Hình học phân tử — Thuyết VSEPR và các dạng hình

Hình học phân tử là hình dạng ba chiều của một phân tử. Trong hầu hết các khóa hóa học nhập môn, bạn dự đoán hình dạng đó bằng thuyết VSEPR: các miền electron quanh nguyên tử trung tâm đẩy nhau, nên chúng sắp xếp xa nhau nhất có thể.

Cách nghĩ nhanh là thế này: trước hết hãy đếm số miền electron, rồi phân biệt hình học miền electron với hình học phân tử. Cặp electron tự do không phải là nguyên tử, nhưng chúng vẫn chiếm không gian, nên có thể làm thay đổi hình dạng và góc liên kết.

VSEPR Dự Đoán Hình Học Phân Tử Như Thế Nào

VSEPR là viết tắt của Valence Shell Electron Pair Repulsion. Mô hình này xem mỗi vùng mật độ electron quanh nguyên tử trung tâm là một miền, và các miền đó đẩy nhau.

Để đếm theo VSEPR cơ bản:

• một liên kết đơn được tính là một miền
• một liên kết đôi được tính là một miền
• một liên kết ba được tính là một miền
• một cặp electron tự do được tính là một miền

Điểm cuối cùng này là điều học sinh thường bỏ sót. Hai phân tử có thể có cùng tổng số miền electron nhưng có hình học phân tử khác nhau nếu một phân tử có cặp electron tự do còn phân tử kia thì không.

Các Dạng Hình Học Phân Tử Thường Gặp

Bảng này bao gồm các dạng hình xuất hiện thường xuyên nhất trong hóa học năm nhất:

Số miền electron trên nguyên tử trung tâm	Số cặp electron tự do trên nguyên tử trung tâm	Hình học phân tử	Ví dụ thường gặp
2	0	thẳng	$CO_2$
3	0	tam giác phẳng	$BF_3$
3	1	gấp khúc	$SO_2$
4	0	tứ diện	$CH_4$
4	1	chóp tam giác	$NH_3$
4	2	gấp khúc	$H_2O$
5	0	lưỡng chóp tam giác	$PCl_5$
5	1	bập bênh	$SF_4$
5	2	chữ T	$ClF_3$
5	3	thẳng	$XeF_2$
6	0	bát diện	$SF_6$
6	1	chóp đáy vuông	$BrF_5$
6	2	vuông phẳng	$XeF_4$

Đây là những kiểu VSEPR thường gặp, không phải là quy tắc phù hợp hoàn hảo với mọi phân tử. VSEPR hoạt động tốt nhất như một mô hình ban đầu cho nhiều phân tử nhóm chính và ion đa nguyên tử.

Hình Học Electron Và Hình Học Phân Tử

Sự phân biệt này gây ra rất nhiều câu trả lời sai.

Hình học miền electron mô tả sự sắp xếp của tất cả các miền electron quanh nguyên tử trung tâm, bao gồm cả các cặp electron tự do. Hình học phân tử mô tả sự sắp xếp của chỉ các nguyên tử.

Ví dụ, $H_2O$ có bốn miền electron quanh oxy, nên hình học miền electron của nó là tứ diện. Nhưng chỉ có hai trong số các miền đó là các nguyên tử liên kết với oxy, nên hình học phân tử của nó là gấp khúc.

Ví Dụ Có Lời Giải: Vì Sao Nước Có Dạng Gấp Khúc

Dùng $H_2O$ làm trường hợp mẫu.

Trước hết, hãy vẽ công thức Lewis. Oxy là nguyên tử trung tâm, liên kết với hai hydro và có hai cặp electron tự do.

Bây giờ hãy đếm các miền electron quanh oxy:

• hai liên kết $O-H$
• hai cặp electron tự do

Như vậy có bốn miền electron.

Bốn miền electron cho hình học miền electron tứ diện. Nếu cả bốn miền đều là cặp electron liên kết, thì hình dạng phân tử cũng sẽ là tứ diện, như $CH_4$. Nhưng trong nước, hai trong số các miền đó là cặp electron tự do.

Vì vậy, hình học phân tử là gấp khúc, không phải tứ diện.

Điều này cũng giải thích góc liên kết. Góc tứ diện lý tưởng là khoảng $109.5^\circ$, nhưng góc $H-O-H$ trong nước nhỏ hơn, khoảng $104.5^\circ$. Trong mô hình VSEPR, cặp electron tự do đẩy mạnh hơn cặp electron liên kết, nên chúng ép hai liên kết $O-H$ lại gần nhau hơn.

Ví dụ này nêu bật ý chính: hình học phụ thuộc vào cả tổng số miền electron lẫn số miền trong đó là cặp electron tự do.

Cách Xác Định Hình Học Phân Tử Từng Bước

Hãy dùng trình tự này cho hầu hết các bài toán nhập môn:

1. Vẽ một công thức Lewis hợp lý.
2. Xác định nguyên tử trung tâm.
3. Đếm các miền electron quanh nguyên tử trung tâm đó.
4. Gán hình học miền electron từ số miền đã đếm.
5. Bỏ qua các cặp electron tự do khi gọi tên hình học phân tử, nhưng đừng bỏ qua chúng khi phân tích lực đẩy và góc liên kết.

Nếu công thức Lewis sai, thì hình học thường cũng sẽ sai. VSEPR bắt đầu từ cấu trúc, không phải chỉ từ việc học thuộc bảng dạng hình.

Những Lỗi Thường Gặp Trong Bài Toán VSEPR

Đếm Liên Kết Bội Thành Nhiều Hơn Một Miền

Trong VSEPR, một liên kết đôi hoặc liên kết ba vẫn chỉ được tính là một miền electron quanh nguyên tử trung tâm. Mật độ electron được phân bố khác đi, nhưng trong cách đếm hình học cơ bản, nó vẫn là một vùng.

Nhầm Lẫn Giữa Hình Học Electron Và Hình Học Phân Tử

Đây là lý do học sinh thường gọi nước là tứ diện. Nước chỉ là tứ diện ở hình học miền electron. Hình học phân tử của nó là gấp khúc.

Bỏ Qua Cặp Electron Tự Do

Cặp electron tự do không xuất hiện như nguyên tử trong tên hình dạng cuối cùng, nhưng chúng ảnh hưởng mạnh đến hình học và thường làm giảm góc liên kết so với giá trị lý tưởng.

Xem VSEPR Là Chính Xác Trong Mọi Trường Hợp

VSEPR đưa ra dự đoán ban đầu hữu ích, đặc biệt với nhiều chất thuộc nhóm chính. Nó kém tin cậy hơn khi liên kết phức tạp hơn, chẳng hạn trong nhiều hợp chất kim loại chuyển tiếp hoặc các trường hợp cần mô tả obitan chi tiết hơn.

Khi Nào Hình Học Phân Tử Quan Trọng

Hình học phân tử được dùng để dự đoán góc liên kết, độ phân cực và xu hướng phản ứng. Nó cũng giúp giải thích vì sao các phân tử có cùng các nguyên tử lại có thể có tính chất khác nhau nếu hình dạng của chúng khác nhau.

Ví dụ, hình dạng giúp bạn suy luận xem các moment lưỡng cực liên kết có triệt tiêu nhau hay không, liệu một phân tử có khả năng là phân cực hay không, và các nguyên tử được sắp xếp như thế nào cho tương tác liên phân tử hoặc phản ứng.

Thử Với Một Phân Tử Tương Tự

Hãy tự làm với $NH_3$ hoặc $CO_2$. Vẽ công thức Lewis, đếm các miền electron quanh nguyên tử trung tâm, rồi gọi tên cả hình học miền electron và hình học phân tử.

Nếu muốn làm thêm một bước nữa, hãy so sánh hình dạng bạn tìm được với độ phân cực của phân tử và tự hỏi liệu các moment lưỡng cực liên kết có triệt tiêu nhau hay không.