Hình học VSEPR và độ phân cực của phân tử

Đếm các vùng electron quanh nguyên tử trung tâm

VSEPR xuất phát từ một cấu trúc Lewis đúng. Quanh nguyên tử trung tâm, hãy đếm các vùng electron: mỗi cặp electron tự do là một vùng, và mỗi liên kết với một nguyên tử khác là một vùng dù là liên kết đơn, đôi hay ba. Tổng thường được gọi là số steric. Liên kết đôi chỉ được đếm một lần vì các electron của nó chiếm cùng một vùng không gian giữa hai nguyên tử.

Số steric xác định hình học vùng electron, cách sắp xếp giữ các vùng xa nhau nhất. Hai vùng là đường thẳng (180°), ba vùng là tam giác phẳng (120°), bốn vùng là tứ diện (109.5°), năm vùng là lưỡng tháp tam giác (90° và 120°), và sáu vùng là bát diện (90°).

Một nhãn ngắn giúp theo dõi số đếm. Trong ký hiệu AXₘEₙ, A là nguyên tử trung tâm, m là số nguyên tử liên kết X và n là số cặp electron tự do E trên nguyên tử trung tâm. Nước là AX₂E₂: hai nguyên tử liên kết và hai cặp electron tự do, số steric 4.

Hình học vùng electron so với hình dạng phân tử

Các cặp electron tự do chiếm chỗ, nhưng chúng không phải nguyên tử, nên chúng không hiện trong tên của hình dạng phân tử. Hình học phân tử chỉ mô tả nơi các nguyên tử nằm. Khi nguyên tử trung tâm không có cặp electron tự do, hai hình học là một; khi có cặp electron tự do, chúng khác nhau.

Trong lưỡng tháp tam giác, các vị trí không tương đương: ba vị trí xích đạo cách nhau 120° và hai vị trí trục cách mặt phẳng xích đạo 90°. Các cặp electron tự do đi vào vị trí xích đạo trước, vì một vị trí xích đạo chỉ có hai lân cận ở 90° trong khi một vị trí trục có ba.

• Số steric 3: AX₃ tam giác phẳng; AX₂E gấp khúc, góc nhỏ hơn 120°.
• Số steric 4: AX₄ tứ diện; AX₃E chóp tam giác; AX₂E₂ gấp khúc, các góc nhỏ hơn 109.5°.
• Số steric 5: AX₅ lưỡng tháp tam giác; AX₄E bập bênh; AX₃E₂ hình chữ T; AX₂E₃ đường thẳng.
• Số steric 6: AX₆ bát diện; AX₅E chóp vuông; AX₄E₂ vuông phẳng.

Vì sao cặp electron tự do làm hẹp góc liên kết

Một cặp electron tự do chỉ bị giữ bởi một hạt nhân, nên mật độ electron của nó trải rộng hơn gần nguyên tử trung tâm so với một cặp liên kết. Vì vậy lực đẩy theo thứ tự cặp tự do–cặp tự do > cặp tự do–cặp liên kết > cặp liên kết–cặp liên kết, và mỗi cặp tự do thêm vào ép các liên kết còn lại lại gần nhau hơn.

Họ tứ diện cho thấy xu hướng này. Metan, CH₄, không có cặp tự do, có các góc H–C–H bằng 109.5°. Amoniac, NH₃, có một cặp tự do, có các góc H–N–H nhỏ hơn một chút. Nước, có hai cặp tự do, có góc H–O–H bằng 104.5°, giá trị cho trong OpenStax Chemistry 2e. Liên kết bội có tác dụng tương tự nhưng nhỏ hơn, vì liên kết đôi giữ nhiều mật độ electron hơn liên kết đơn.

VSEPR dự đoán đúng hướng của các độ lệch này một cách đáng tin cậy, nhưng không đúng độ lớn chính xác của chúng. Khi một câu hỏi yêu cầu góc trong phân tử có cặp tự do, hãy trả lời "nhỏ hơn một chút" so với giá trị lý tưởng trừ khi bạn có số liệu đo.

Các ví dụ có lời giải: clo triflorua và xenon tetraflorua

Clo triflorua, ClF₃. Electron hóa trị: 7 + 3(7) = 28. Ba liên kết đơn Cl–F dùng 6 electron, và hoàn thành ba bát tử flo dùng 3 × 6 = 18, tổng 24. 4 electron còn lại đặt lên clo thành hai cặp electron tự do. Clo có ba liên kết và hai cặp tự do, nên là AX₃E₂ với số steric 5 và hình học vùng electron lưỡng tháp tam giác.

Cả hai cặp tự do đều chiếm vị trí xích đạo. Điều đó để lại một flo trong mặt phẳng xích đạo và hai flo ở vị trí trục, nên các nguyên tử tạo thành hình chữ T. Các cặp tự do đẩy hai flo trục về phía flo xích đạo, nên các góc F–Cl–F nhỏ hơn 90° một chút. Ba momen lưỡng cực liên kết Cl–F không triệt tiêu trong hình chữ T, nên ClF₃ phân cực.

Xenon tetraflorua, XeF₄. Electron hóa trị: 8 + 4(7) = 36. Bốn liên kết Xe–F dùng 8 electron và các cặp tự do của flo dùng 4 × 6 = 24, tổng 32. 4 electron còn lại là hai cặp tự do trên xenon. Với bốn liên kết và hai cặp tự do, xenon là AX₄E₂, số steric 6, hình học vùng electron bát diện.

Trong hình bát diện mọi vị trí đều tương đương, nên cặp tự do đầu tiên có thể ở bất cứ đâu; cặp thứ hai nằm ngay đối diện nó, cách 180°, để giảm tối thiểu lực đẩy cặp tự do–cặp tự do. Bốn nguyên tử flo khi đó nằm trong một mặt phẳng, cách các lân cận 90°: vuông phẳng. Mỗi liên kết Xe–F đều phân cực, nhưng các liên kết đối diện hướng đúng ngược nhau, nên các momen lưỡng cực triệt tiêu và XeF₄ không phân cực.

Cộng các momen lưỡng cực liên kết để tìm độ phân cực phân tử

Liên kết giữa các nguyên tử có độ âm điện khác nhau là liên kết phân cực, với điện tích riêng phần âm (δ−) trên nguyên tử có độ âm điện lớn hơn. Mỗi momen lưỡng cực liên kết có độ lớn và hướng, nên nó hoạt động như một vectơ. Momen lưỡng cực phân tử là tổng vectơ của mọi momen lưỡng cực liên kết, thường được báo cáo bằng debye (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

Các momen lưỡng cực liên kết triệt tiêu khi các liên kết giống hệt nhau được sắp xếp đối xứng quanh nguyên tử trung tâm. Điều đó xảy ra với các phân tử AX₂ đường thẳng, AX₃ tam giác phẳng, AX₄ tứ diện, AX₅ lưỡng tháp tam giác và AX₆ bát diện khi mọi nguyên tử X giống nhau, và cả với các hình AX₄E₂ vuông phẳng và AX₂E₃ đường thẳng, trong đó các cặp tự do được sắp xếp đối xứng và mỗi liên kết hướng đúng ngược với một liên kết giống hệt. Các tổ hợp khác của hình dạng và nhóm thế nhìn chung để lại một momen lưỡng cực thực.

So sánh có lời giải: lưu huỳnh đioxit và lưu huỳnh trioxit. SO₂ có 6 + 2(6) = 18 electron hóa trị; cấu trúc Lewis của nó đặt hai vùng liên kết và một cặp tự do trên lưu huỳnh (AX₂E), nên phân tử gấp khúc. Hai momen lưỡng cực S–O hướng một phần về cùng phía, tổng của chúng khác không, và SO₂ phân cực. SO₃ có 6 + 3(6) = 24 electron hóa trị và ba vùng liên kết không có cặp tự do trên lưu huỳnh (AX₃), nên là tam giác phẳng. Ba momen lưỡng cực bằng nhau cách nhau 120° có tổng bằng không, và SO₃ không phân cực dù mọi liên kết trong nó đều phân cực.

Những sai lầm thường gặp về hình dạng và độ phân cực

Hầu hết lỗi đến từ việc bỏ qua cấu trúc Lewis hoặc đọc hình vẽ phẳng trên trang giấy như thể đó là hình dạng thực. Một quy trình nhanh sẽ bắt được chúng: vẽ cấu trúc Lewis, đếm các vùng trên nguyên tử trung tâm, gọi tên hình học vùng electron, bỏ các cặp tự do đi để gọi tên hình dạng phân tử, rồi cộng các momen lưỡng cực liên kết trong không gian ba chiều.

Một mô hình vật lý hoặc hình phác cẩn thận với nét chêm và nét đứt giúp ích cho bước cuối. Nếu bạn có thể xoay phân tử sao cho một momen lưỡng cực liên kết không có cặp nào hướng ngược lại, thì phân tử phân cực. Nếu mọi liên kết đều được bù bởi một liên kết giống hệt ở phía đối diện, hoặc bởi một bộ đối xứng như ba liên kết cách nhau 120°, thì nó không phân cực.

• Gọi tên hình học vùng electron khi câu hỏi hỏi hình dạng phân tử. Các vùng của nước là tứ diện; hình dạng của nó là gấp khúc.
• Quên các cặp tự do trên nguyên tử trung tâm, khiến NH₃ bị nhầm thành phân tử tam giác phẳng.
• Đếm một liên kết đôi hoặc ba là hai hoặc ba vùng.
• Kết luận phân tử phân cực vì các liên kết của nó phân cực, mà không kiểm tra xem các momen lưỡng cực có triệt tiêu không.
• Đánh giá tính đối xứng từ một hình vẽ phẳng. CH₂Cl₂ trông đối xứng trên giấy nhưng là tứ diện với hai loại liên kết khác nhau, nên nó phân cực.
• Đặt các cặp tự do ở vị trí trục của lưỡng tháp tam giác, cho ra hình dạng sai với SF₄, ClF₃ và XeF₂.