Chuyên đề Hóa 10 Bài 1 (Cánh diều): Liên kết hóa học và hình học phân tử

Giải bài tập Chuyên đề Hóa 10 Bài 1: Liên kết hóa học và hình học phân tử

Giải bài tập trang 6 Chuyên đề Hóa 10 Bài 1

Mở đầu trang 6 Chuyên đề Hóa 10: Theo em, dạng hình học nào sau đây của hai phân tử carbon dioxide và nước là đúng?

Trả lời:

Đáp án đúng là: A

Phân tử CO₂ có cấu tạo thẳng; phân tử H₂O có cấu tạo góc.

I. Công thức Lewis và mô hình VSEPR

1. Công thức Lewis

Câu hỏi 1 trang 6 Chuyên đề Hóa 10: Những electron như thế nào được gọi là:

a) Electron hóa trị

b) Electron chung

c) Electron hóa trị riêng

Trả lời:

a) Electron hóa trị là những electron có khả năng tham gia vào việc hình thành liên kết hóa học (thường là những electron ở lớp ngoài cùng hoặc ở phân lớp sát lớp ngoài cùng nếu phân lớp đó chưa bão hòa).

b) Electron chung là những electron hóa trị tham gia vào việc hình thành liên kết hóa học.

c) Electron hóa trị riêng là những electron hóa trị nhưng không tham gia vào việc hình thành liên kết hóa học.

Ví dụ:

- Nguyên tử F có có cấu hình electron là 1s²2s²2p⁵

⇒ Nguyên tử F có 7 electron hóa trị

- Liên kết giữa hai nguyên tử F trong phân tử F₂ được thực hiện nhờ 1 đôi electron góp chung; các electron còn lại được gọi là electron hóa trị riêng.

Câu hỏi 2 trang 6 Chuyên đề Hóa 10: Viết công thức cấu tạo của CO₂ và H₂O

Trả lời:

Công thức cấu tạo của CO₂ là O = C = O

Công thức cấu tạo của H₂O là H – O – H

Giải bài tập trang 8 Chuyên đề Hóa 10 Bài 1

Luyện tập 1 trang 8 Chuyên đề Hóa 10: Viết công thức Lewis của CH₄, BF₃, SO₃ và F₂O

Trả lời:

- Công thức Lewis của CH₄:

Bước 1: Tính tổng số electron hóa trị (N₁) của phân tử CH₄

Carbon có 4 electron hóa trị, hydrogen có 1 electron hóa trị. Trong CH₄ có 1 nguyên tử carbon và 4 nguyên tử hydrogen. Vậy N₁ = 1.4 + 4.1 = 8 (electron).

Bước 2: Vẽ khung phân tử tạo bởi liên kết đơn giữa các nguyên tử:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N₂ = 4.2 = 8 electron

Số electron hóa trị còn lại là N₃ = N₁ – N₂ = 8 – 0 = 0

Vậy công thức Lewis của CH₄ là

- Công thức Lewis của BF₃

Bước 1: Tính tổng số electron hóa trị (N₁) của phân tử BF₃

Boron có 3 electron hóa trị, fluorine có 7 electron hóa trị. Trong phân tử BF₃ có 1 nguyên tử boron và 3 nguyên tử fluorine. Vậy N₁ = 1.3 + 3.7 = 24  electron

Bước 2: Vẽ khung phân tử tạo bởi liên kết đơn giữa các nguyên tử

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N₂ = 3.2 = 6 electron

Số electron hóa trị còn lại là N₃ = N₁ – N₂ = 24 – 6 = 18 electron

Bước 3: Sử dụng 18 electron này để tạo octet cho F trước (vì F có độ âm điện cao hơn)

Bước 4: Nguyên tử B chưa được octet nên ta chuyển 1 cặp electron chưa liên kết của F tạo cặp electron chung

Vậy công thức Lewis của BF₃

- Công thức Lewis của SO₃

Bước 1: Tính tổng số electron hóa trị (N₁) của phân tử SO₃

Sulfur có 6 electron hóa trị, oxygen có 6 electron hóa trị. Trong phân tử SO₃, có 1 nguyên tử S và 3 nguyên tử O. Vậy N₁ = 1.6 + 3.6 = 24 electron

Bước 2: Vẽ khung phân tử tạo bởi liên kết đơn giữa các nguyên tử:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N₂ = 3.2 = 6 electron

Số electron hóa trị còn lại là N₃ = N₁ – N₂ = 24 – 6 = 18 electron

Bước 3: Sử dụng N₃ = 18 electron để tạo octet cho O trước (do O có độ âm điện lớn hơn)

Bước 4: Đã sử dụng hết 18 electron để tạo octet cho O. Tuy nhiên S chưa đủ octet nên ta chuyển 1 cặp electron của nguyên tử O bên trái tạo thành cặp electron dùng chung.

chung.

 

- Công thức Lewis của F₂O

Bước 1: Tính tổng số electron hóa trị (N₁) của phân tử OF₂

Flourine có 7 electron hóa trị, oxygen có 6 electron hóa trị. Trong phân tử F₂O có hai nguyên tử F và 1 nguyên tử O nên

⇒ Tổng số electron hóa trị N₁ = 2.7 + 1.6 = 20 electron

Bước 2: Vẽ khung phân tử tạo bởi liên kết đơn giữa các nguyên tử:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N₂ = 2.2 = 4 electron

Số electron hóa trị còn lại là N₃ = 20 – 4 = 16 electron

Bước 3: Sử dụng N₃ = 16 electron để tạo octet cho F trước, sau đó tạo octet cho O.

Vậy công thức Lewis của F₂O là

2. Mô hình VSEPR

Giải bài tập trang 9 Chuyên đề Hóa 10 Bài 1

Câu hỏi 3 trang 9 Chuyên đề Hóa 10: Các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau hay hút nhau?

Trả lời:

Các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau.

Luyện tập 2 trang 9 Chuyên đề Hóa 10: Giải thích vì sao khi xung quanh nguyên tử trung tâm có 3 đám mây electron hóa trị E thì 3 đám mây này có xu hướng nằm ở 3 đỉnh của một tam giác phẳng.

Trả lời:

Xung quanh nguyên tử trung tâm (kí hiệu là A) có 3 đám mây electron hóa trị (kí hiệu là E), thì do lực đẩy giữa 3 đám mây electron (cùng mang điện tích âm) nên 3 đám mây này phải có vị trí xa nhau nhất. Do đó, vị trí hợp lý là ba đám mây E được phân bố trên mặt phẳng hướng về ba đỉnh của tam giác.

Giải bài tập trang 10 Chuyên đề Hóa 10 Bài 1

Luyện tập trang 10 Chuyên đề Hóa 10: Viết công thức Lewis, dự đoán dạng hình học của phân tử CH₄

Trả lời:

Bước 1: Viết công thức Lewis của CH₄

Bước 2: Nguyên tử trung tâm C có 4 liên kết đơn xung quanh tương ứng với 4 đám mây electron hóa trị. Công thức VSEPR của CH₄ là AE₄

Bước 3: Dựa vào dạng hình học phân tử theo VSEPR (4 đám mây hướng tới 4 đỉnh của một tứ diện) dự đoán: dạng hình học không gian của CH₄ có dạng tứ diện

II. Sự lai hóa orbital

1. Khái niệm

2. Các dạng lai hóa phổ biến

Giải bài tập trang 11 Chuyên đề Hóa 10 Bài 1

Câu hỏi 4 trang 11 Chuyên đề Hóa 10: Đặc điểm dạng hình học khác nhau giữa AO lai hóa với AO s và với AO p là gì?

Trả lời:

AO lai hóa có định hướng khác với AO s và AO p trong không gian. Do AO lai hóa là sự tổ hợp các AO của cùng một nguyên tử để tạo ra các AO mới có hình dạng như nhau nhưng có định hướng không gian khác nhau phù hợp với sự hình thành liên kết và dạng hình học phân tử tương ứng.

Ví dụ: 

Giải bài tập trang 12 Chuyên đề Hóa 10 Bài 1

Câu hỏi 5 trang 12 Chuyên đề Hóa 10: Nguyên tử C trong CO₂ có dạng lai hóa gì? Trình bày sự hình thành dạng lai hóa đó.

Trả lời:

Công thức Lewis của CO₂:

Từ công thức Lewis của CO₂, xác định được phân tử này có dạng đường thẳng theo mô hình VSEPR.

Cấu hình electron của C (Z = 6) là 1s²2s²2p². Để tạo liên kết với O, trước tiên có sự dịch chuyển 1 electron từ 2s lên 2p tạo cấu hình electron ở trạng thái kích thích là 1s²2s¹2p³

Trong phân tử CO₂, nguyên tử C phải có lai hóa sp giữa 2 AO (1 AO 2s và 1 AO 2p) để tạo ra 2 AO lai hóa (AO sp) cùng nằm trên một đường thẳng.

2 AO lai hóa này xen phủ trục với 2 AO 2p chứa electron độc thân của 2 nguyên tử O tạo thành liên kết σ.

Hai AO 2p không lai hóa của nguyên tử C có chứa electron độc thân xen phủ bên với 2AO 2p chứa electron độc thân còn lại của 2 nguyên tử O, tạo nên 2 liên kết π.

Giải bài tập trang 13 Chuyên đề Hóa 10 Bài 1

Câu hỏi 6 trang 13 Chuyên đề Hóa 10: Khung phân tử acetone tạo bởi 3 nguyên tử C và 1 nguyên tử O có dạng tam giác phẳng theo mô hình VSEPR. Xác định dạng lai hóa của nguyên tử trung tâm C. Biết công thức của acetone là:

Trả lời:

Phân tử acetone có dạng tam giác phẳng theo mô hình VSEPR.

Cấu hình electron của C (Z = 6) là 1s²2s²2p². Cấu hình electron của C (Z = 6) ở trạng thái kích thích là 1s²2s¹2p³

1 AO 2s tổ hợp với 2 AO 2p tạo 3 AO lai hóa sp²

3 AO lai hóa của nguyên tử C hướng về 3 đỉnh của một tam giác đều.

Luyện tập 4 trang 13 Chuyên đề Hóa 10: Trình bày sự hình thành lai hóa sp³ của nguyên tử C trong CH₄ và hình thành các liên kết trong phân tử này.

Trả lời:

Công thức Lewis của CH₄ là

Từ công thức Lewis của CH₄ ta xác định được phân tử này có dạng tứ diện theo mô hình VSEPR.

Cấu hình electron của C (Z = 6) là 1s²2s²2p². Cấu hình electron của C (Z = 6) ở trạng thái kích thích là 1s²2s¹2p³

1 AO 2s tổ hợp với 3 AO 2p tạo 4 AO lai hóa sp³

4 AO lai hóa sp³ của nguyên tử C xen phủ với 4 AO s của nguyên tử H tạo thành 4 liên kết σ hướng về 4 đỉnh của một tứ diện đều.

Bài tập

Giải bài tập trang 14 Chuyên đề Hóa 10 Bài 1

Bài tập 1 trang 14 Chuyên đề Hóa 10: Viết công thức Lewis của CF₄, C₂H₆, C₂H₄ và C₂H₂.

Trả lời:

- Công thức Lewis của CF₄

Bước 1: Tính tổng số electron hóa trị (N₁) của phân tử CF₄.

C có 4 electron hóa trị, F có 7 electron hóa trị. Trong phân tử CF₄ có 1 nguyên tử C và 4 nguyên tử F. Vậy N₁ = 1.4 + 4.7 = 32 electron

Bước 2: Vẽ khung phân tử tạo bởi liên kết đơn giữa các nguyên tử:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N₂ = 4.2 = 8 electron

Số electron hóa trị còn lại là N₃ = N₁ – N₂ = 32 – 8 = 24 electron

Bước 3: Sử dụng 24 electron này để tạo octet cho F trước (vì F có độ âm điện cao hơn)

Bước 4: Nguyên tử C đã được octet. Vậy công thức Lewis của CF₄ là

- Công thức Lewis của C₂H₆

Bước 1: Tính tổng số electron hóa trị (N₁) của phân tử C₂H₆.

C có 4 electron hóa trị, H có 1 electron hóa trị. Trong phân tử C₂H₆ có 2 nguyên tử C và 6 nguyên tử H. Vậy N₁ = 2.4 + 6.1 = 14 electron

Bước 2: Vẽ khung phân tử tạo bởi liên kết đơn giữa các nguyên tử:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N₂ = 7.2 = 14 electron

Số electron hóa trị còn lại là N₃ = N₁ – N₂ = 14 – 14 = 0 electron

Bước 3: Nguyên tử C và H đều đã được octet. Vậy công thức Lewis của C₂H₆ là

- Công thức Lewis của C₂H₄

Bước 1: Tính tổng số electron hóa trị (N₁) của phân tử C₂H₄:

C có 4 electron hóa trị, H có 1 electron hóa trị. Trong phân tử C₂H₄, có 2 nguyên tử C và 4 nguyên tử H. Vậy N₁ = 2.4 + 4.1 = 12 electron

Bước 2: Vẽ khung phân tử tạo bởi liên kết đơn giữa các nguyên tử.

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N₂ = 5.2 = 10 electron

Số electron hóa trị còn lại là N₃ = N₁ – N₂ = 12 – 10 = 2 electron

Bước 3: Sử dụng N₃ = 2 electron để tạo octet cho C trước

Bước 4: Đã sử dụng hết 2 electron để tạo octet cho C. Tuy nhiên C còn lại chưa đủ octet nên ta chuyển 1 cặp electron của nguyên tử C vừa được tạo octet tạo thành cặp electron dùng chung giữa hai nguyên tử C. Các nguyên tử H đã đủ octet. Vậy công thức Lewis của C₂H₄ là

- Công thức lewis của C₂H₂

Bước 1: Tính tổng số electron hóa trị (N₁) của phân tử C₂H₂:

C có 4 electron hóa trị, H có 1 electron hóa trị. Trong phân tử C₂H₂, có 2 nguyên tử C và 2 nguyên tử H. Vậy N₁ = 2.4 + 2.1 = 10 electron

Bước 2: Vẽ khung phân tử tạo bởi liên kết đơn giữa các nguyên tử:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N₂ = 3.2 = 6 electron

Số electron hóa trị còn lại là N₃ = N₁ – N₂ = 10 – 6 = 4 electron

Bước 3: Sử dụng N₃ = 4 electron để tạo octet cho một C trước

Bước 4: Đã sử dụng hết 4 electron để tạo octet cho một C. Tuy nhiên C còn lại chưa đủ octet nên ta chuyển 2 cặp electron của nguyên tử C vừa được tạo octet tạo thành cặp electron dùng chung giữa hai nguyên tử C. Các nguyên tử H đã được octet.

Vậy công thức Lewis của C₂H₂ là

Bài tập 2 trang 14 Chuyên đề Hóa 10: Viết công thức Lewis của H₂O. Dự đoán dạng hình học phân tử và dạng lai hóa của nguyên tử trung tâm.

Trả lời:

- Công thức Lewis của H₂O

Bước 1: Tính tổng số electron hóa trị (N₁) của phân tử H₂O:

O có 6 electron hóa trị, H có 1 electron hóa trị. Trong phân tử H₂O, có 2 nguyên tử H và 1 nguyên tử O. Vậy N₁ = 2.1 + 1.6 = 8 electron

Bước 2: Vẽ khung phân tử tạo bởi liên kết đơn giữa các nguyên tử:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N₂ = 2.2 = 4 electron

Số electron hóa trị còn lại là N₃ = N₁ – N₂ = 8 – 4 = 4 electron

Bước 3: Sử dụng N₃ = 4 electron để tạo octet cho O. Các nguyên tử H đã được octet.

Công thức Lewis của H₂O là

- Dự đoán hình dạng phân tử và dạng lai hóa của nguyên tử trung tâm O

Xung quanh nguyên tử trung tâm O có 4 đám mây E (hai cặp electron chưa liên kết và hai cặp electron chung), do lực đẩy giữa các đám mây nên 4 đám mây E này phải có vị trí xa nhau nhất ⇒ 4 đám mây hướng về 4 đỉnh của một hình tứ diện đều.

⇒ Dự đoán phân tử nước có cấu tạo góc (góc liên kết 109,5^o); nguyên tử trung tâm O ở dạng lai hóa sp³:

1 AO 2s tổ hợp với 3 AO 2p tạo 4 AO lai hóa sp³

2 AO lai hóa sp³ chứa electron độc thân của nguyên tử O xen phủ với 2 AO s của nguyên tử H tạo thành 2 liên kết σ.

Chú ý:

Do cặp electron chưa liên kết chiếm khoảng không gian lớn hơn so với các cặp electron liên kết, tương tác đẩy giữa các cặp electron chưa liên kết lớn hơn tương tác đẩy giữa các cặp electron liên kết, nên góc liên kết $\widehat{HOH}$ thực tế bằng 104,5^o, nhỏ hơn góc hóa trị theo lí thuyết (109,5^o).

Bài tập 3 trang 14 Chuyên đề Hóa 10: Dựa theo công thức Lewis của CHCl₃ xác định được dạng lai hóa của nguyên tử trung tâm C trong phân tử này là

A. sp           B. sp²           C. sp³

Trả lời:

Đáp án đúng là: C

Công thức Lewis của CHCl₃ là

Nguyên tử trung tâm C có 4 liên kết đơn xung quanh tương ứng với 4 đám mây electron. Công thức VSEPR của CHCl₃ là AE₄

Do 4 đám mây hướng tới 4 đỉnh của một tứ diện nên dạng hình học không gian của CHCl₃ có dạng tứ diện

⇒ Trạng thái lai hóa của nguyên tử C trong phân tử CHCl₃ là sp³.

Bài tập 4* trang 14 Chuyên đề Hóa 10: Xác định công thức Lewis của nitric acid (HNO₃). Cho biết nguyên tử H liên kết với O mà không phải với N.

Trả lời:

Bước 1: Tính tổng số electron hóa trị (N₁) của phân tử HNO₃:

N có 5 electron hóa trị, O có 6 electron hóa trị, H có 1 electron hóa trị. Trong phân tử HNO₃, có 1 nguyên tử H, 3 nguyên tử O và 1 nguyên tử N

⇒ Tổng số electron hóa trị N₁ = 1.1 + 3.6 + 1.5 = 24 electron

Bước 2: Vẽ khung phân tử tạo bởi liên kết đơn giữa các nguyên tử:

Số electron hóa trị đã dùng để xây dựng khung là N₂ = 4.2 = 8 electron

Số electron hóa trị còn lại là N₃ = N₁ – N₂ = 24 – 8 = 16 electron

Bước 3: Sử dụng N₃ = 16 electron để tạo octet cho O trước

Bước 4: Đã sử dụng hết 16 electron để tạo octet cho O. Tuy nhiên N chưa đủ octet nên ta chuyển 1 cặp electron của nguyên tử O (không liên kết với H) tạo thành cặp electron dùng chung cho hai nguyên tử O và N

Bài tập 5* trang 14 Chuyên đề Hóa 10: Viết công thức Lewis và xác định dạng hình học của CS₂. Xác định dạng lai hóa của nguyên tử trung tâm C trong phân tử này.

Trả lời:

Công thức Lewis của CS₂

Xung quanh nguyên tử C có hai đám mây electron hóa trị, do lực đẩy giữa 2 đám mây electron nên 2 đám mây này phải xa nhau nhất → CS₂ có dạng đường thẳng theo mô hình VSEPR.

Bài tập 6* trang 14 Chuyên đề Hóa 10: Viết công thức Lewis của PCl₅ và SF₆

Trả lời:

Công thức Lewis của PCl₅:

Công thức Lewis của SF₆:

Xem thêm lời giải bài tập Chuyên đề Hóa lớp 10 Cánh diều hay, chi tiết khác: 

Bài 2: Phản ứng hạt nhân

Bài 3: Năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học

Bài 4: Entropy và biến thiên năng lượng tự do Gibbs

Bài 5: Sơ lược về phản ứng cháy và nổ

Bài 6: Hóa học về phản ứng cháy và nổ