Giải chuyên đề học tập Hoá học 10 Cánh diều bài 1: Liên kết hóa học và hình học phân tử

Câu hỏi khởi động:

Theo em, dạng hình học nào sau đây của hai phân tử carbon dioxide và nước là đúng?

Đáp án: A

Phân tử CO₂ có cấu tạo thẳng; phân tử H₂O có cấu tạo góc.

I. Công thức Lewis và mô hình VSEPR

1. Công thức Lewis

Câu hỏi 1. Những electron như thế nào được gọi là:

a) Electron hóa trị

b) Electron chung

c) Electron hóa trị riêng

Hướng dẫn trả lời:

a) Electron hóa trị là những electron có khả năng tham gia vào việc hình thành liên kết hóa học (thường là những electron ở lớp ngoài cùng hoặc ở phân lớp sát lớp ngoài cùng nếu phân lớp đó chưa bão hòa).

b) Electron chung là những electron hóa trị tham gia vào việc hình thành liên kết hóa học.

c) Electron hóa trị riêng là những electron hóa trị nhưng không tham gia vào việc hình thành liên kết hóa học.

Câu hỏi 2. Viết công thức cấu tạo của CO₂ và H₂O

Hướng dẫn trả lời:

Công thức cấu tạo của CO₂ là O = C = O

Công thức cấu tạo của H₂O là H – O – H

Luyện tập 1: Viết công thức Lewis của CH₄, BF₃, SO₃ và F₂O

Hướng dẫn trả lời:

2. Mô hình VSEPR

Câu hỏi 3. Các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau hay hút nhau?

Hướng dẫn trả lời:

Các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau.

Luyện tập 2: Giải thích vì sao khi xung quanh nguyên tử trung tâm có 3 đám mây electron hóa trị E thì 3 đám mây này có xu hướng nằm ở 3 đỉnh của một tam giác phẳng.

Hướng dẫn trả lời:

Xung quanh nguyên tử trung tâm (kí hiệu là A) có 3 đám mây electron hóa trị (kí hiệu là E), thì do lực đẩy giữa 3 đám mây electron (cùng mang điện tích âm) nên 3 đám mây này phải có vị trí xa nhau nhất. Do đó, vị trí hợp lý là ba đám mây E được phân bố trên mặt phẳng hướng về ba đỉnh của tam giác.

Luyện tập 3: Viết công thức Lewis, dự đoán dạng hình học của phân tử CH₄

Hướng dẫn trả lời:

Bước 1: Viết công thức Lewis của CH₄ (Cách vẽ giống luyện tập 1)

Bước 2: Nguyên tử trung tâm C có 4 liên kết đơn xung quanh tương ứng với 4 đám mây electron hóa trị. Công thức VSEPR của CH₄ là AE4

Bước 3: Dựa vào dạng hình học phân tử theo VSEPR (4 đám mây hướng tới 4 đỉnh của một tứ diện) dự đoán: dạng hình học không gian của CH₄ có dạng tứ diện

II. Sự lai hóa orbital

1. Khái niệm

2. Các dạng lai hóa phổ biến

Câu hỏi 4. Đặc điểm dạng hình học khác nhau giữa AO lai hóa với AO s và với AO p là gì?

Hướng dẫn trả lời:

AO lai hóa có định hướng khác với AO s và AO p trong không gian. Do AO lai hóa là sự tổ hợp các AO của cùng một nguyên tử để tạo ra các AO mới có hình dạng như nhau nhưng có định hướng không gian khác nhau phù hợp với sự hình thành liên kết và dạng hình học phân tử tương ứng.

Câu hỏi 5: Nguyên tử C trong CO₂ có dạng lai hóa gì? Trình bày sự hình thành dạng lai hóa đó.

Hướng dẫn trả lời:

Công thức Lewis của CO₂: 

Từ công thức Lewis của CO₂, xác định được phân tử này có dạng đường thẳng theo mô hình VSEPR.

Cấu hình electron của C (Z = 6) là 1s²2s²2p². Để tạo liên kết với O, trước tiên có sự dịch chuyển 1 electron từ 2s lên 2p tạo cấu hình electron ở trạng thái kích thích là 1s²2s¹2p³

Trong phân tử CO₂, nguyên tử C phải có lai hóa sp giữa 2 AO (1 AO 2s và 1 AO 2p) để tạo ra 2 AO lai hóa (AO sp) cùng nằm trên một đường thẳng.

2 AO lai hóa này xen phủ trục với 2 AO 2p chứa electron độc thân của 2 nguyên tử O tạo thành liên kết σ.

Hai AO 2p không lai hóa của nguyên tử C có chứa electron độc thân xen phủ bên với 2AO 2p chứa electron độc thân còn lại của 2 nguyên tử O, tạo nên 2 liên kết π.

Câu hỏi 6: Khung phân tử acetone tạo bởi 3 nguyên tử C và 1 nguyên tử O có dạng tam giác phẳng theo mô hình VSEPR. Xác định dạng lai hóa của nguyên tử trung tâm C. Biết công thức của acetone là:

Hướng dẫn trả lời:

Phân tử acetone có dạng tam giác phẳng theo mô hình VSEPR.

Cấu hình electron của C (Z = 6) là 1s²2s²2p². Cấu hình electron của C (Z = 6) ở trạng thái kích thích là 1s²2s¹2p³

1 AO 2s tổ hợp với 2 AO 2p tạo 3 AO lai hóa sp²

3 AO lai hóa của nguyên tử C hướng về 3 đỉnh của một tam giác đều.

Luyện tập 4: Trình bày sự hình thành lai hóa sp3 của nguyên tử C trong CH4 và hình thành các liên kết trong phân tử này.

Hướng dẫn trả lời:

Công thức Lewis của CH₄ là

Từ công thức Lewis của CH4 ta xác định được phân tử này có dạng tứ diện theo mô hình VSEPR.

Cấu hình electron của C (Z = 6) là 1s²2s²2p². Cấu hình electron của C (Z = 6) ở trạng thái kích thích là 1s²2s¹2p³

1 AO 2s tổ hợp với 3 AO 2p tạo 4 AO lai hóa sp³

4 AO lai hóa sp³ của nguyên tử C xen phủ với 4 AO s của nguyên tử H tạo thành 4 liên kết σ hướng về 4 đỉnh của một tứ diện đều. (Hình 1,7)

Bài tập

Bài 1: Viết công thức Lewis của CF₄, C₂H₆, C₂H₄ và C₂H₂.

Hướng dẫn trả lời:

Bài 2: Viết công thức Lewis của H2O. Dự đoán dạng hình học phân tử và dạng lai hóa của nguyên tử trung tâm.

Hướng dẫn trả lời:

Bài 3: Dựa theo công thức Lewis của CHCl₃ xác định được dạng lai hóa của nguyên tử trung tâm C trong phân tử này là

A. sp           B. sp²           C. sp³

Hướng dẫn trả lời:

Bài 4*: Xác định công thức Lewis của nitric acid (HNO₃). Cho biết nguyên tử H liên kết với O mà không phải với N.

Hướng dẫn trả lời:

Bài 5*: Viết công thức Lewis và xác định dạng hình học của CS₂. Xác định dạng lai hóa của nguyên tử trung tâm C trong phân tử này.

Hướng dẫn trả lời:

Bài 6*: Viết công thức Lewis của PCl₅ và SF₆

Hướng dẫn trả lời:

Bài 1:

Công thức Lewis của CF₄

Bước 1: Tính tổng số electron hóa trị (N1) của phân tử CF₄.

C có 4 electron hóa trị, F có 7 electron hóa trị.

Trong phân tử CF₄ có 1 nguyên tử C và 4 nguyên tử F. Vậy N₁ = 1.4 + 4.7 = 32 electron

Bước 2: Vẽ khung phân tử tạo bởi liên kết đơn giữa các nguyên tử:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N₂ = 4.2 = 8 electron

Số electron hóa trị còn lại là N₃ = N₁ – N₂ = 32 – 8 = 24 electron

Bước 3: Sử dụng 24 electron này để tạo octet cho F trước (vì F có độ âm điện cao hơn)

Bước 4: Nguyên tử C đã đạt được octet. Vậy công thức Lewis của CF₄ là

Công thức Lewis của C₂H₆

Bước 1: Tính tổng số electron hóa trị (N₁) của phân tử C₂H₆.

C có 4 electron hóa trị, H có 1 electron hóa trị.

Trong phân tử C₂H₆ có 2 nguyên tử C và 6 nguyên tử H. Vậy N₁ = 2.4 + 6.1 = 14 electron

Bước 2: Vẽ khung phân tử tạo bởi liên kết đơn giữa các nguyên tử:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N₂ = 7.2 = 14 electron

Số electron hóa trị còn lại là N₃ = N₁ – N₂ = 14 – 14 = 0 electron

Bước 3: Nguyên tử C và H đều đã được octet.

Vậy công thức Lewis của C₂H₆ là

Công thức Lewis của C₂H₄

Bước 1: Tính tổng số electron hóa trị (N₁) của phân tử C2H4:

C có 4 electron hóa trị, H có 1 electron hóa trị. Trong phân tử C₂H4, có 2 nguyên tử C và 4 nguyên tử H. Vậy N₁ = 2.4 + 4.1 = 12 electron

Bước 2: Vẽ khung phân tử tạo bởi liên kết đơn giữa các nguyên tử.

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N₂ = 5.2 = 10 electron

Số electron hóa trị còn lại là N₃ = N₁ – N₂ = 12 – 10 = 2 electron

Bước 3: Sử dụng N₃ = 2 electron để tạo octet cho C trước

Bước 4: Đã sử dụng hết 2 electron để tạo octet cho C. Tuy nhiên C còn lại chưa đủ octet nên ta chuyển 1 cặp electron của nguyên tử C vừa được tạo octet tạo thành cặp electron dùng chung giữa hai nguyên tử C. Các nguyên tử H đã đủ octet.

Vậy công thức Lewis của C₂H₄ là

Công thức lewis của C2H2

Bước 1: Tính tổng số electron hóa trị (N1) của phân tử C2H2:

C có 4 electron hóa trị, H có 1 electron hóa trị. Trong phân tử C₂H₂, có 2 nguyên tử C và 2 nguyên tử H. Vậy N₁ = 2.4 + 2.1 = 10 electron

Bước 2: Vẽ khung phân tử tạo bởi liên kết đơn giữa các nguyên tử:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N₂ = 3.2 = 6 electron

Số electron hóa trị còn lại là N₃ = N₁ – N₂ = 10 – 6 = 4 electron

Bước 3: Sử dụng N3 = 4 electron để tạo octet cho một C trước

Bước 4: Đã sử dụng hết 4 electron để tạo octet cho một C. Tuy nhiên C còn lại chưa đủ octet nên ta chuyển 2 cặp electron của nguyên tử C vừa được tạo octet tạo thành cặp electron dùng chung giữa hai nguyên tử C. Các nguyên tử H đã được octet.

Vậy công thức Lewis của C₂H₂ là 

Bài 2: Công thức Lewis của H₂O

Bước 1: Tính tổng số electron hóa trị (N1) của phân tử H₂O:

O có 6 electron hóa trị, H có 1 electron hóa trị. Trong phân tử H₂O, có 2 nguyên tử H và 1 nguyên tử O. Vậy N₁ = 2.1 + 1.6 = 8 electron

Bước 2: Vẽ khung phân tử tạo bởi liên kết đơn giữa các nguyên tử:

H - O - H

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N₂ = 2.2 = 4 electron

Số electron hóa trị còn lại là N₃ = N₁ – N₂ = 8 – 4 = 4 electron

Bước 3: Sử dụng N₃ = 4 electron để tạo octet cho O. Các nguyên tử H đã được octet.

Công thức Lewis của H₂O là 

Dự đoán hình dạng phân tử và dạng lai hóa của nguyên tử trung tâm O

Xung quanh nguyên tử trung tâm O có 4 đám mây E (hai cặp electron chưa liên kết và hai cặp electron chung), do lực đẩy giữa các đám mây nên 4 đám mây E này phải có vị trí xa nhau nhất ⇒ 4 đám mây hướng về 4 đỉnh của một hình tứ diện đều.

⇒ Dự đoán phân tử nước có cấu tạo góc (góc liên kết 109,5^o); nguyên tử trung tâm O ở dạng lai hóa sp³:

1 AO 2s tổ hợp với 3 AO 2p tạo 4 AO lai hóa sp³

2 AO lai hóa sp³ chứa electron độc thân của nguyên tử O xen phủ với 2 AO s của nguyên tử H tạo thành 2 liên kết σ.

(Do cặp electron chưa liên kết chiếm khoảng không gian lớn hơn so với các cặp electron liên kết, tương tác đẩy giữa các cặp electron chưa liên kết lớn hơn tương tác đẩy giữa các cặp electron liên kết, nên góc liên kết HOH thực tế bằng 104,5^o, nhỏ hơn góc hóa trị theo lí thuyết (109,5^o))

Bài 3: Đáp án: C

Công thức Lewis của CHCl₃ là

Nguyên tử trung tâm C có 4 liên kết đơn xung quanh tương ứng với 4 đám mây electron. Công thức VSEPR của CHCl₃ là AE4

Do 4 đám mây hướng tới 4 đỉnh của một tứ diện nên dạng hình học không gian của CHCl3 có dạng tứ diện

⇒ Trạng thái lai hóa của nguyên tử C trong phân tử CHCl₃ là sp3.

Bài 4*: 

Bước 1: Tính tổng số electron hóa trị (N1) của phân tử HNO3:

N có 5 electron hóa trị, O có 6 electron hóa trị, H có 1 electron hóa trị.

Trong phân tử HNO3, có 1 nguyên tử H, 3 nguyên tử O và 1 nguyên tử N

⇒ Tổng số electron hóa trị N1 = 1.1 + 3.6 + 1.5 = 24 electron

Bước 2: Vẽ khung phân tử tạo bởi liên kết đơn giữa các nguyên tử:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N2 = 4.2 = 8 electron

Số electron hóa trị còn lại là N3 = N1 – N2 = 24 – 8 = 16 electron

Bước 3: Sử dụng N3 = 16 electron để tạo octet cho O trước

Bước 4: Đã sử dụng hết 16 electron để tạo octet cho O. Tuy nhiên N chưa đủ octet nên ta chuyển 1 cặp electron của nguyên tử O (không liên kết với H) tạo thành cặp electron dùng chung cho hai nguyên tử O và N

Bài 5*:

Công thức Lewis của CS2 

Bước 1: Tính tổng số electron hóa trị (N1) của phân tử CS2:

C có 4 electron hóa trị, S có 6 electron hóa trị.

Trong phân tử CS2, có 1 nguyên tử C, 2 nguyên tử S

⇒ Tổng số electron hóa trị N1 = 1.4 + 2.6 = 16 electron

Bước 2: Vẽ khung phân tử tạo bởi liên kết đơn giữa các nguyên tử:

S - C - S

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N2 = 2.2 = 4 electron

Số electron hóa trị còn lại là N3 = N1 – N2 = 16 – 4 = 12 electron

Bước 3: Sử dụng N3 = 12 electron để tạo octet cho S trước

Bước 4: Đã sử dụng hết 12 electron để tạo octet cho S. Tuy nhiên C chưa đủ octet nên ta chuyển 1 cặp electron của mỗi nguyên tử S tạo thành cặp electron dùng chung cho hai nguyên tử C và S

Xung quanh nguyên tử C có hai đám mây electron hóa trị, do lực đẩy giữa 2 đám mây electron nên 2 đám mây này phải xa nhau nhất → CS2 có dạng đường thẳng theo mô hình VSEPR.

Bài 6*: 

Công thức Lewis của PCl5:

Bước 1: Tính tổng số electron hóa trị (N1) của phân tử PCl5

 P có 5 electron hóa trị, Cl có 7 electron hóa trị. Trong phân tử PCl5, có 1 nguyên tử P và 5 nguyên tử Cl. Vậy N1 = 1.5 + 5.7 = 40 electron

Bước 2: Vẽ khung phân tử tạo bởi liên kết đơn giữa các nguyên tử:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N2 = 5.2 = 10 electron

Số electron hóa trị còn lại là N3 = N1 – N2 = 40 – 10 = 30 electron

Bước 3: Sử dụng N3 = 30 electron để tạo octet cho 5 Cl trước

Bước 4: Đã sử dụng hết 6 electron để tạo octet cho một Cl. P đã đủ octet

Vậy công thức Lewis của PCl5 là 

Công thức Lewis của SF6:

Bước 1: Tính tổng số electron hóa trị (N1) của phân tử SF6

S có 6 electron hóa trị, F có 7 electron hóa trị.

Trong phân tử  SF6, có 1 nguyên tử S và 6 nguyên tử F.

Vậy N1 = 1.6 + 6.7 = 48 electron

Bước 2: Vẽ khung phân tử tạo bởi liên kết đơn giữa các nguyên tử:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N2 = 6.2 = 12 electron

Số electron hóa trị còn lại là N3 = N1 – N2 = 48 – 12 = 36 electron

Bước 3: Sử dụng N3 = 36 electron để tạo octet cho 6 F trước

Bước 4: Đã sử dụng hết 6 electron để tạo octet cho một F và S đã đủ octet

Vậy công thức Lewis của SF6 là