Đang tải bài học…

AP Chemistry

hình học phân tử

molecular geometry

Còn gọi: dạng hình học phân tử · cấu trúc hình học · molecular shape

Hình học phân tử là sự sắp xếp không gian ba chiều của các nguyên tử trong phân tử, chỉ tính vị trí nguyên tử, không tính cặp electron tự do.

Hình học phân tử (molecular geometry) mô tả cách các nguyên tử trong một phân tử phân bố quanh nguyên tử trung tâm trong không gian ba chiều. Để xác định hình dạng này, người ta thường bắt đầu từ công thức Lewis, đếm số vùng mật độ electron — bao gồm cả liên kết và cặp electron tự do — rồi áp dụng mô hình đẩy cặp electron hóa trị (valence electrons) để tìm cấu hình electron. Tuy nhiên, hình học phân tử chỉ mô tả vị trí của các nguyên tử, không tính cặp electron tự do — đây là điểm khác biệt quan trọng so với hình học electron.

Vị trí của các cặp electron tự do ảnh hưởng trực tiếp đến góc liên kết (bond angle) và hình dạng cuối cùng. Một phân tử như $\text{NH}_3$ có bốn vùng mật độ electron xung quanh nitơ, nhưng vì một trong số đó là cặp tự do, hình học phân tử là hình tháp tam giác chứ không phải tứ diện (tetrahedral). Do đó, cùng một số vùng electron có thể cho ra các hình dạng phân tử khác nhau tùy theo số cặp tự do. Góc liên kết trong $\text{NH}_3$ bị thu hẹp xuống còn khoảng $107{,}3°$ so với góc tứ diện lý tưởng $109{,}5°$ , vì cặp tự do chiếm không gian nhiều hơn cặp liên kết.

Hình học phân tử quyết định nhiều tính chất vật lý và hóa học quan trọng. Một phân tử có hình dạng đối xứng như $\text{CO}_2$ (thẳng) hay $\text{CCl}_4$ (tứ diện) sẽ không phân cực dù các liên kết riêng lẻ là phân cực, vì các vectơ mômen lưỡng cực triệt tiêu nhau. Ngược lại, $\text{H}_2\text{O}$ có hình chữ V (góc $104{,}5°$ ) nên các mômen không triệt tiêu, tạo ra phân tử phân cực (polar molecule) — và chính sự phân cực này giải thích nhiệt độ (temperature) sôi bất thường cao của nước so với các phân tử cùng khối lượng mol.

Trực giác: Hình học phân tử giống như bản đồ chỗ ngồi trong rạp chiếu phim: bạn chỉ đánh dấu chỗ có người ngồi thật sự, không đánh dấu ghế trống — dù ghế trống vẫn chiếm chỗ và ảnh hưởng đến khoảng cách giữa mọi người.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1939–1957Ryutaro TsuchidaNevil SidgwickHerbert Marcus PowellRonald GillespieRonald Sydney Nyholm

Thử nghiệm tương tác

Xoay phân tử NH₃ — tìm chỗ cặp electron chưa liên kết ngồi mà không được gọi tên

Hay hiểu sai

Hình học phân tử không phải hình học miền electron; nó chỉ mô tả vị trí các nguyên tử.

Bốn nhóm quanh nguyên tử trung tâm chỉ cho hình tứ diện khi không có cặp electron tự do.

Liên kết đôi và liên kết ba chỉ tính là một miền electron, không phải hai hay ba.

Không phải mọi phân tử tứ diện đều có góc $109.5^\circ$ ; cặp electron tự do làm góc nhỏ đi.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Ba phân tử

\text{CH}_4

\text{NH}_3

và

\text{H}_2\text{O}

đều có nguyên tử trung tâm thuộc chu kỳ 2 và đều được bao quanh bởi bốn miền electron. Thực nghiệm đo được góc liên kết lần lượt là

109{,}5^\circ

107^\circ

và

104{,}5^\circ

aXác định hình dạng phân tử của $\text{CH}_4$ quanh nguyên tử carbon trung tâm.
bGiải thích vì sao góc liên kết giảm dần theo thứ tự $\text{CH}_4 > \text{NH}_3 > \text{H}_2\text{O}$ dù cả ba đều có bốn miền electron.

1Bước 1: Trước hết ta viết công thức Lewis để đếm số electron hóa trị quanh nguyên tử trung tâm. Carbon có 4 electron hóa trị và tạo 4 liên kết đơn với 4 nguyên tử hydrogen, nên tổng số electron hóa trị là

4 + 4(1) = 8

, vừa đủ cho 4 cặp liên kết và không còn cặp electron riêng nào. Do đó quanh carbon có 4 miền electron, tất cả đều là miền liên kết.

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 “Thuyết VSEPR và lai hóa” — khoá AP Chemistry

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

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 11, 16, 112.

Ý tưởng gắn hình dạng của phân tử với số cặp electron hóa trị (valence electron pairs) quanh nguyên tử trung tâm được Ryutaro Tsuchida nêu ra ở Nhật Bản năm 1939, và đến năm 1957 thì Ronald Gillespie cùng Ronald Nyholm nâng nó thành một lý thuyết đủ chi tiết để chọn giữa các hình dạng khả dĩ khác nhau.

Từ rất sớm, các nhà hóa học đã tin rằng vật chất gồm những cụm hạt gắn kết với nhau, một giả thuyết mà Robert Boyle đưa ra trong chuyên luận năm 1661 của ông; đến năm 1833, Marc Antoine Auguste Gaudin còn dùng "biểu đồ thể tích" để vẽ ra hình dạng phân tử, dù hình nước ông vẽ khi ấy là đường thẳng nên chưa đúng. Vấn đề còn lại là làm sao đoán trước được hình dạng thật thay vì mô tả sau. Do đó, khi Tsuchida rồi Nevil Sidgwick và Herbert Powell chỉ ra mối liên hệ giữa hình dạng và số cặp electron, bài toán chuyển thành đếm cặp electron. Gillespie và Nyholm hoàn thiện hướng đi này vào năm 1957.

Vì sao mang đúng cái tên này? Chữ "hình học" trong tên gọi không hề là ẩn dụ: khái niệm này nói đúng về cách các nguyên tử được sắp đặt trong không gian ba chiều, tức là góc liên kết và hình khối mà phân tử tạo ra. Công cụ dự đoán hình dạng ấy có tên đầy đủ là lý thuyết đẩy giữa các cặp electron lớp vỏ hóa trị (valence shell electron pair repulsion), viết tắt thành VSEPR — tên gọi chính là phát biểu rút gọn của nguyên lý: các cặp electron hóa trị quanh một nguyên tử đẩy nhau, nên chúng tự xếp sao cho xa nhau nhất, và chính cách xếp đó quyết định hình dạng. Ngoài ra lý thuyết còn được gọi bằng tên hai nhóm tác giả: Gillespie–Nyholm theo hai người phát triển chính, và Sidgwick–Powell theo công trình sớm hơn.

Xoay phân tử NH₃ — tìm chỗ cặp electron chưa liên kết ngồi mà không được gọi tên

Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.

Tạo tài khoản miễn phí

Vẽ cấu trúc Lewis trước, đừng đoán hình dạng ngay từ công thức phân tử.

Gọi tên hình bằng đúng thuật ngữ tiếng Anh chuẩn; mô tả tự chế không được tính điểm.

Câu tự luận phải nêu lý do: số miền electron, cặp tự do, rồi mới kết luận hình.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

2Bước 2: Theo mô hình đẩy cặp electron hóa trị (VSEPR — valence shell electron pair repulsion), bốn miền electron sẽ tự sắp xếp sao cho càng xa nhau càng tốt trong không gian, và cấu hình tối ưu là bốn đỉnh của một tứ diện đều. Vì vậy hình học miền electron (electron-domain geometry) của

\text{CH}_4

là tứ diện. Do cả bốn miền đều là liên kết, hình dạng phân tử trùng với hình học miền electron:

\text{CH}_4

có dạng tứ diện đều với góc liên kết lý thuyết

109{,}5^\circ

. Đây chính là đáp án của ý (a).

3Bước 3: Sang ý (b), ta so sánh số cặp electron riêng trên nguyên tử trung tâm. Nitrogen trong

\text{NH}_3

có 5 electron hóa trị, dùng 3 cho liên kết nên còn 1 cặp riêng; oxygen trong

\text{H}_2\text{O}

có 6 electron hóa trị, dùng 2 cho liên kết nên còn 2 cặp riêng. Cả ba phân tử vẫn có 4 miền electron, nhưng số miền là cặp riêng tăng dần

0 \to 1 \to 2

4Bước 4: Cặp electron riêng chỉ bị hút bởi một hạt nhân nên đám mây của nó phình rộng hơn cặp liên kết, do đó đẩy các cặp liên kết mạnh hơn và ép góc giữa chúng nhỏ lại. Cứ thêm một cặp riêng thì góc liên kết bị nén thêm vài độ, giải thích chuỗi

109{,}5^\circ \to 107^\circ \to 104{,}5^\circ

. Đồng thời hình dạng phân tử cũng đổi theo:

\text{NH}_3

là tháp tam giác (trigonal pyramidal) và

\text{H}_2\text{O}

là gấp khúc (bent), vì khi mô tả hình dạng ta chỉ tính vị trí các nguyên tử chứ không tính cặp electron riêng.

Quanh carbon trung tâm, $\text{CH}_4$ có hình dạng tứ diện đều với góc $109{,}5^\circ$ , do bốn miền electron đều là liên kết. Khi thay carbon bằng nitrogen rồi oxygen, số cặp electron riêng tăng từ 0 lên 1 rồi 2; các cặp riêng chiếm nhiều không gian hơn và đẩy mạnh hơn nên nén góc liên kết xuống còn $107^\circ$ ở $\text{NH}_3$ và $104{,}5^\circ$ ở $\text{H}_2\text{O}$ , đồng thời làm hình dạng phân tử chuyển từ tứ diện sang tháp tam giác rồi gấp khúc.

2Ví dụ 2/2

Lưu huỳnh thuộc nhóm 16 của bảng tuần hoàn và tạo được hai oxide quen thuộc là

\text{SO}_2

và

\text{SO}_3

. Tổng số electron hóa trị của

\text{SO}_2

là 18, của

\text{SO}_3

là 24.

aXác định hình dạng phân tử của $\text{SO}_2$ và $\text{SO}_3$ quanh nguyên tử lưu huỳnh.
bCho biết phân tử nào phân cực, phân tử nào không phân cực, và giải thích dựa trên hình học phân tử.

1Bước 1: Với

\text{SO}_2

, ta kiểm tra lại số electron:

6 + 2(6) = 18

electron, tức 9 cặp. Cấu trúc

\text{O}=\text{S}=\text{O}

dùng 8 electron cho hai liên kết đôi, mỗi oxygen giữ 2 cặp riêng (tổng 8 electron), còn lại đúng 1 cặp riêng đặt trên lưu huỳnh:

8 + 8 + 2 = 18

, khớp với số đã cho. Vậy quanh lưu huỳnh có 2 miền liên kết và 1 cặp riêng, tức 3 miền electron.

2Bước 2: Ba miền electron sắp xếp thành tam giác phẳng với góc lý tưởng

120^\circ

. Tuy nhiên chỉ có hai miền gắn với nguyên tử, nên hình dạng phân tử của

\text{SO}_2

là gấp khúc, với góc thực đo được khoảng

119^\circ

— nhỏ hơn

120^\circ

một chút vì cặp electron riêng đẩy mạnh hơn cặp liên kết.

3Bước 3: Với

\text{SO}_3

, tổng electron hóa trị là

6 + 3(6) = 24

, tức 12 cặp. Ba liên kết đôi

\text{S}=\text{O}

chiếm 12 electron, ba nguyên tử oxygen giữ 12 electron còn lại dưới dạng cặp riêng, nên lưu huỳnh không còn cặp riêng nào. Quanh lưu huỳnh chỉ có 3 miền liên kết, do đó hình dạng phân tử trùng với hình học miền electron và

\text{SO}_3

là tam giác phẳng với góc đúng

120^\circ

4Bước 4: Sang ý (b), cả hai phân tử đều có liên kết

\text{S}-\text{O}

phân cực vì oxygen âm điện hơn lưu huỳnh, nên câu trả lời phải dựa vào hình dạng chứ không dựa vào bản chất liên kết. Ở

\text{SO}_3

, ba vector phân cực hướng ra ba đỉnh của tam giác đều và triệt tiêu nhau, cho mômen lưỡng cực (dipole moment) tổng bằng 0, nên phân tử không phân cực. Ngược lại, ở

\text{SO}_2

hai vector không đối xứng qua tâm mà chụm về một phía do phân tử gấp khúc, nên chúng cộng lại thành một vector khác 0 và phân tử phân cực.

$\text{SO}_2$ có 3 miền electron gồm 2 miền liên kết và 1 cặp riêng nên mang hình dạng gấp khúc, góc khoảng $119^\circ$ ; $\text{SO}_3$ có 3 miền liên kết và không có cặp riêng nên là tam giác phẳng với góc $120^\circ$ . Chính sự khác biệt hình học này quyết định tính phân cực: các liên kết phân cực trong $\text{SO}_3$ triệt tiêu nhau nhờ đối xứng nên phân tử không phân cực, còn trong $\text{SO}_2$ chúng không triệt tiêu nên phân tử phân cực.