Đang tải bài học…
Đang tải bài học…
AP Chemistry
central atom
Còn gọi: atom trung tâm
Nguyên tử trung tâm là nguyên tử liên kết trực tiếp với hai hay nhiều nguyên tử khác trong cùng một phân tử.
Trong một phân tử có nhiều nguyên tử, thường tồn tại một nguyên tử đóng vai trò trụ cột, liên kết trực tiếp với hai hay nhiều nguyên tử xung quanh, và nguyên tử đó được gọi là nguyên tử trung tâm (central atom). Khi vẽ công thức Lewis, bước đầu tiên là xác định nguyên tử này, vì toàn bộ khung liên kết của phân tử được xây dựng quanh nó. Thông thường, nguyên tử có độ âm điện nhỏ nhất — ngoại trừ hydro — sẽ đảm nhận vị trí trung tâm, do khả năng chia sẻ các cặp electron linh hoạt hơn.
Do vị trí của nguyên tử trung tâm quyết định hình học phân tử (molecular geometry), ta cần đến thuyết VSEPR để phân tích. Theo thuyết này, tổng số cặp electron — bao gồm cặp liên kết và cặp electron chưa liên kết — tập trung quanh nguyên tử trung tâm sẽ đẩy nhau, từ đó xác định hình dạng không gian của phân tử. Góc liên kết đo tại nguyên tử trung tâm phản ánh mức độ đẩy giữa các cặp electron này, và nhờ đó, ta có thể tiên đoán phân tử có dạng thẳng, dạng tam giác phẳng, dạng tứ diện, hay một cấu trúc phức tạp hơn.
Tuy nhiên, không phải phân tử nào cũng chỉ có một nguyên tử trung tâm duy nhất. Chẳng hạn, những phân tử lớn như chứa hai nguyên tử carbon, mỗi nguyên tử đều liên kết với các nguyên tử khác và đều đóng vai trò trung tâm trong vùng không gian của mình. Vì vậy, việc xác định đúng nguyên tử trung tâm giúp tính điện tích hình thức (formal charge) và đánh giá cấu trúc cộng hưởng, từ đó hiểu rõ hơn về tính phân cực và khả năng phản ứng của chất.
Trực giác: Nguyên tử trung tâm giống như người đứng giữa vòng tròn, tay nắm lấy nhiều người xung quanh để giữ tất cả cùng kết nối.
đầu thế kỷ 19 (1803–1808)John DaltonLeucippusDemocritus
Ý tưởng về hạt vật chất không thể chia nhỏ mãi xuất hiện từ hai nhà tư tưởng Hy Lạp là Leucippus và Democritus, nhưng đó mới chỉ là lập luận triết học chứ chưa phải khoa học. Phải đến đầu thế kỷ 19, khi Dalton công bố hệ thống của mình trong khoảng 1803–1808, nguyên tử mới trở thành đơn vị định lượng: mỗi nguyên tố đặc trưng bởi khối lượng nguyên tử, và các nguyên tử kết hợp theo tỉ lệ số nguyên khi phản ứng. Chính chỗ "kết hợp" ấy mở đường cho khái niệm đang bàn. Khi nhiều nguyên tử gắn với nhau bằng liên kết hóa học (chemical bond) để tạo thành phân tử (molecule), tất yếu có một nguyên tử nằm giữa và nối ra nhiều phía — đó là nguyên tử được gọi là trung tâm.
Lai hoá của nguyên tử trung tâm đếm miền electron, không đếm số nguyên tử gắn vào.
Rất nhiều bạn nhìn thấy chỉ có hai liên kết nên chọn hoặc , trong khi oxygen còn hai cặp electron chưa liên kết (lone pair) cũng chiếm chỗ quanh hạt nhân. Cộng lại, oxygen có bốn miền electron (electron domain) nên lai hoá , y hệt carbon trong dù hai phân tử này trông rất khác nhau. Quy tắc an toàn là đếm tổng số nhóm electron — mỗi liên kết đơn, đôi, ba tính là một miền, mỗi cặp chưa liên kết cũng tính là một miền.
Hình dạng phân tử không trùng với hình học miền electron của nguyên tử trung tâm.
Bốn miền quanh oxygen trong nước sắp xếp theo kiểu tứ diện, nhưng ta chỉ "nhìn thấy" hai liên kết O–H nên hình học phân tử (molecular geometry) được gọi là gấp khúc. Do đó khi đề hỏi về lai hoá thì phải kể cả cặp chưa liên kết, còn khi đề hỏi về dạng hình học hay góc liên kết thì chỉ mô tả vị trí các nguyên tử. Nhầm hai câu hỏi này với nhau là cách mất điểm nhanh nhất ở phần liên kết.
Nguyên tử trung tâm không phải lúc nào cũng đủ tám electron.
Với những phân tử như hay , nguyên tử trung tâm chỉ có sáu hoặc bốn electron hoá trị quanh nó, và đó là cấu trúc đúng chứ không phải lỗi vẽ thiếu. Ngược lại, các nguyên tử từ chu kỳ 3 trở xuống như S hay P có thể mang nhiều hơn tám electron, gọi là octet mở rộng (expanded octet), như trong hay . Vì vậy đừng ép mọi cấu trúc Lewis phải đủ octet — hãy đếm tổng số electron hoá trị trước, rồi mới phân bố.
Hydrogen không bao giờ làm nguyên tử trung tâm.
Hydrogen chỉ tạo được một liên kết nên nó luôn nằm ở rìa, trong khi nguyên tử trung tâm theo định nghĩa phải liên kết với từ hai nguyên tử trở lên. Khi phải tự chọn, hãy lấy nguyên tử có độ âm điện thấp nhất và có khả năng tạo nhiều liên kết nhất làm trung tâm; carbon, nitrogen, phosphorus, sulfur là những ứng viên quen thuộc. Chọn sai vị trí trung tâm ngay từ đầu sẽ kéo theo sai toàn bộ chuỗi lai hoá, góc liên kết và độ phân cực.
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.
Biên soạn bởi DucklingStudy, bản quyền thuộc DucklingStudy. Xuất bản .
Vì sao mang đúng cái tên này? Chữ "atom" bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp cổ atomos, nghĩa là "không cắt được" (uncuttable), phản ánh niềm tin rằng vật chất chia mãi sẽ đến một hạt không chia được nữa. Cái tên vì thế mang một nghịch lý lịch sử thú vị: ngày nay ta biết nguyên tử vẫn chia được thành hạt nhân (nucleus) và các electron, nhưng tên gọi "không chia được" thì vẫn giữ nguyên. Trong tiếng Anh, dạng viết "attoms" đã xuất hiện sớm từ bài thơ The Ordinal of Alchemy của Thomas Norton năm 1477, tức là trước khi hóa học hiện đại ra đời hàng trăm năm. Phần bổ nghĩa "central" thì đơn giản hơn nhiều: nó không nói gì về bản chất của nguyên tử mà chỉ mô tả vị trí — nguyên tử nằm ở giữa, được các nguyên tử khác vây quanh và liên kết vào.
Vẽ cấu trúc Lewis ra nháp trước khi trả lời bất kỳ câu nào về hình dạng.
Đề trắc nghiệm thường đưa sẵn các phương án nhìn rất hợp lý, và chỉ cần một cặp electron chưa liên kết bị bỏ sót là bạn rơi đúng vào phương án bẫy. Chỉ mất khoảng hai mươi giây để đếm electron hoá trị và đặt chấm quanh nguyên tử trung tâm, nhưng bước đó quyết định cả câu. Với câu tự luận, hình vẽ này còn được chấm điểm riêng nên càng nên viết ra.
Ở phần tự luận, phải viết rõ số miền electron rồi mới kết luận.
Giám khảo cho điểm theo lập luận, nên câu trả lời kiểu "vì phân tử có dạng tứ diện" mà không nói vì sao thường bị trừ. Cách trình bày an toàn là: nguyên tử trung tâm có bao nhiêu liên kết, bao nhiêu cặp chưa liên kết, tổng là bao nhiêu miền, từ đó suy ra lai hoá và hình dạng. Chuỗi này ngắn nhưng đủ để lấy trọn điểm giải thích.
Nhớ rằng cặp electron chưa liên kết đẩy mạnh hơn cặp liên kết, làm góc liên kết co lại.
Đó là lý do góc H–O–H trong nước nhỏ hơn dù oxygen vẫn lai hoá , và góc trong nằm giữa hai giá trị đó. Đề rất hay hỏi so sánh góc giữa , và , và câu trả lời luôn dựa trên số cặp chưa liên kết trên nguyên tử trung tâm. Học thuộc thứ tự giảm dần này thì bạn xử lý được cả một nhóm câu hỏi.
Nguyên tử trung tâm lần lượt là C, N, O và C; số cặp electron chưa liên kết trên chúng là 0, 1, 2 và 0. Vì vậy là phân tử duy nhất có hai cặp chưa liên kết trên nguyên tử trung tâm, và phân tử này có dạng gấp khúc với góc liên kết khoảng . Ở ý (c), cả lẫn đều có bốn vùng electron quanh nguyên tử trung tâm nên đều lai hóa , tương ứng phương án D trong kiểu đề trắc nghiệm quen thuộc.
Trong bốn phân tử đã cho, là chất có nguyên tử trung tâm mang ít hơn bát tử: boron chỉ có 6 electron quanh nó, ứng với , hình học tam giác phẳng và góc liên kết . Ngược lại, có nguyên tử trung tâm vượt bát tử với 10 electron, điều chỉ xảy ra được vì phosphorus nằm ở chu kỳ 3. Hai phân tử còn lại, và , đều tuân thủ đúng quy tắc bát tử tại nguyên tử trung tâm.