Đang tải bài học…

AP Chemistry

mô hình lực đẩy giữa các cặp electron hóa trị

valence-shell electron-pair repulsion model

Còn gọi: VSEPR

Mô hình lực đẩy giữa các cặp electron hóa trị là mô hình dự đoán hình dạng phân tử do các cặp electron quanh nguyên tử trung tâm đẩy nhau xa nhất.

Công thức Lewis cho biết nguyên tử nào nối với nguyên tử nào, nhưng không cho biết phân tử ấy sắp xếp trong không gian ra sao. Mô hình lực đẩy giữa các cặp electron hóa trị lấp đầy khoảng trống này bằng một nguyên lý đơn giản: các vùng electron hóa trị quanh nguyên tử trung tâm đều mang điện tích âm nên đẩy nhau, do đó chúng tự sắp xếp để khoảng cách góc giữa chúng là lớn nhất. Mỗi vùng như vậy được gọi là một miền electron (electron domain), và điểm đáng chú ý là một liên kết đôi hay ba vẫn chỉ tính là một miền, hoàn toàn giống như một liên kết đơn.

Từ số miền electron, ta suy ra ngay khung hình học của phân tử. Hai miền tạo thành đường thẳng với góc $180^\circ$ , ba miền tạo thành tam giác phẳng với góc $120^\circ$ , và bốn miền tạo thành tứ diện với góc $109{,}5^\circ$ . Ký hiệu thường gặp trong đề thi là $\mathrm{AX}_n\mathrm{E}_m$ , trong đó $\mathrm{A}$ là nguyên tử trung tâm (central atom), $\mathrm{X}$ là nguyên tử liên kết, và $\mathrm{E}$ là cặp electron tự do; tổng $n+m$ chính là số miền quyết định khung hình học.

Tuy nhiên, hình dạng phân tử chỉ xét vị trí các nguyên tử chứ không tính các cặp electron tự do. Vì vậy, $\mathrm{NH_3}$ có khung tứ diện nhưng được mô tả là hình chóp tam giác, còn $\mathrm{H_2O}$ có dạng gấp khúc. Hơn nữa, do cặp electron tự do chỉ bị hút bởi một hạt nhân nên nó chiếm không gian lớn hơn và đẩy mạnh hơn cặp electron liên kết, khiến góc liên kết thực tế nhỏ hơn giá trị lý tưởng, cụ thể là khoảng $107^\circ$ ở $\mathrm{NH_3}$ và $104{,}5^\circ$ ở $\mathrm{H_2O}$ .

Nhờ đó, mô hình này trở thành bước bắt buộc trước khi xét tính phân cực của một chất. Thật vậy, chỉ khi biết hình dạng phân tử, ta mới có thể cộng các vectơ mômen lưỡng cực. Từ đó, ta kết luận phân tử có tính phân cực (polar) hay không.

Ký hiệu

• $\mathrm{AX}_n\mathrm{E}_m$
•góc liên kết ký hiệu $\theta$

Đơn vị

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

thuyết orbital phân tử (molecular-orbital theory)molecular-orbital theory

Khác nhau ở đâuVSEPR chỉ dự đoán hình học từ lực đẩy tĩnh điện, không giải thích liên kết. Thuyết orbital phân tử giải thích liên kết bằng sự xen phủ orbital và tiên đoán tính chất từ.

Hay nhầm khiđề hỏi tại sao phân tử có hình dạng nhất định hoặc tại sao có tính nghịch từ/thuận từ

Góc liên kết đo bằng độ ($^\circ$)

Trực giác: Giống mấy quả bóng bay buộc chung một nút thắt — chúng tự xòe ra đều nhau vì không quả nào chịu chen chỗ quả nào.

Công thức

SN = n_b + n_l

Dùng để xác định số miền electron (steric number) quanh nguyên tử trung tâm, từ đó suy ra kiểu hình học cặp electron — bước đầu tiên và bắt buộc trước khi vẽ bất kì cấu trúc VSEPR nào.

Trong đó

SN

số miền electron (steric number) quanh nguyên tử trung tâm, quyết định hình học cặp electron

n_b

số miền liên kết — đếm bằng số nguyên tử liên kết trực tiếp với nguyên tử trung tâm, không phân biệt liên kết đơn, đôi hay ba

n_l

số cặp electron chưa liên kết (lone pair) nằm trên nguyên tử trung tâm

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1957Ronald GillespieRonald Sydney NyholmNevil SidgwickHerbert Marcus PowellRyutaro Tsuchida

Mô hình do hai nhà hóa học Ronald Gillespie và Ronald Nyholm ở University College London đưa ra năm 1957, nhằm dự đoán hình dạng của phân tử cộng hóa trị chỉ từ số cặp electron quanh nguyên tử trung tâm.

Đầu thế kỷ 20, các nhà hóa học đã biết viết công thức electron nhưng vẫn lúng túng khi phải trả lời một câu rất đời thường: phân tử ấy có hình gì trong không gian. Ý tưởng gắn hình dạng phân tử với số cặp electron hóa trị được Ryutaro Tsuchida nêu ở Nhật năm 1939, rồi được Nevil Sidgwick và Herbert Powell ở Oxford trình bày độc lập trong một bài giảng Bakerian năm 1940. Tuy nhiên, phải đến năm 1957 Gillespie và Nyholm mới tinh chỉnh nó thành một lý thuyết đủ chi tiết để chọn giữa nhiều hình dạng khả dĩ. Nhờ đó, mô hình trở thành công cụ tiên đoán chứ không còn là nhận xét mô tả.

Vì sao mang đúng cái tên này? Cái tên dài dòng thật ra là một câu mô tả cơ chế viết gọn lại. "Valence shell" là lớp electron hóa trị — vùng ngoài cùng nơi các electron tham gia liên kết cư trú; "electron pair" là cặp electron, gồm cả cặp liên kết lẫn cặp electron chưa liên kết (lone pair); còn "repulsion" chính là lực đẩy tĩnh điện khiến các cặp ấy tự đẩy nhau ra xa nhất có thể. Ghép lại, tên gọi nói thẳng luận điểm trung tâm: hình dạng phân tử là hệ quả của việc các cặp electron hóa trị đẩy nhau. Trong đề thi và tài liệu, mô hình hầu như luôn xuất hiện dưới dạng viết tắt VSEPR, đọc là "VES-per", nên nhiều người quên mất bốn chữ gốc. Ngoài ra, mô hình còn mang hai tên khác đặt theo người đóng góp: thuyết Gillespie–Nyholm theo hai tác giả chính năm 1957, và thuyết Sidgwick–Powell theo công trình sớm hơn năm 1940.

Nguồn đối chiếu

Thử nghiệm tương tác

Xoay phân tử NH₃ — tìm cặp electron chưa liên kết đang ép góc liên kết lại

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

Tạo tài khoản miễn phí

Hay hiểu sai

Hình dạng miền electron không phải hình dạng phân tử.

Một liên kết đôi hay ba chỉ tính là MỘT miền electron.

Góc liên kết thực tế nhỏ hơn góc lý tưởng khi có cặp electron chưa liên kết.

Có liên kết phân cực không đồng nghĩa với phân tử phân cực.

Cấu trúc Lewis sai thì mọi kết luận về hình dạng đều sai theo.

Mẹo phòng thi

Luôn vẽ cấu trúc Lewis ra giấy trước khi trả lời câu hỏi về hình dạng.

Câu hỏi về góc liên kết phải trả lời kèm lý do lực đẩy, không chỉ nêu con số.

Ghi tên hình dạng bằng tiếng Anh đúng chuẩn khi làm phần tự luận.

Tần suất trong đề AP Chemistry

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Cacbon đioxit (

\mathrm{CO_2}

) và lưu huỳnh đioxit (

\mathrm{SO_2}

) đều là phân tử ba nguyên tử gồm một nguyên tử trung tâm và hai nguyên tử oxi. Cho số hiệu nhóm: C thuộc nhóm 14, S thuộc nhóm 16, O thuộc nhóm 16. Dù công thức trông giống nhau, hai chất này có hình dạng và tính phân cực khác hẳn nhau.

aViết công thức Lewis của mỗi phân tử và đếm số miền electron (electron domain) quanh nguyên tử trung tâm.
bDự đoán dạng hình học phân tử (molecular geometry) và góc liên kết gần đúng của mỗi chất.
cGiải thích vì sao $\mathrm{SO_2}$ phân cực còn $\mathrm{CO_2}$ thì không.

1Bước 1: Trước hết ta đếm tổng số electron hóa trị. Với

\mathrm{CO_2}

ta có

4 + 2(6) = 16

electron, tức 8 cặp; với

\mathrm{SO_2}

ta có

6 + 2(6) = 18

electron, tức 9 cặp. Chỉ riêng hai electron chênh lệch này đã đủ làm thay đổi toàn bộ hình dạng của phân tử, nên bước đếm không bao giờ được bỏ qua.

2Bước 2: Trong

\mathrm{CO_2}

, hai liên kết đôi

\mathrm{O=C=O}

tiêu tốn 8 electron, 8 electron còn lại nằm trọn trên hai nguyên tử oxi dưới dạng bốn cặp electron chưa liên kết. Nguyên tử cacbon vừa đủ octet và không còn cặp nào dư, nên quanh nó chỉ có hai miền electron. Ngược lại,

\mathrm{SO_2}

dư ra một cặp: sau khi hình thành một liên kết đôi và một liên kết đơn (có cộng hưởng giữa hai cấu trúc tương đương) và hoàn tất octet cho hai oxi, lưu huỳnh vẫn giữ lại một cặp electron chưa liên kết. Do đó quanh S có ba miền electron chứ không phải hai.

3Bước 3: Theo mô hình lực đẩy, các miền electron sắp xếp sao cho xa nhau nhất có thể. Hai miền đẩy nhau đến vị trí đối đỉnh, nên

\mathrm{CO_2}

thẳng với góc

\angle \mathrm{O\!-\!C\!-\!O} = 180^\circ

. Ba miền quanh S phân bố theo tam giác phẳng, nhưng vì một trong ba miền là cặp chưa liên kết nên phần nhìn thấy được của phân tử chỉ là hai liên kết, cho dạng gấp khúc. Cặp chưa liên kết chiếm không gian rộng hơn cặp liên kết nên nó ép hai liên kết lại gần nhau, khiến góc nhỏ hơn

120^\circ

một chút, thực nghiệm cho khoảng

119^\circ

4Bước 4: Về tính phân cực, cả hai phân tử đều có liên kết phân cực vì oxi âm điện hơn cả C lẫn S. Tuy nhiên trong

\mathrm{CO_2}

hai vectơ mômen lưỡng cực có độ lớn bằng nhau nhưng ngược chiều hoàn toàn nên triệt tiêu, tổng bằng không và phân tử không phân cực. Trong

\mathrm{SO_2}

, hình dạng gấp khúc làm hai vectơ hợp với nhau một góc nhọn nên chúng không thể triệt tiêu, hơn nữa cặp electron chưa liên kết trên S còn đóng góp thêm vào mômen lưỡng cực tổng.

$\mathrm{CO_2}$ có hai miền electron quanh nguyên tử trung tâm, dạng thẳng, góc $180^\circ$ và không phân cực do hai mômen lưỡng cực triệt tiêu nhau. $\mathrm{SO_2}$ có ba miền electron gồm hai liên kết và một cặp chưa liên kết, dạng gấp khúc với góc khoảng $119^\circ$ , và là phân tử phân cực. Kết luận quan trọng rút ra là công thức phân tử giống nhau không bảo đảm hình dạng giống nhau: chính số miền electron, chứ không phải số nguyên tử, mới quyết định hình học.

2Ví dụ 2/2

Xét hai hợp chất flo của các nguyên tố chu kì lớn:

\mathrm{SF_4}

và

\mathrm{XeF_4}

. Lưu huỳnh thuộc nhóm 16, xenon thuộc nhóm 18 và flo thuộc nhóm 17. Cả hai đều có bốn nguyên tử flo bao quanh nguyên tử trung tâm, nhưng chỉ một trong hai là phân tử phân cực.

aXác định số cặp electron chưa liên kết trên nguyên tử trung tâm của mỗi phân tử.
bNêu dạng hình học của các miền electron và dạng hình học phân tử tương ứng.
cCho biết phân tử nào phân cực và giải thích.

1Bước 1: Ta bắt đầu bằng phép đếm electron hóa trị. Với

\mathrm{SF_4}

6 + 4(7) = 34

electron; bốn liên kết đơn dùng hết 8 electron, 24 electron nữa dùng để hoàn tất octet cho bốn nguyên tử flo, còn dư

34 - 8 - 24 = 2

electron, tức một cặp chưa liên kết trên S. Với

\mathrm{XeF_4}

8 + 4(7) = 36

electron; sau khi trừ 8 electron liên kết và 24 electron cho các flo, còn dư

36 - 8 - 24 = 4

electron, tức hai cặp chưa liên kết trên Xe.

2Bước 2: Cộng cặp liên kết với cặp chưa liên kết ta được tổng số miền. Lưu huỳnh có

4 + 1 = 5

miền nên khung sắp xếp là lưỡng chóp tam giác, còn xenon có

4 + 2 = 6

miền nên khung là bát diện. Cả hai nguyên tử trung tâm đều vượt quá octet, điều này chỉ chấp nhận được với nguyên tố từ chu kì 3 trở xuống.

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

Cần trướccặp electron chưa liên kết (sắp có)cặp electron liên kết (sắp có)công thức Lewis

Dẫn tớihình học phân tử

Liên quangóc liên kết (sắp có)

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

Thường xuyên

3Bước 3: Bây giờ ta đặt các cặp chưa liên kết vào vị trí ít bị đẩy nhất. Trong khung lưỡng chóp tam giác, vị trí xích đạo chỉ có hai lân cận ở góc

90^\circ

, còn vị trí trục có tới ba, nên cặp chưa liên kết của

\mathrm{SF_4}

chiếm vị trí xích đạo và phân tử mang dạng bập bênh (seesaw). Trong khung bát diện mọi vị trí đều tương đương, nên hai cặp chưa liên kết của

\mathrm{XeF_4}

đẩy nhau ra hai đầu đối diện, để lại bốn nguyên tử flo nằm trong một mặt phẳng: dạng vuông phẳng (square planar).

4Bước 4: Góc liên kết cũng phản ánh lực đẩy này. Ở

\mathrm{SF_4}

, cặp chưa liên kết ép hai liên kết trục lại nên góc

\mathrm{F_{ax}\!-\!S\!-\!F_{ax}}

khoảng

173^\circ

thay vì

180^\circ

, và góc giữa hai liên kết xích đạo khoảng

117^\circ

thay vì

120^\circ

. Ở

\mathrm{XeF_4}

, hai cặp chưa liên kết nằm đối xứng nhau nên chúng nén đều bốn liên kết và các góc

\mathrm{F\!-\!Xe\!-\!F}

giữ đúng

90^\circ

5Bước 5: Cuối cùng ta xét tính đối xứng để kết luận về mômen lưỡng cực. Dạng bập bênh của

\mathrm{SF_4}

không có tâm đối xứng: bốn vectơ hướng về phía các nguyên tử flo không thể triệt tiêu, phần phân tử đối diện cặp chưa liên kết mang điện tích âm cục bộ. Ngược lại, bốn liên kết

\mathrm{Xe\!-\!F}

trong dạng vuông phẳng nằm từng cặp đối đỉnh nhau nên triệt tiêu hoàn toàn, và hai cặp chưa liên kết cũng đối xứng qua mặt phẳng phân tử.

6Bước 6: Vì vậy

\mathrm{SF_4}

là phân tử phân cực còn

\mathrm{XeF_4}

không phân cực. Đây là điểm mà đề thi hay bẫy: nhiều thí sinh thấy cả hai đều có bốn liên kết phân cực và bốn nguyên tử ngoại vi giống nhau rồi kết luận vội rằng cả hai đều giống nhau về tính phân cực.

$\mathrm{SF_4}$ có một cặp electron chưa liên kết trên S, tổng cộng năm miền theo khung lưỡng chóp tam giác, cho dạng bập bênh với các góc khoảng $173^\circ$ và $117^\circ$ , và là phân tử phân cực. $\mathrm{XeF_4}$ có hai cặp chưa liên kết trên Xe, tổng cộng sáu miền theo khung bát diện, cho dạng vuông phẳng với góc $90^\circ$ và không phân cực. Số cặp electron chưa liên kết chính là biến số phân biệt hai trường hợp: nó vừa quyết định hình dạng nhìn thấy được, vừa quyết định các mômen lưỡng cực có triệt tiêu hay không.