Thuyết VSEPR (VSEPR Theory – Valence Shell Electron Pair Repulsion)

Nguyên lý cơ bản

Thuyết VSEPR dựa trên một số nguyên lý cơ bản sau:

• Các cặp electron (cả liên kết và không liên kết) xung quanh nguyên tử trung tâm sẽ đẩy nhau. Chính lực đẩy này quyết định sự sắp xếp không gian của các cặp electron và từ đó quyết định hình dạng phân tử.
• Lực đẩy giữa các cặp electron không liên kết (cặp electron tự do) là mạnh nhất. Cặp electron không liên kết chiếm nhiều không gian hơn so với cặp electron liên kết. Chúng được ký hiệu là $E$.
• Tiếp theo là lực đẩy giữa cặp electron không liên kết và cặp electron liên kết. Lực đẩy này mạnh hơn lực đẩy giữa các cặp electron liên kết.
• Yếu nhất là lực đẩy giữa các cặp electron liên kết. Vì các electron liên kết bị giữ bởi hai nguyên tử nên chúng chiếm ít không gian hơn. Chúng được ký hiệu là $X$.
• Nguyên tử trung tâm được ký hiệu là $A$. Ví dụ, phân tử $AX_2$ có nghĩa là nguyên tử trung tâm $A$ liên kết với 2 nguyên tử $X$. Công thức này giúp mô tả cấu trúc electron của phân tử một cách ngắn gọn.
• Hình dạng phân tử được xác định bởi vị trí của các nguyên tử, không phải của các cặp electron. Mặc dù các cặp electron không liên kết ảnh hưởng đến hình dạng phân tử bằng cách đẩy các cặp electron liên kết, nhưng chúng không được tính đến khi xác định tên gọi của hình dạng phân tử.

Các dạng hình học phân tử thường gặp

Dựa vào số lượng cặp electron liên kết và không liên kết xung quanh nguyên tử trung tâm, ta có thể dự đoán hình dạng của phân tử. Bảng dưới đây tóm tắt một số dạng hình học phổ biến:

Ảnh hưởng của cặp electron không liên kết

Cặp electron không liên kết chiếm nhiều không gian hơn cặp electron liên kết vì chúng chỉ bị hút bởi một hạt nhân. Do đó, chúng gây ra lực đẩy mạnh hơn, làm giảm góc liên kết giữa các nguyên tử. Ví dụ, góc liên kết trong $CH_4$ (không có cặp electron không liên kết) là 109.5°, trong $NH_3$ (một cặp electron không liên kết) là ~107°, và trong $H_2O$ (hai cặp electron không liên kết) là ~104.5°. Sự giảm góc liên kết này là do lực đẩy mạnh của cặp electron không liên kết lên các cặp electron liên kết.

Hạn chế của thuyết VSEPR

Mặc dù thuyết VSEPR là một công cụ hữu ích để dự đoán hình dạng phân tử, nhưng nó cũng có những hạn chế nhất định:

• Thuyết VSEPR không giải thích được đầy đủ hình dạng của các phân tử phức tạp, đặc biệt là các phân tử có liên kết đa. Mô hình này đơn giản hóa việc sắp xếp electron và không tính đến các yếu tố phức tạp hơn.
• Thuyết VSEPR không tính đến sự khác biệt về độ âm điện giữa các nguyên tử. Độ âm điện ảnh hưởng đến phân bố electron trong liên kết, và do đó ảnh hưởng đến hình dạng phân tử.
• Mặc dù thuyết VSEPR hữu ích trong việc dự đoán hình dạng phân tử, nhưng nó không phải là một lý thuyết hoàn chỉnh và có những hạn chế. Nó chỉ là một mô hình đơn giản hóa và không thể dự đoán chính xác hình dạng của tất cả các phân tử.

Thuyết VSEPR là một công cụ hữu ích để dự đoán hình dạng của các phân tử đơn giản. Bằng cách xem xét số lượng cặp electron xung quanh nguyên tử trung tâm, chúng ta có thể xác định được hình dạng và góc liên kết gần đúng của phân tử. Tuy nhiên, cần lưu ý về những hạn chế của thuyết này và sử dụng nó kết hợp với các kiến thức khác để có cái nhìn tổng quan hơn về cấu trúc phân tử.

Phân tử có nguyên tử trung tâm lai hóa

Thuyết VSEPR có thể áp dụng cho cả những phân tử có nguyên tử trung tâm lai hóa. Sự lai hóa của orbital nguyên tử trung tâm ảnh hưởng đến hình dạng phân tử. Ví dụ:

• $sp$: Lai hóa $sp$ tạo ra hai orbital lai hướng về hai phía đối diện nhau, dẫn đến hình dạng tuyến tính (ví dụ: $BeCl_2$).
• $sp^2$: Lai hóa $sp^2$ tạo ra ba orbital lai nằm trong cùng một mặt phẳng, tạo thành một tam giác đều, dẫn đến hình dạng tam giác phẳng (ví dụ: $BF_3$).
• $sp^3$: Lai hóa $sp^3$ tạo ra bốn orbital lai hướng về bốn đỉnh của một tứ diện, dẫn đến hình dạng tứ diện (ví dụ: $CH_4$).
• $sp^3d$: Lai hóa $sp^3d$ tạo ra năm orbital lai, dẫn đến hình dạng lưỡng tháp tam giác (ví dụ: $PCl_5$).
• $sp^3d^2$: Lai hóa $sp^3d^2$ tạo ra sáu orbital lai, dẫn đến hình dạng bát diện đều (ví dụ: $SF_6$).

Ứng dụng của thuyết VSEPR

Thuyết VSEPR có nhiều ứng dụng quan trọng trong hóa học, bao gồm:

• Dự đoán tính chất của phân tử: Hình dạng phân tử ảnh hưởng đến các tính chất vật lý và hóa học của nó, chẳng hạn như độ phân cực, điểm sôi, và khả năng phản ứng.
• Hiểu cấu trúc của protein: Thuyết VSEPR giúp xác định hình dạng của các nhóm chức trong protein, từ đó hiểu được chức năng của chúng.
• Thiết kế dược phẩm: Hình dạng phân tử của thuốc có vai trò quan trọng trong việc tương tác với các thụ thể trong cơ thể.
• Nghiên cứu vật liệu: Thuyết VSEPR giúp dự đoán cấu trúc và tính chất của các vật liệu mới.

Ví dụ áp dụng

Xét phân tử $SO_2$. Lưu huỳnh (S) là nguyên tử trung tâm. S có 6 electron hóa trị. Hai oxy (O) mỗi nguyên tử đóng góp 2 electron cho liên kết cộng hóa trị, tổng cộng 4 electron. Vậy S có 6 + 4 = 10 electron hóa trị. S tạo 2 liên kết đôi với 2 nguyên tử O, dùng hết 8 electron. Còn lại 2 electron tạo thành 1 cặp electron không liên kết trên nguyên tử S. Vậy $SO_2$ có dạng $AX_2E$, hình dạng góc, tương tự $H_2O$. Góc liên kết O-S-O nhỏ hơn 120° do lực đẩy của cặp electron không liên kết.

• Miessler, G. L., & Tarr, D. A. (2014). Inorganic Chemistry (5th ed.). Pearson.
• Housecroft, C. E., & Sharpe, A. G. (2012). Inorganic Chemistry (4th ed.). Pearson.
• Zumdahl, S. S., & Zumdahl, S. A. (2017). Chemistry (10th ed.). Cengage Learning.
• Huheey, J. E., Keiter, E. A., & Keiter, R. L. (1993). Inorganic Chemistry: Principles of Structure and Reactivity (4th ed.). HarperCollins College Publishers.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao cặp electron không liên kết lại đẩy mạnh hơn cặp electron liên kết?

Trả lời: Cặp electron liên kết bị hút bởi hai hạt nhân của hai nguyên tử liên kết, trong khi cặp electron không liên kết chỉ bị hút bởi một hạt nhân. Điều này làm cho cặp electron không liên kết chiếm nhiều không gian hơn và tạo ra lực đẩy mạnh hơn đối với các cặp electron khác.

Làm thế nào để xác định hình dạng phân tử của $XeF_4$?

Trả lời: Xenon (Xe) là nguyên tử trung tâm. Xe có 8 electron hóa trị. Bốn nguyên tử Flo (F) mỗi nguyên tử đóng góp 1 electron, tổng cộng 4 electron. Vậy Xe có 8 + 4 = 12 electron hóa trị. Xe tạo 4 liên kết đơn với 4 nguyên tử F, dùng hết 8 electron. Còn lại 4 electron tạo thành 2 cặp electron không liên kết trên nguyên tử Xe. Vậy $XeF_4$ có dạng $AX_4E_2$, hình dạng vuông phẳng.

Thuyết VSEPR có áp dụng được cho các ion đa nguyên tử không? Cho ví dụ.

Trả lời: Có, thuyết VSEPR cũng áp dụng được cho các ion đa nguyên tử. Ví dụ, ion $NH_4^+$ có nguyên tử trung tâm là Nito (N) với 4 liên kết đơn với 4 nguyên tử Hidro (H), không có cặp electron không liên kết. Vậy ion $NH_4^+$ có dạng $AX_4$ và có hình dạng tứ diện đều.

Sự khác biệt về độ âm điện ảnh hưởng đến hình dạng phân tử như thế nào, mặc dù thuyết VSEPR không tính đến yếu tố này?

Trả lời: Độ âm điện lớn hơn ở một nguyên tử sẽ hút cặp electron liên kết mạnh hơn, làm cho mật độ electron xung quanh nguyên tử đó dày đặc hơn. Điều này có thể ảnh hưởng đến góc liên kết, mặc dù hiệu ứng này không được tính đến trong thuyết VSEPR. Ví dụ, trong phân tử $CH_3Cl$, nguyên tử clo có độ âm điện lớn hơn cacbon, nên góc liên kết H-C-Cl nhỏ hơn một chút so với góc liên kết H-C-H.

Ngoài thuyết VSEPR, còn có những mô hình nào khác để dự đoán hình dạng phân tử? Ưu và nhược điểm của chúng so với VSEPR là gì?

Trả lời: Một mô hình khác là thuyết orbital phân tử (MO). Thuyết MO phức tạp hơn VSEPR nhưng cung cấp một mô tả chính xác hơn về liên kết hóa học và hình dạng phân tử, đặc biệt là đối với các phân tử có liên kết đa hoặc chứa các nguyên tố thuộc khối d. Thuyết MO tính đến sự xen phủ của các orbital nguyên tử để tạo thành các orbital phân tử, từ đó dự đoán hình dạng phân tử. Tuy nhiên, thuyết MO phức tạp hơn và khó áp dụng cho các phân tử lớn. VSEPR đơn giản hơn và dễ sử dụng cho các phân tử nhỏ, nhưng kém chính xác hơn MO trong một số trường hợp.