Công thức Lewis biểu diễn một phân tử bằng các nét gạch cho cặp electron liên kết và các dấu chấm cho cặp electron riêng; viết đúng công thức Lewis là nền cho mọi phần sau của chương liên kết, từ hình dạng phân tử đến độ phân cực.
Phần lớn lỗi khi viết công thức Lewis không nằm ở hiểu biết mà ở đếm: thiếu hai electron, thừa một cặp riêng, quên trừ điện tích của ion. Bài này đưa ra sáu bước làm tuần tự, làm mẫu ba trường hợp, bảng kiểm đếm sau khi vẽ, và ba kiểu chất nằm ngoài quy tắc octet mà bạn nên nhận ra được.
Ba cách vẽ một phân tử: công thức electron, công thức Lewis, công thức cấu tạo
Sách giáo khoa hiện hành dùng ba kiểu biểu diễn có quan hệ với nhau. Công thức electron vẽ tất cả electron lớp ngoài bằng dấu chấm, cặp dùng chung đặt giữa hai kí hiệu nguyên tố. Công thức Lewis thay mỗi cặp electron dùng chung bằng một nét gạch, các cặp riêng vẫn để dấu chấm. Công thức cấu tạo chỉ giữ các nét gạch, bỏ hết cặp electron riêng.
Với nước, công thức cấu tạo là H–O–H. Công thức Lewis là H–O–H với thêm hai cặp chấm quanh oxi. Công thức electron là hai dấu chấm giữa O và mỗi H, cộng bốn dấu chấm nữa quanh O. Ba cách cùng nói một chuyện, chỉ khác mức chi tiết.
Đề bài thường ghi rõ yêu cầu loại công thức nào. Nếu đề chỉ nói "viết công thức", hãy hỏi lại thầy cô hoặc xem quy ước của bộ sách, vì thiếu cặp electron riêng trong một câu hỏi về công thức Lewis có thể bị trừ điểm. Khi làm bài, bạn nên viết công thức electron trước ra nháp để đếm, rồi mới chuyển sang dạng gọn hơn.
Sáu bước viết công thức Lewis
Các bước dưới đây cho kết quả đúng với hầu hết phân tử và ion nhỏ ở phổ thông. Làm đủ bước, không nhảy cóc, nhất là bước một.
- Tính tổng số electron hoá trị: cộng số electron lớp ngoài cùng của mọi nguyên tử. Với ion âm, cộng thêm số electron bằng điện tích; với ion dương, trừ đi.
- Chọn nguyên tử trung tâm: thường là nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn và có thể tạo nhiều liên kết nhất. Hiđro không bao giờ là nguyên tử trung tâm vì chỉ tạo một liên kết.
- Nối nguyên tử trung tâm với các nguyên tử xung quanh bằng liên kết đơn, mỗi liên kết dùng hai electron.
- Phân phần electron còn lại cho các nguyên tử xung quanh thành cặp riêng sao cho mỗi nguyên tử có tám electron (hiđro chỉ cần hai).
- Nếu còn thừa electron, đặt thành cặp riêng trên nguyên tử trung tâm.
- Nếu nguyên tử trung tâm chưa đủ tám electron, chuyển một cặp riêng của nguyên tử bên cạnh thành cặp dùng chung, tạo liên kết đôi hoặc ba, cho đến khi đủ.
Bước sáu là bước làm nhiều bạn bối rối: tổng số electron không đổi, bạn chỉ dời một cặp từ vị trí "riêng" sang vị trí "chung". Mỗi lần dời, nguyên tử trung tâm có thêm hai electron tính vào lớp ngoài, còn nguyên tử bên cạnh vẫn giữ đủ tám.
Làm mẫu với CO2, N2 và ion NH4+
Khí cacbonic CO2. Bước một: cacbon có 4 electron hoá trị, mỗi oxi có 6, tổng là 4 + 6 + 6 = 16 electron. Bước hai: cacbon có độ âm điện nhỏ hơn oxi, làm nguyên tử trung tâm. Bước ba: nối O–C–O, dùng 4 electron, còn 12. Bước bốn: chia 12 electron thành 6 cặp, mỗi oxi nhận 3 cặp, mỗi oxi đã đủ 8. Bước sáu: cacbon mới có 4 electron từ hai liên kết, thiếu 4. Dời một cặp riêng của mỗi oxi thành cặp chung, được O=C=O, mỗi oxi còn 2 cặp riêng. Kiểm đếm: hai liên kết đôi là 8 electron, bốn cặp riêng là 8 electron, tổng 16, khớp với bước một.
Khí nitơ N2. Tổng electron là 5 + 5 = 10. Nối N–N dùng 2, còn 8, chia mỗi nitơ ít nhất được 3 cặp thì cần 12, không đủ. Làm theo bước sáu: dời cặp riêng thành cặp chung cho đến khi mỗi nitơ có 8 electron. Kết quả là liên kết ba N≡N và mỗi nitơ còn một cặp riêng. Kiểm đếm: liên kết ba là 6 electron, hai cặp riêng là 4, tổng 10, khớp.
Ion amoni NH4+. Nitơ có 5, bốn hiđro có 4, ion mang điện dương một nên trừ 1, tổng là 8 electron. Nối nitơ với bốn hiđro bằng bốn liên kết đơn, dùng đúng 8 electron. Nitơ có 8, mỗi hiđro có 2, xong. Khi trình bày, đặt cả cấu trúc trong ngoặc vuông và ghi điện tích dương ở góc trên bên phải. Nhiều bạn quên trừ electron của điện tích và được 9 electron, một con số lẻ là dấu hiệu sai ngay.
Bảng tự kiểm sau khi vẽ
Sau khi vẽ xong, đếm lại theo bảng này. Nếu một trong các cột không khớp, quay về bước một.
| Chất | Tổng electron hoá trị | Electron trong liên kết | Electron trong cặp riêng | Khớp không |
|---|---|---|---|---|
| H2O | 1 + 1 + 6 = 8 | 2 liên kết đơn = 4 | 2 cặp trên O = 4 | 4 + 4 = 8, khớp |
| NH3 | 5 + 3 × 1 = 8 | 3 liên kết đơn = 6 | 1 cặp trên N = 2 | 6 + 2 = 8, khớp |
| CH4 | 4 + 4 × 1 = 8 | 4 liên kết đơn = 8 | 0 | 8, khớp |
| Cl2 | 7 + 7 = 14 | 1 liên kết đơn = 2 | 6 cặp = 12 | 2 + 12 = 14, khớp |
| O2 | 6 + 6 = 12 | 1 liên kết đôi = 4 | 4 cặp = 8 | 4 + 8 = 12, khớp |
Ngoài việc đếm tổng, kiểm thêm từng nguyên tử: mỗi nguyên tử của chu kì 2 như C, N, O, F có đúng tám electron quanh mình, hiđro có đúng hai. Quy tắc này trong sách gọi là quy tắc octet, có tài liệu gọi là quy tắc bát tử.
Ba kiểu chất không theo quy tắc octet
Thiếu electron. Bo trong BF3 chỉ có sáu electron quanh mình: ba liên kết đơn với ba nguyên tử flo, không có cặp riêng. Nếu cố tạo liên kết đôi với flo cho đủ tám, bạn sẽ ép nguyên tử có độ âm điện lớn nhất phải chia cặp riêng, điều không phù hợp. Sách chấp nhận BF3 có bo thiếu electron; chính điều này khiến BF3 dễ nhận thêm cặp electron từ chất khác.
Mở rộng quá tám. Nguyên tử từ chu kì 3 trở đi như photpho, lưu huỳnh có thể có nhiều hơn tám electron quanh mình. Trong PCl5, photpho có năm liên kết, tức mười electron. Trong SF6, lưu huỳnh có sáu liên kết, tức mười hai electron. Nguyên tử chu kì 2 như cacbon, nitơ, oxi thì không bao giờ vượt tám.
Số electron lẻ. Nitơ monooxit NO có 5 + 6 = 11 electron hoá trị, một số lẻ, nên không thể xếp tất cả thành cặp. Một nguyên tử chắc chắn có ít hơn tám electron. Những chất như vậy gọi là gốc tự do, thường rất dễ phản ứng.
Nhận ra ngoại lệ từ bước một. Tổng electron lẻ báo hiệu kiểu thứ ba. Nguyên tử trung tâm là bo hay beri báo hiệu kiểu thứ nhất. Nguyên tử trung tâm thuộc chu kì 3 trở đi với nhiều nguyên tử bao quanh báo hiệu kiểu thứ hai.
Câu lệnh mẫu để luyện vẽ cùng AI
Chatbot không vẽ được công thức Lewis đẹp trong khung chat, và khi cố vẽ bằng kí tự, các dấu chấm thường lệch chỗ. Cách hiệu quả là để AI mô tả bằng số đếm, bạn tự vẽ ra giấy.
- "Em đang tập viết công thức Lewis. Với phân tử HCN, đừng vẽ. Hãy hỏi em tổng số electron hoá trị trước, đúng rồi mới hỏi tiếp bước chọn nguyên tử trung tâm."
- "Em vẽ xong công thức Lewis của SO2, kết quả của em: S ở giữa, … Kiểm tra số electron quanh từng nguyên tử và tổng electron, chỉ ra chỗ lệch nếu có."
- "Liệt kê 6 phân tử hoặc ion nhỏ ở mức lớp 10, trong đó có ít nhất 2 chất không theo quy tắc octet. Không nói chất nào, để em tự tìm."
- "Giải thích vì sao oxi không thể có mười electron quanh mình như lưu huỳnh trong SF6, bằng ngôn ngữ cho học sinh lớp 10."
Khi gửi ảnh nháp để AI soát, chụp riêng phần công thức, không chụp cả trang vở có bìa ghi tên. Chất lượng soát cũng tốt hơn khi ảnh chỉ có đúng thứ cần hỏi.
Vì sao AI hay vẽ sai công thức Lewis
Có ba nguyên nhân chính. Thứ nhất, khung chat hiển thị chữ theo dòng, nên một hình hai chiều với các dấu chấm trên dưới trái phải dễ bị dồn lệch, nhìn như cặp electron nằm sai nguyên tử. Thứ hai, mô hình ngôn ngữ đôi khi không đếm từng electron mà "nhớ" hình dạng quen thuộc, nên với chất ít gặp nó có thể vẽ theo mẫu của chất na ná. Thứ ba, ở các ion, AI có lúc quên điện tích khi cộng electron, giống hệt lỗi của học sinh.
Cách phòng là luôn yêu cầu AI đi kèm bảng đếm như bảng tự kiểm ở trên. Một câu trả lời có tổng electron khớp và mỗi nguyên tử đủ tám electron (trừ các ngoại lệ đã biết) thì khả năng cao là đúng. Câu trả lời đẹp mắt nhưng không có số đếm thì đừng chép vào vở.
Cuối cùng, đây là phần kĩ năng tay, giống như tập viết. Đọc lời giải bao nhiêu cũng không bằng tự vẽ mười phân tử. AI có ích nhất khi làm người ra đề và người soát, còn cây bút phải trong tay bạn.
Một lộ trình luyện gợi ý cho tuần đầu: ngày đầu vẽ năm chất chỉ có liên kết đơn như H2O, NH3, CH4, HCl, Cl2; ngày thứ hai thêm các chất có liên kết đôi, ba như O2, N2, CO2, HCN; ngày thứ ba làm ion như NH4+, OH−; ngày thứ tư làm các ngoại lệ. Mỗi ngày nhờ AI ra thêm ba chất cùng loại để làm, và chỉ chuyển sang loại mới khi bạn làm đúng liên tiếp ba chất mà không cần xem lại bước.
Câu hỏi thường gặp
Công thức Lewis khác công thức cấu tạo ở điểm nào?
Công thức Lewis thể hiện cả cặp electron liên kết bằng nét gạch và cặp electron riêng bằng dấu chấm. Công thức cấu tạo chỉ giữ các nét gạch liên kết, bỏ cặp electron riêng. Với nước, công thức Lewis có thêm hai cặp chấm quanh oxi.
Làm sao chọn nguyên tử trung tâm khi viết công thức Lewis?
Thường chọn nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn và có khả năng tạo nhiều liên kết nhất. Hiđro không bao giờ ở trung tâm vì chỉ tạo một liên kết. Trong CO2 chọn cacbon, trong NH3 chọn nitơ, trong H2O chọn oxi.
Quy tắc octet có đúng với mọi chất không?
Không. Quy tắc octet đúng tốt với phần lớn hợp chất của các nguyên tố chu kì 2 như C, N, O, F. Có ba kiểu ngoại lệ: thiếu electron như BF3, vượt quá tám như PCl5 và SF6, và số electron lẻ như NO.
Viết công thức Lewis của ion cần chú ý gì?
Phải cộng thêm electron với ion âm hoặc trừ bớt electron với ion dương khi tính tổng ở bước một. Sau khi vẽ, đặt cả cấu trúc trong ngoặc vuông và ghi điện tích ở góc trên bên phải, ví dụ ion amoni có tổng tám electron.
Tổng số electron hoá trị ra số lẻ thì có phải tính sai không?
Không nhất thiết. Với phân tử trung hoà như NO hay NO2, tổng electron hoá trị đúng là số lẻ và đó là gốc tự do. Nhưng nếu bạn đang viết một ion quen thuộc như NH4+ mà ra số lẻ, nhiều khả năng bạn quên tính điện tích.
Có nên nhờ AI vẽ hộ công thức Lewis để nộp bài không?
Không nên. AI dễ vẽ lệch dấu chấm trong khung chat và bạn sẽ không luyện được kĩ năng đếm. Bạn nên nhờ AI hỏi từng bước hoặc soát số đếm sau khi bạn tự vẽ, cách này giúp bạn làm được bài kiểm tra khi không có máy.