hóa trị (valence electrons) của nguyên tử khi đứng một mình, $L$ là số cặp êlectron chưa liên kết (lone pairs), và $B$ là tổng số êlectron đang tham gia liên kết. Nhờ vào giả định rằng mọi cặp êlectron liên kết đều được phân bổ đều cho hai nguyên tử, ta có thể gán một giá trị điện tích cụ thể cho từng vị trí trong phân tử.

Tổng đại số các điện tích hình thức trong một phân tử trung hòa luôn phải bằng không, trong khi ở một ion đa nguyên tử thì nó bằng đúng điện tích của ion đó. Tuy nhiên, cấu trúc có các giá trị điện tích nhỏ nhất và mang dấu âm trên nguyên tử có độ âm điện (electronegativity) lớn nhất thường sẽ bền vững hơn. Vì vậy, công cụ này đóng vai trò như một tiêu chí quan trọng để sàng lọc các mô hình liên kết hợp lý.

Ký hiệuFC, V, L, B

Trực giác: Hãy tưởng tượng hai người cùng góp tiền mua một món đồ chung; điện tích hình thức coi như họ chia đều quyền sở hữu món đồ đó bất kể ai thực sự bỏ ra nhiều tiền hơn.

Công thức

FC = \htmlClass{fp-2}{V - \htmlClass{fp-1}{\left(L + \htmlClass{fp-0}{\frac{S}{2}}\right)}}

Dùng để xác định điện tích trên mỗi nguyên tử trong cấu trúc Lewis, từ đó chọn cấu trúc bền nhất: tổng các điện tích hình thức bằng điện tích toàn phần của phân tử hoặc ion, đồng thời mỗi điện tích riêng lẻ nên gần 0 nhất có thể và điện tích âm ưu tiên nằm trên nguyên tử có độ âm điện lớn hơn.

Trong đó

FC

điện tích hình thức (formal charge) của nguyên tử đang xét

V

số electron hóa trị của nguyên tử cô lập, đọc trực tiếp từ nhóm A trên bảng tuần hoàn

L

tổng số electron không chia (cặp riêng) nằm trên nguyên tử đó trong cấu trúc Lewis

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1916Gilbert N. Lewis

Điện tích hình thức bắt nguồn từ thuyết liên kết của Gilbert N. Lewis (1916), khi liên kết được mô tả là sự dùng chung hai electron giữa hai nguyên tử. Nó ra đời như một cách ghi sổ để theo dõi electron hóa trị (valence electron) đi về đâu trong phân tử.

Khi Lewis đề xuất rằng liên kết hóa học là hai nguyên tử cùng chia sẻ một cặp electron, hóa học lập tức có một câu hỏi kế toán: sau khi ghép cặp xong, mỗi nguyên tử còn "giữ" bao nhiêu electron so với lúc nó đứng riêng? Điện tích hình thức là câu trả lời cho câu hỏi đó, và nó lớn lên cùng khái niệm cộng hưởng (resonance) như một công cụ chọn ra cấu trúc Lewis (Lewis structure) hợp lý nhất. Quy ước tính rất thẳng thắn:

$FC = V - N - \frac{B}{2}$

Trong đó $V$ là số electron hóa trị của nguyên tử trung hòa khi đứng một mình, $N$ là số electron hóa trị không tham gia liên kết, còn $B$ là tổng số electron nằm trong các liên kết. Nhờ đó người ta biết ngay nguyên tử nào đang "thừa" hay "thiếu" electron trên giấy.

Hay hiểu sai

Quên chia đôi electron liên kết là lỗi phổ biến nhất khi tính điện tích hình thức.

Điện tích hình thức không phải số oxi hóa (oxidation number).

Oxygen không phải lúc nào cũng có điện tích hình thức bằng không.

Quy tắc octet có quyền phủ quyết cao hơn tiêu chí điện tích hình thức nhỏ.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Ion nitrate

NO_3^-

có tổng cộng

5 + 3(6) + 1 = 24

electron hóa trị (valence electrons). Cấu trúc Lewis (Lewis structure) thường gặp của ion này có nitrogen ở tâm, nối với một oxygen bằng liên kết đôi và với hai oxygen còn lại bằng liên kết đơn. Trong cấu trúc đó, oxygen của liên kết đôi mang hai cặp electron chưa liên kết (lone pair), còn mỗi oxygen của liên kết đơn mang ba cặp electron chưa liên kết, và mọi nguyên tử đều đủ bát tử.

aTính điện tích hình thức của nitrogen, của oxygen nối đôi và của mỗi oxygen nối đơn, rồi kiểm tra tổng các điện tích hình thức.
bMột học sinh đề xuất cấu trúc có hai liên kết đôi $N=O$ để hạ điện tích hình thức của nitrogen về $0$ . Giải thích vì sao cấu trúc này bị loại.

1Bước 1: Viết lại công thức trước khi thay số:

FC = V - \left(L + \tfrac{1}{2}B\right)

Trong đó

V

là số electron hóa trị của nguyên tử tự do (tra theo số thứ tự nhóm),

L

là số electron chưa liên kết nằm quanh nguyên tử đó, còn

B

là số electron dùng chung trên các liên kết gắn với nó. Ý tưởng của phép trừ này là chia đôi mỗi cặp electron dùng chung cho hai nguyên tử, rồi so sánh phần được chia với số electron mà nguyên tử vốn mang khi còn tự do.

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 “Cộng hưởng và điện tích hình thức” — khoá AP Chemistry

Cần trướcelectron hóa trị

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

số oxi hóa (oxidation number)oxidation number

Khác nhau ở đâuĐiện tích hình thức chia đều electron liên kết cho hai nguyên tử, coi liên kết là cộng hóa trị thuần túy. Số oxi hóa gán toàn bộ electron liên kết cho nguyên tử có độ âm điện lớn hơn.

Hay nhầm khiĐề yêu cầu xác định điện tích mỗi nguyên tử trong công thức Lewis để chọn cấu trúc bền nhất, nhưng thí sinh lại tính số oxi hóa theo quy tắc độ âm điện.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 15, 24, 390.

tổng số electron chia sẻ (electron liên kết) quanh nguyên tử đó

Vì sao mang đúng cái tên này? Chữ "hình thức" trong tên gọi nghe có vẻ chê bai, nhưng đó chính là điểm mấu chốt: đại lượng này là một quy ước hình thức (formalism), không phải điện tích đo được trong thực tế. Nó được tính với giả định rằng electron trong mọi liên kết được chia đều tuyệt đối cho hai nguyên tử, bất kể độ âm điện của chúng chênh nhau bao nhiêu. Vì vậy tên gọi tự nó đã cảnh báo người dùng đừng hiểu con số ấy theo nghĩa đen. Đây cũng là chỗ phân biệt nó với số oxi hóa (oxidation state), vốn đi theo giả định ngược lại là dồn hết electron liên kết cho nguyên tử có độ âm điện lớn hơn; hai cách ghi sổ cùng mô tả một phân tử nhưng cho hai bộ số khác nhau.

Khi hai cấu trúc có cùng tập điện tích hình thức, độ âm điện mới là tiêu chí phân định.

Mẹo phòng thi

Trong phần tự luận, hãy viết ra phép tính điện tích hình thức chứ đừng chỉ ghi kết quả.

Luôn kiểm tra tổng các điện tích hình thức trước khi nộp câu trả lời.

Khi được yêu cầu chọn cấu trúc Lewis tốt nhất, hãy chạy tiêu chí theo đúng thứ tự ưu tiên.

Tần suất trong đề AP ChemistryÍt gặp

2Bước 2: Với nitrogen:

V = 5

, quanh

N

không còn cặp electron chưa liên kết nên

L = 0

, và

N

tham gia một liên kết đôi cùng hai liên kết đơn, tức

4

cặp dùng chung nên

B = 8

. Thay vào:

FC = 5 - (0 + 4) = +1

. Nitrogen đang "cho mượn" nhiều electron hơn phần nó được chia lại, vì vậy mang dấu dương.

3Bước 3: Với oxygen nối đôi:

V = 6

L = 4

(hai cặp),

B = 4

(hai cặp dùng chung), do đó

FC = 6 - (4 + 2) = 0

. Với mỗi oxygen nối đơn:

V = 6

L = 6

(ba cặp),

B = 2

, nên

FC = 6 - (6 + 1) = -1

. Đây chính là dạng nguyên tử mà đề hay hỏi trực tiếp: oxygen có ba cặp electron chưa liên kết và một liên kết đơn luôn cho điện tích hình thức

-1

4Bước 4: Kiểm tra tổng:

(+1) + 0 + (-1) + (-1) = -1

, đúng bằng điện tích thật của ion. Phép kiểm tra này bắt buộc phải làm, vì tổng các điện tích hình thức luôn bằng điện tích của phân tử hay ion; nếu ra khác, chắc chắn đã đếm sai electron ở đâu đó.

5Bước 5: Xét cấu trúc đề xuất với hai liên kết đôi. Khi đó nitrogen có

L = 0

và

B = 10

(

5

cặp dùng chung), nên

FC = 5 - (0 + 5) = 0

— đúng như học sinh mong muốn. Tuy nhiên số electron bao quanh nitrogen lúc này là

10

, trong khi nitrogen thuộc chu kỳ 2 và lớp electron ngoài cùng chỉ có các orbital

2s

và

2p

, chứa tối đa

8

electron.

6Bước 6: Vì vậy phải xếp thứ tự ưu tiên cho đúng: quy tắc bát tử (octet rule) đối với nguyên tố chu kỳ 2 là điều kiện chặn, còn việc hạ điện tích hình thức về gần

0

chỉ là tiêu chí chọn giữa những cấu trúc đã hợp lệ. Một cấu trúc phá vỡ bát tử của nitrogen thì dù có điện tích hình thức đẹp đến đâu cũng bị loại ngay từ đầu.

Trong cấu trúc Lewis chuẩn của $NO_3^-$ , nitrogen có điện tích hình thức $+1$ , oxygen nối đôi có $0$ và mỗi oxygen nối đơn có $-1$ , tổng lại đúng bằng $-1$ là điện tích của ion. Cấu trúc hai liên kết đôi tuy đưa điện tích hình thức của nitrogen về $0$ nhưng buộc nitrogen phải bao quanh mình $10$ electron, vượt quá sức chứa của lớp electron thứ hai, nên bị loại. Nói cách khác, điện tích hình thức chỉ được dùng để so sánh các cấu trúc đều đã thỏa quy tắc bát tử, chứ không được viện ra để biện minh cho một cấu trúc vi phạm nó.

2Ví dụ 2/2

Ion cyanate

OCN^-

có

6 + 4 + 5 + 1 = 16

electron hóa trị và carbon nằm ở giữa. Có thể viết hai cấu trúc trong đó mọi nguyên tử đều đủ bát tử: cấu trúc P là

[\mathrm{O}-\mathrm{C}\equiv\mathrm{N}]^-

với oxygen mang ba cặp electron chưa liên kết và nitrogen mang một cặp; cấu trúc Q là

[\mathrm{O}=\mathrm{C}=\mathrm{N}]^-

với oxygen mang hai cặp và nitrogen mang hai cặp.

aTính điện tích hình thức của từng nguyên tử trong cả hai cấu trúc P và Q.
bCấu trúc nào là mô hình tốt hơn cho ion cyanate? Nêu lý do.

1Bước 1: Xét cấu trúc P. Oxygen:

V = 6

L = 6

B = 2

, nên

FC = 6 - (6 + 1) = -1

. Carbon:

V = 4

L = 0

B = 8

(một liên kết đơn và một liên kết ba, tổng

4

cặp), nên

FC = 4 - (0 + 4) = 0

. Nitrogen:

V = 5

L = 2

B = 6

, nên

FC = 5 - (2 + 3) = 0

2Bước 2: Xét cấu trúc Q. Oxygen:

V = 6

L = 4

B = 4

, nên

FC = 6 - (4 + 2) = 0

. Carbon vẫn có

4

cặp dùng chung nên

FC = 0

. Nitrogen:

V = 5

L = 4

B = 4

, nên

FC = 5 - (4 + 2) = -1

. Tổng trong cả hai trường hợp đều bằng

-1

, khớp với điện tích của ion, nên phép tính không sai chỗ nào.

3Bước 3: Đến đây hai cấu trúc hoàn toàn ngang nhau nếu chỉ nhìn vào độ lớn: cùng tập

\{0, 0, -1\}

, cùng thỏa bát tử, cùng số electron hóa trị. Tiêu chí "điện tích hình thức càng gần

0

càng tốt" không phân biệt được P với Q, nên phải chuyển sang tiêu chí kế tiếp là vị trí của điện tích âm.

4Bước 4: Tiêu chí đó phát biểu rằng điện tích hình thức âm nên nằm trên nguyên tử có độ âm điện (electronegativity) lớn hơn, vì nguyên tử ấy hút mật độ electron mạnh hơn và chịu được phần điện tích âm dôi ra một cách bền hơn. So sánh trong bảng tuần hoàn, oxygen nằm bên phải nitrogen trong cùng chu kỳ nên có độ âm điện lớn hơn. Do đó cấu trúc đặt

-1

lên oxygen được ưu tiên.

Cả hai cấu trúc đều cho tập điện tích hình thức $\{0, 0, -1\}$ và đều giữ bát tử, nhưng cấu trúc P đặt điện tích $-1$ lên oxygen còn cấu trúc Q đặt lên nitrogen. Vì oxygen có độ âm điện lớn hơn nitrogen, cấu trúc P là mô hình tốt hơn cho ion cyanate và là dạng cộng hưởng đóng góp nhiều nhất vào cấu trúc thật. Khi gặp dạng câu hỏi này trong đề, hãy trả lời theo đúng hai nhịp: trước hết so độ lớn điện tích hình thức, khi hòa nhau mới xét xem điện tích âm có nằm đúng trên nguyên tử âm điện hơn hay không.

Liên quancông thức Lewiscặp electron chưa liên kết (sắp có)số oxi hóa

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