Cấu trúc Lewis (Lewis structure)

Mục đích của việc vẽ cấu trúc Lewis

Việc vẽ cấu trúc Lewis có nhiều mục đích quan trọng trong hóa học, bao gồm:

• Xác định số lượng và loại liên kết: Cấu trúc Lewis giúp xác định số lượng và loại liên kết (đơn, đôi, ba) giữa các nguyên tử trong một phân tử. Điều này cung cấp thông tin về cách các nguyên tử được kết nối với nhau.
• Dự đoán hình dạng phân tử và tính chất: Dựa vào cấu trúc Lewis và thuyết VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion – Thuyết đẩy cặp electron lớp vỏ hóa trị), ta có thể dự đoán hình dạng phân tử. Hình dạng phân tử ảnh hưởng đến nhiều tính chất của phân tử, chẳng hạn như độ phân cực và điểm sôi.
• Hiểu rõ hơn về sự phân bố điện tử: Cấu trúc Lewis cho thấy sự phân bố của các electron hóa trị trong phân tử, bao gồm cả các electron liên kết và các cặp electron tự do. Điều này giúp hiểu rõ hơn về tính chất hóa học của phân tử, chẳng hạn như khả năng phản ứng và tính axit/bazơ.

Cách vẽ cấu trúc Lewis

Dưới đây là các bước để vẽ cấu trúc Lewis cho một phân tử hoặc ion:

1. Đếm tổng số electron hóa trị: Cộng tổng số electron hóa trị của tất cả các nguyên tử trong phân tử. Đối với các ion đa nguyên tử, thêm hoặc bớt electron dựa trên điện tích của ion (thêm electron nếu ion âm và bớt electron nếu ion dương).
2. Xác định nguyên tử trung tâm: Nguyên tử trung tâm thường là nguyên tử ít âm điện nhất (trừ hydro, thường không là nguyên tử trung tâm). Trong nhiều trường hợp, nguyên tử được viết đầu tiên trong công thức hóa học thường là nguyên tử trung tâm.
3. Vẽ liên kết đơn giữa nguyên tử trung tâm và các nguyên tử xung quanh: Mỗi liên kết đơn biểu diễn hai electron.
4. Phân bố các electron còn lại lên các nguyên tử xung quanh: Hoàn thành octet (8 electron) cho các nguyên tử xung quanh (trừ hydro, chỉ cần 2 electron). Ưu tiên phân bổ electron cho các nguyên tử có độ âm điện cao hơn.
5. Nếu nguyên tử trung tâm chưa đủ octet, sử dụng các cặp electron chưa liên kết từ các nguyên tử xung quanh để tạo liên kết đôi hoặc ba: Tiếp tục cho đến khi nguyên tử trung tâm đạt được octet (hoặc đạt được số electron hóa trị tối đa đối với một số trường hợp đặc biệt như $PCl_5$ hoặc $SF_6$).

Ví dụ: Vẽ cấu trúc Lewis của $CO_2$

1. Carbon có 4 electron hóa trị và mỗi oxy có 6 electron hóa trị. Tổng cộng có 4 + 6*2 = 16 electron.
2. Carbon là nguyên tử trung tâm.
3. Vẽ liên kết đơn giữa carbon và hai nguyên tử oxy: O-C-O. Điều này sử dụng 4 electron (2 liên kết * 2 electron/liên kết).
4. Phân bố 12 electron còn lại lên hai nguyên tử oxy: :O-C-O:. Mỗi nguyên tử oxy nhận 6 electron, tổng cộng là 12.
5. Carbon chỉ có 4 electron. Để hoàn thành octet cho carbon, mỗi nguyên tử oxy sẽ chia sẻ một cặp electron chưa liên kết để tạo thành liên kết đôi: O=C=O.

Ngoại lệ

• Octet không hoàn chỉnh: Một số phân tử, như $BF_3$, có nguyên tử trung tâm không đạt được octet.
• Octet mở rộng: Các nguyên tử ở chu kỳ 3 trở đi có thể có nhiều hơn 8 electron hóa trị, ví dụ $SF_6$.
• Các phân tử gốc tự do: Có các phân tử chứa electron lẻ, ví dụ $NO$. Những phân tử này thường không tuân theo quy tắc octet.

Hạn chế của cấu trúc Lewis

Mặc dù là một công cụ hữu ích, cấu trúc Lewis là một mô hình đơn giản hóa và không thể hiện đầy đủ tính chất của một số phân tử phức tạp. Nó không thể hiện chính xác hình dạng 3D của phân tử và cũng không thể dự đoán chính xác độ dài liên kết hay năng lượng liên kết. Ngoài ra, mô hình này cũng gặp khó khăn trong việc mô tả các phân tử có electron phân chia giữa nhiều nguyên tử, chẳng hạn như trong các hợp chất kim loại. Tuy nhiên, nó vẫn là một công cụ hữu ích để hiểu về liên kết hóa học và cấu trúc phân tử cơ bản.

Cộng hưởng

Trong một số trường hợp, một phân tử không thể được biểu diễn chính xác bởi chỉ một cấu trúc Lewis duy nhất. Hiện tượng này gọi là cộng hưởng. Các cấu trúc Lewis khác nhau của cùng một phân tử gọi là các cấu trúc cộng hưởng. Cấu trúc thực tế của phân tử là sự kết hợp, hay lai hóa, của tất cả các cấu trúc cộng hưởng. Ví dụ, ion nitrat ($NO_3^-$) có ba cấu trúc cộng hưởng, trong đó liên kết đôi luân phiên giữa nguyên tử nitơ và ba nguyên tử oxy. Không có cấu trúc cộng hưởng nào thể hiện chính xác cấu trúc thực của phân tử, mà cấu trúc thực là một dạng trung gian giữa các cấu trúc cộng hưởng.

Điện tích hình thức

Điện tích hình thức là điện tích được gán cho một nguyên tử trong một phân tử, giả sử rằng các electron trong một liên kết hóa học được chia đều giữa các nguyên tử. Nó được tính theo công thức:

Điện tích hình thức = (Số electron hóa trị) – (Số electron không liên kết) – (Số liên kết)

Điện tích hình thức giúp xác định cấu trúc cộng hưởng nào đóng góp nhiều nhất vào cấu trúc thực tế của phân tử. Cấu trúc có điện tích hình thức gần bằng 0 nhất thường là cấu trúc ổn định nhất và đóng góp nhiều nhất vào cấu trúc lai. Tuy nhiên, điện tích hình thức chỉ là một khái niệm hình thức và không phản ánh sự phân bố điện tích thực tế trong phân tử.

Mối liên hệ giữa cấu trúc Lewis và hình dạng phân tử

Cấu trúc Lewis cung cấp thông tin về số lượng liên kết và cặp electron chưa liên kết xung quanh nguyên tử trung tâm. Thông tin này có thể được sử dụng để dự đoán hình dạng phân tử dựa trên thuyết VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion – Thuyết đẩy cặp electron lớp vỏ hóa trị). Thuyết VSEPR cho rằng các cặp electron (cả liên kết và không liên kết) xung quanh nguyên tử trung tâm sẽ sắp xếp sao cho chúng cách xa nhau nhất có thể để giảm thiểu lực đẩy.

Ví dụ về việc áp dụng thuyết VSEPR dựa trên cấu trúc Lewis:

• $CO_2$: Cấu trúc Lewis của $CO_2$ là O=C=O. Nguyên tử carbon trung tâm có hai vùng electron (hai liên kết đôi). Theo thuyết VSEPR, hình dạng phân tử là tuyến tính.
• $H_2O$: Cấu trúc Lewis của $H_2O$ là H-O-H với hai cặp electron chưa liên kết trên nguyên tử oxy. Nguyên tử oxy có bốn vùng electron (hai liên kết đơn và hai cặp electron chưa liên kết). Theo thuyết VSEPR, hình dạng phân tử là gấp khúc.

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., & Murphy, C. J. (2017). Chemistry: The Central Science. Pearson.
• Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D., & Bissonnette, C. (2017). General Chemistry: Principles and Modern Applications. Pearson.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao việc tuân theo quy tắc octet lại quan trọng khi vẽ cấu trúc Lewis?

Trả lời: Quy tắc octet, phát biểu rằng các nguyên tử có xu hướng đạt được cấu hình electron lớp ngoài cùng với 8 electron (giống khí hiếm), phản ánh sự ổn định năng lượng. Việc tuân theo quy tắc này giúp dự đoán sự hình thành liên kết và cấu trúc phân tử ổn định nhất. Tuy nhiên, quy tắc octet có ngoại lệ, ví dụ như các phân tử có octet không hoàn chỉnh (như $BF_3$) hoặc octet mở rộng (như $SF_6$).

Làm thế nào để xác định nguyên tử trung tâm trong một phân tử khi vẽ cấu trúc Lewis?

Trả lời: Nguyên tử trung tâm thường là nguyên tử ít âm điện nhất (khả năng hút electron trong liên kết), ngoại trừ hydro (H). Trong trường hợp có nhiều nguyên tử cùng loại, nguyên tử ở giữa hoặc nguyên tử có khả năng tạo nhiều liên kết nhất thường được chọn làm nguyên tử trung tâm.

Sự khác biệt giữa liên kết cộng hóa trị và liên kết ion được thể hiện như thế nào trong cấu trúc Lewis?

Trả lời: Trong liên kết cộng hóa trị, các electron được chia sẻ giữa các nguyên tử, được biểu diễn bằng các đường nối giữa các ký hiệu nguyên tử. Ví dụ: $H_2$ được biểu diễn là H-H. Trong liên kết ion, electron được chuyển từ nguyên tử kim loại sang nguyên tử phi kim, tạo thành ion. Cấu trúc Lewis của hợp chất ion thể hiện các ion với điện tích tương ứng và được đặt trong dấu ngoặc vuông. Ví dụ: NaCl được biểu diễn là $[Na]^+[Cl]^−$.

Cộng hưởng ảnh hưởng như thế nào đến độ dài liên kết trong một phân tử?

Trả lời: Cộng hưởng làm cho độ dài liên kết trong phân tử trở nên trung bình. Ví dụ, trong phân tử ozon ($O_3$), cả hai liên kết O-O đều có độ dài bằng nhau, nằm giữa độ dài của liên kết đơn O-O và liên kết đôi O=O. Điều này là do cấu trúc thực tế của ozon là sự kết hợp của các cấu trúc cộng hưởng.

Thuyết VSEPR và cấu trúc Lewis liên quan với nhau như thế nào trong việc xác định hình dạng phân tử?

Trả lời: Cấu trúc Lewis cung cấp thông tin về số lượng liên kết và cặp electron chưa liên kết xung quanh nguyên tử trung tâm. Thuyết VSEPR sử dụng thông tin này để dự đoán hình dạng phân tử dựa trên nguyên lý lực đẩy giữa các cặp electron (cả liên kết và không liên kết) sao cho chúng cách xa nhau nhất có thể. Ví dụ, cấu trúc Lewis của $CH_4$ cho thấy carbon có 4 liên kết đơn. Thuyết VSEPR dự đoán hình dạng tứ diện cho $CH_4$ do 4 cặp electron liên kết đẩy nhau.