Hình dạng của một phân tử nhỏ được quyết định bởi cách các cặp electron quanh nguyên tử trung tâm đẩy nhau ra xa nhất có thể; đếm đúng số cặp electron, bạn đoán được phân tử thẳng, tam giác, tứ diện, chóp hay gấp khúc mà không cần học thuộc từng chất.
Nhiều bạn nhớ "nước có góc 104,5 độ" như một con số rời rạc. Bài này cho bạn cái lý đằng sau con số đó, kèm bảng năm phân tử mẫu, cách làm mô hình bằng bóng bay ở nhà và những chỗ AI hay mô tả sai khi chỉ dùng chữ để nói về không gian ba chiều.
Vì sao phân tử lại có hình dạng
Electron mang điện âm, các cặp electron đẩy nhau. Quanh một nguyên tử trung tâm, mỗi cặp electron, dù là cặp dùng chung trong liên kết hay cặp riêng không liên kết, đều chiếm một vùng không gian và cố tránh xa các cặp khác. Cách sắp xếp sao cho các vùng này xa nhau nhất chính là hình dạng của phân tử. Ý tưởng này có tên tiếng Anh viết tắt là VSEPR, sách tiếng Việt thường gọi là mô hình sự đẩy giữa các cặp electron hoá trị.
Hãy thử với bóng bay: buộc hai quả bóng bay cùng cỡ vào một điểm, chúng tự nằm thẳng hàng hai bên. Buộc ba quả, chúng toả ra thành hình tam giác phẳng. Buộc bốn quả, chúng không nằm phẳng mà chĩa ra bốn đỉnh của một hình tứ diện. Bóng bay đẩy nhau vì chiếm chỗ, electron đẩy nhau vì cùng dấu điện, nhưng hình học kết quả giống nhau.
Từ hình ảnh này, bạn rút ra hai điều. Thứ nhất, cái cần đếm là số vùng electron quanh nguyên tử trung tâm, không phải số nguyên tử. Thứ hai, liên kết đôi hay liên kết ba vẫn chỉ tính là một vùng, vì các cặp electron của chúng cùng nằm giữa hai nguyên tử, không toả đi các hướng khác nhau.
Dự đoán hình dạng phân tử trong năm bước
Quy trình dưới đây áp dụng cho phân tử có một nguyên tử trung tâm, đúng với phần lớn bài tập ở lớp 10.
- Viết công thức Lewis của phân tử để biết nguyên tử trung tâm có bao nhiêu liên kết và bao nhiêu cặp electron riêng. Bài viết công thức Lewis trong danh mục này hướng dẫn chi tiết bước này.
- Đếm số vùng electron quanh nguyên tử trung tâm: mỗi liên kết với một nguyên tử khác là một vùng (đơn, đôi hay ba đều tính một), mỗi cặp electron riêng là một vùng.
- Xếp các vùng xa nhau nhất: hai vùng thành đường thẳng, ba vùng thành tam giác phẳng, bốn vùng thành tứ diện.
- Bỏ các cặp electron riêng ra khi gọi tên hình dạng, vì hình dạng phân tử chỉ mô tả vị trí các nguyên tử. Bốn vùng có một cặp riêng thành chóp tam giác, bốn vùng có hai cặp riêng thành gấp khúc.
- Điều chỉnh góc: cặp electron riêng chiếm nhiều chỗ hơn cặp liên kết, ép các liên kết lại gần nhau, nên góc thực tế nhỏ hơn góc lý tưởng.
Bước bốn là chỗ nhiều bạn sai nhất: thấy nước có bốn vùng electron liền trả lời "tứ diện". Cách sắp xếp các vùng electron là tứ diện, nhưng hình dạng phân tử nước, chỉ tính ba nguyên tử, là gấp khúc.
Năm phân tử mẫu nên thuộc cách suy ra
Bảng sau tổng hợp năm phân tử hay ra đề. Bạn nên che hai cột cuối, tự suy từ cột số vùng rồi mới đối chiếu.
| Phân tử | Số vùng electron quanh nguyên tử trung tâm | Số cặp riêng | Hình dạng | Góc liên kết gần đúng |
|---|---|---|---|---|
| CO2 | 2 | 0 | Đường thẳng | 180° |
| BF3 | 3 | 0 | Tam giác phẳng | 120° |
| CH4 | 4 | 0 | Tứ diện | 109,5° |
| NH3 | 4 | 1 | Chóp tam giác | khoảng 107° |
| H2O | 4 | 2 | Gấp khúc (chữ V) | khoảng 104,5° |
Ba dòng cuối đặt cạnh nhau cho thấy một quy luật đẹp: cùng bốn vùng electron, mỗi khi một cặp liên kết được thay bằng một cặp riêng, góc liên kết nhỏ lại vài độ. Bạn không cần thuộc ba con số; chỉ cần nhớ thứ tự metan lớn nhất, nước nhỏ nhất và giải thích được vì sao.
BF3 là trường hợp đặc biệt vì nguyên tử bo chỉ có sáu electron quanh nó, ít hơn tám. Đây là một ngoại lệ của quy tắc octet, cũng được nói kĩ trong bài về công thức Lewis.
Cặp electron riêng chiếm chỗ nhiều hơn
Một cặp electron liên kết bị hai hạt nhân cùng hút nên bị kéo dài ra, nằm gọn giữa hai nguyên tử. Một cặp electron riêng chỉ chịu sức hút của một hạt nhân, nên phình ra rộng hơn quanh nguyên tử trung tâm. Hệ quả là lực đẩy giữa các cặp xếp theo thứ tự: cặp riêng với cặp riêng đẩy mạnh nhất, cặp riêng với cặp liên kết ở giữa, cặp liên kết với cặp liên kết yếu nhất.
Trong NH3, một cặp riêng của nitơ ép ba liên kết N–H khép lại, góc giảm từ 109,5° xuống khoảng 107°. Trong H2O, hai cặp riêng của oxi ép mạnh hơn nữa, góc còn khoảng 104,5°. Bạn có thể kiểm lại bằng mô hình bóng bay: thay một quả bóng nhỏ bằng một quả to hơn, các quả còn lại bị đẩy dồn về phía bên kia.
Ý tưởng này đủ để trả lời các câu hỏi so sánh góc liên kết ở phổ thông. Những trường hợp phức tạp hơn, như phân tử có nguyên tử trung tâm thuộc chu kì 3 trở đi với góc gần 90°, thường không có trong chương trình cơ bản. Nếu AI đưa ra một lời giải thích dài về các trường hợp đó khi bạn chỉ hỏi bài lớp 10, bạn có thể đề nghị nó quay về đúng phạm vi.
Một cách luyện hay là tự đặt câu hỏi "nếu thì sao". Nếu nước có ba cặp riêng và một liên kết thì sao? Không thể, vì nước cần hai liên kết với hai hiđro. Nếu amoniac mất cặp riêng, nhận thêm một H+ thành NH4+ thì sao? Bốn vùng đều là liên kết, hình dạng trở về tứ diện đều, góc quay về 109,5°. Những câu như vậy giúp bạn thấy hình dạng thay đổi theo đúng quy tắc, chứ không phải mỗi chất một con số riêng phải nhớ.
Hình dạng quyết định phân tử có phân cực hay không
Mỗi liên kết phân cực giống một mũi tên chỉ về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn. Độ phân cực của cả phân tử là tổng các mũi tên đó, cộng theo kiểu vectơ như trong vật lý. Đó là lý do hình dạng quan trọng: cùng loại liên kết, xếp đối xứng thì các mũi tên triệt tiêu, xếp lệch thì cộng dồn.
So sánh CH4 và CH3Cl cho thấy rõ điều này. Metan có bốn liên kết C–H giống nhau xếp tứ diện đều, gần như không phân cực, tổng bằng không. Khi thay một nguyên tử hiđro bằng clo, liên kết C–Cl phân cực mạnh hơn hẳn, sự đối xứng bị phá, phân tử CH3Cl trở thành phân cực. Tương tự, CO2 thẳng hàng không phân cực, còn H2O gấp khúc phân cực.
Tính phân cực của phân tử ảnh hưởng đến những thứ rất đời thường. Lò vi sóng làm nóng thức ăn chủ yếu nhờ các phân tử nước phân cực xoay theo điện trường đổi chiều liên tục và sinh nhiệt. Nước hoà tan muối, đường nhưng không hoà tan dầu cũng là chuyện của phân cực, có bài riêng trong danh mục này.
Lai hoá: biết tên, đừng nhầm nhân quả
Lai hoá là cách mô tả, không phải nguyên nhân. Một số sách lớp 10 và chuyên đề có giới thiệu lai hoá orbital: sp ứng với hình thẳng, sp2 ứng với tam giác phẳng, sp3 ứng với tứ diện. Lai hoá giúp mô tả các liên kết trong một hình dạng đã biết, còn việc dự đoán hình dạng nên đi từ số vùng electron như các bước ở trên.
Đếm vùng electron là ra kiểu lai hoá. Hai vùng là sp, ba vùng là sp2, bốn vùng là sp3. Vì vậy nguyên tử oxi trong nước và nitơ trong amoniac đều được mô tả là lai hoá sp3, dù hình dạng phân tử khác nhau.
Nếu chương trình của bạn không có lai hoá. Bạn có thể đọc lướt phần này. Câu hỏi hình dạng phân tử vẫn trả lời đầy đủ được chỉ bằng cách đếm vùng electron và cặp riêng. Nếu sách của bạn có, hãy học theo đúng thứ tự sách trình bày để khỏi rối thuật ngữ.
Khi AI nhắc đến lai hoá sp3d hay sp3d2. Đây là cách mô tả cũ cho phân tử như PCl5, SF6 và hiện bị nhiều nhà hoá học xem là không chính xác. Ở mức phổ thông, nếu sách không yêu cầu, bạn không cần đi vào.
Câu lệnh mẫu và cách tự kiểm hình AI mô tả
Hình dạng là chuyện không gian ba chiều, mà chatbot trả lời bằng chữ, nên lỗi mô tả xảy ra nhiều hơn các phần khác. Bạn nên bắt AI trình bày theo bảng các con số đếm được và tự dựng mô hình để kiểm.
- "Với phân tử NH3, hãy cho em biết: nguyên tử trung tâm, số liên kết, số cặp electron riêng, số vùng electron, hình dạng, góc gần đúng. Trình bày từng dòng, chưa giải thích."
- "Em đoán SO2 có hình gấp khúc. Đừng xác nhận ngay, hỏi em đã đếm số vùng electron quanh S như thế nào."
- "Ra cho em 6 phân tử nhỏ quen thuộc ở lớp 10 để em tự đoán hình dạng và xem phân tử có phân cực không. Chờ em trả lời xong mới chấm."
- "Hướng dẫn em làm mô hình phân tử bằng đất nặn và tăm tre cho CH4 và H2O, nói rõ cách cắm tăm để góc gần đúng."
Mô hình đất nặn và tăm tre, hay bóng bay buộc chùm, là cách kiểm rẻ và an toàn nhất: cầm trên tay, xoay các phía, bạn sẽ thấy ngay vì sao metan không phẳng. Nếu bạn gửi ảnh chụp mô hình của mình để AI nhận xét, chú ý khung hình không lộ khuôn mặt hay đồng phục có tên trường.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao phân tử nước không thẳng như CO2?
Nguyên tử oxi trong nước có hai liên kết và hai cặp electron riêng, tổng cộng bốn vùng electron xếp theo tứ diện. Chỉ tính vị trí ba nguyên tử thì phân tử có hình gấp khúc. Cacbon trong CO2 chỉ có hai vùng electron nên thẳng hàng.
Liên kết đôi có tính là hai vùng electron không?
Không. Liên kết đôi hay liên kết ba giữa hai nguyên tử vẫn chỉ tính là một vùng electron, vì các cặp electron đó cùng nằm trên hướng nối hai nguyên tử. Vì vậy CO2 có hai liên kết đôi nhưng chỉ hai vùng, nên thẳng hàng.
Góc liên kết trong nước là bao nhiêu và có cần học thuộc không?
Góc H–O–H khoảng 104,5 độ. Bạn nên nhớ con số gần đúng, nhưng quan trọng hơn là giải thích được vì sao nó nhỏ hơn 109,5 độ của tứ diện đều: hai cặp electron riêng của oxi chiếm nhiều chỗ, ép hai liên kết lại gần nhau.
Hình dạng phân tử liên quan gì đến tính tan?
Hình dạng quyết định phân tử có phân cực không, và tính phân cực ảnh hưởng mạnh đến khả năng hoà tan. Chất phân cực thường tan tốt trong dung môi phân cực như nước, chất không phân cực thường tan tốt trong dung môi không phân cực.
Có nên dùng phần mềm hoặc AI vẽ phân tử 3D thay cho mô hình tay không?
Có thể dùng cả hai. Phần mềm cho hình đẹp và góc chính xác, còn mô hình tay giúp bạn nhớ lâu vì phải tự đếm và tự dựng. Nếu AI mô tả bằng chữ, hãy tự dựng lại theo mô tả đó để kiểm tra nó có đúng không.
Lai hoá có bắt buộc phải học không?
Tuỳ bộ sách và chương trình bạn đang học. Phần dự đoán hình dạng phân tử có thể làm hoàn toàn bằng cách đếm vùng electron. Nếu sách của bạn có lai hoá, hãy nhớ quy tắc hai vùng là sp, ba vùng là sp2, bốn vùng là sp3.