Cấu trúc Lewis — Cách vẽ sơ đồ chấm electron

Cấu trúc Lewis là một sơ đồ đơn giản cho biết các electron hóa trị nằm ở đâu trong một phân tử hoặc ion đa nguyên tử. Các đường biểu diễn các cặp electron dùng chung, tức là liên kết cộng hóa trị, còn các chấm biểu diễn các cặp electron tự do.

Nếu bạn chỉ cần phiên bản ngắn gọn, hãy dùng cấu trúc Lewis để trả lời ba câu hỏi: các nguyên tử nào liên kết với nhau, có bao nhiêu liên kết, và các cặp electron tự do nằm ở đâu. Vì vậy, chúng rất hữu ích khi học liên kết cơ bản, dự đoán hình dạng phân tử và kiểm tra điện tích hình thức.

Cấu Trúc Lewis Thực Sự Cho Biết Điều Gì

Cấu trúc Lewis không phải là bức tranh đầy đủ về cách electron chuyển động trong không gian. Nó là một mô hình ghi sổ cho các electron hóa trị.

Sự khác biệt này rất quan trọng. Cấu trúc Lewis giúp bạn theo dõi kiểu liên kết và số electron, nhưng nó không thay thế mô hình ba chiều và cũng không mô tả mọi chi tiết của sự phân bố electron thực tế.

Cách Vẽ Cấu Trúc Lewis

Với hầu hết các bài toán nhập môn, trình tự sau hoạt động khá tốt:

1. Đếm tổng số electron hóa trị.
2. Chọn nguyên tử trung tâm. Thường đó là nguyên tử có độ âm điện nhỏ nhất, trừ hydro vì hydro không làm nguyên tử trung tâm.
3. Vẽ các liên kết đơn từ nguyên tử trung tâm đến các nguyên tử xung quanh.
4. Đặt các electron còn lại lên các nguyên tử ngoài trước.
5. Đặt số electron còn dư lên nguyên tử trung tâm.
6. Nếu nguyên tử trung tâm vẫn chưa đủ bát tử, hãy tạo liên kết bội bằng cách chuyển một cặp electron tự do của nguyên tử lân cận thành cặp electron liên kết khi thích hợp.
7. Kiểm tra điện tích hình thức và xem có cần biểu diễn cộng hưởng hay không.

Với ion, hãy điều chỉnh số electron trước khi bắt đầu:

$$\text{total valence electrons} = \sum \text{valence electrons} \pm \text{charge adjustment}$$

Cộng thêm electron nếu điện tích âm và bớt electron nếu điện tích dương.

Ví Dụ Chi Tiết: Cấu Trúc Lewis Của $CO_2$

Carbon dioxide là một ví dụ điển hình vì nó cho thấy vì sao chỉ lấp đầy bát tử bằng liên kết đơn không phải lúc nào cũng đủ.

Bước 1: Đếm Electron Hóa Trị

Carbon đóng góp $4$ electron hóa trị. Mỗi oxygen đóng góp $6$, nên tổng là

$$4 + 2(6) = 16$$

Bước 2: Chọn Nguyên Tử Trung Tâm

Carbon là nguyên tử trung tâm. Oxygen thường nằm ở đầu mút trong loại phân tử trung hòa này.

Bước 3: Vẽ Liên Kết Đơn

Bắt đầu với $O - C - O$. Hai liên kết đơn dùng $4$ electron, nên còn lại $12$ electron.

Bước 4: Hoàn Thiện Các Nguyên Tử Ngoài Trước

Cho mỗi oxygen ba cặp electron tự do. Việc đó dùng hết $12$ electron còn lại.

Ở giai đoạn này, mỗi oxygen đã đủ bát tử, nhưng carbon chỉ có bốn electron xung quanh nó từ hai liên kết đơn. Carbon vẫn thiếu bát tử.

Bước 5: Tạo Liên Kết Bội

Chuyển một cặp electron tự do từ mỗi oxygen thành một cặp electron liên kết với carbon. Kết quả là

$$O = C = O$$

Bây giờ carbon đủ bát tử, mỗi oxygen vẫn đủ bát tử, và các điện tích hình thức được giảm đến mức nhỏ nhất. Đây là cấu trúc Lewis chuẩn của $CO_2$.

Vì Sao Điện Tích Hình Thức Quan Trọng

Đôi khi có nhiều cách sắp xếp electron đều thỏa mãn quy tắc bát tử. Khi đó, điện tích hình thức giúp bạn đánh giá cấu trúc Lewis nào hợp lý hơn.

Một quy tắc phổ biến cho người mới học là ưu tiên các cấu trúc có điện tích hình thức nhỏ hơn và đặt điện tích âm lên nguyên tử có độ âm điện lớn hơn khi có lựa chọn. Quy tắc này hữu ích, nhưng trong các trường hợp nâng cao, nó không thể thay thế bối cảnh hóa học.

Những Lỗi Thường Gặp

Quên Đếm Lại Tổng Số Electron

Nhiều cấu trúc sai trông vẫn có vẻ hợp lý cho đến khi bạn đếm lại electron. Đếm lại ở bước cuối là một trong những cách kiểm tra lỗi nhanh nhất.

Cố Chỉ Dùng Liên Kết Đơn

Một số phân tử cần liên kết đôi hoặc liên kết ba để nguyên tử trung tâm đủ bát tử. $CO_2$ là một ví dụ cơ bản.

Xem Quy Tắc Bát Tử Là Tuyệt Đối

Quy tắc bát tử đúng với nhiều hợp chất của các nguyên tố nhóm chính, nhưng không phải tất cả. Hydro tuân theo quy tắc bộ đôi, bo có thể thiếu electron trong một số hợp chất, và một số nguyên tử ở chu kì 3 trở xuống có thể vượt quá tám electron.

Bỏ Qua Cộng Hưởng

Nếu có nhiều cấu trúc Lewis hợp lệ chỉ khác nhau ở cách sắp xếp electron, thì liên kết được biểu diễn tốt hơn bằng các cấu trúc cộng hưởng thay vì cho rằng phân tử chuyển qua lại giữa các cấu trúc không liên quan.

Khi Nào Dùng Cấu Trúc Lewis

Cấu trúc Lewis được dùng trong hóa học đại cương để dự đoán kiểu liên kết có khả năng xuất hiện, ước lượng hình dạng phân tử bằng VSEPR ở bước tiếp theo, so sánh điện tích hình thức và nhận ra cộng hưởng trong phân tử cũng như ion đa nguyên tử.

Chúng hữu ích nhất như một mô hình ban đầu. Nếu phân tử có liên kết bất thường, gốc tự do, kim loại chuyển tiếp hoặc sự delocalization mà mô hình chấm đơn giản không thể biểu diễn tốt, bạn thường cần một cách mô tả nâng cao hơn.

Hãy Thử Một Cấu Trúc Tương Tự

Hãy tự thử với ion carbonate, $CO_3^{2-}$. Đếm electron, vẽ một cấu trúc hợp lệ, rồi kiểm tra xem liên kết đôi có thể đặt ở nhiều vị trí khác nhau hay không. Đây là một cách rõ ràng để thấy vì sao cộng hưởng quan trọng sau khi bạn đã học các bước cơ bản để vẽ cấu trúc Lewis.