HÌNH HỌC PHÂN TỬ: KHÁI NIỆM, CÁC LOẠI VÀ VÍ DỤ - HÓA HỌC - 2026

Cấu trúc hình học phân tử hay cấu trúc phân tử là sự sắp xếp trong không gian của các nguyên tử xung quanh nguyên tử trung tâm. Nguyên tử đại diện cho các vùng có mật độ điện tử cao, và do đó được coi là nhóm điện tử, bất kể các liên kết mà chúng hình thành (đơn, đôi hay ba).

Hình học phân tử của một nguyên tố có thể đặc trưng cho một số tính chất vật lý hoặc hóa học của nó (điểm sôi, độ nhớt, khối lượng riêng, v.v.). Ví dụ, cấu trúc phân tử của nước quyết định khả năng hòa tan của nó.

Nguồn: Gabriel Bolívar

Khái niệm này nảy sinh từ sự kết hợp và dữ liệu thực nghiệm của hai lý thuyết: lý thuyết về liên kết hóa trị (TEV) và về lực đẩy của các cặp điện tử của vỏ hóa trị (RPECV). Trong khi cái đầu tiên xác định các liên kết và góc của chúng, cái thứ hai thiết lập hình học và do đó, cấu trúc phân tử.

Các phân tử có thể sử dụng những hình dạng hình học nào? Hai lý thuyết trước cung cấp câu trả lời. Theo RPECV, các nguyên tử và cặp electron tự do phải được sắp xếp trong không gian sao cho giảm thiểu lực đẩy tĩnh điện giữa chúng.

Vì vậy, các hình dạng hình học không phải là tùy ý, mà là tìm kiếm thiết kế ổn định nhất. Ví dụ, trong hình trên, bạn có thể thấy một hình tam giác ở bên trái và một hình bát diện ở bên phải. Các chấm màu xanh lá cây đại diện cho các nguyên tử và các sọc màu cam là các liên kết.

Trong tam giác, ba điểm màu xanh lá cây được định hướng cách nhau 120º. Góc này, bằng với góc của liên kết, cho phép các nguyên tử đẩy nhau càng ít càng tốt. Do đó, một phân tử với một nguyên tử trung tâm gắn với ba nguyên tử khác sẽ áp dụng hình học phẳng tam giác.

Tuy nhiên, RPECV dự đoán rằng một cặp electron tự do trong nguyên tử trung tâm sẽ làm sai lệch hình học. Đối với trường hợp của mặt phẳng tam giác, cặp này sẽ đẩy ba điểm màu xanh lá cây xuống, dẫn đến hình học hình chóp tam giác.

Điều tương tự cũng có thể xảy ra với khối bát diện trong hình. Trong đó tất cả các nguyên tử được phân tách theo cách ổn định nhất có thể.

Làm thế nào để biết trước dạng hình học phân tử của nguyên tử X?

Muốn vậy cũng cần coi các cặp electron tự do là nhóm điện tử. Chúng cùng với các nguyên tử sẽ định nghĩa cái được gọi là hình học điện tử, là người bạn đồng hành không thể tách rời của hình học phân tử.

Từ hình học điện tử, và đã phát hiện các cặp điện tử tự do nhờ cấu trúc Lewis, có thể thiết lập hình học phân tử sẽ như thế nào. Tổng của tất cả các dạng hình học phân tử sẽ cung cấp một phác thảo của cấu trúc tổng thể.

Các dạng hình học phân tử

Như có thể thấy trong hình ảnh chính, hình học phân tử phụ thuộc vào số lượng nguyên tử bao quanh nguyên tử trung tâm. Tuy nhiên, nếu một cặp electron không chia sẻ có mặt, nó sẽ thay đổi hình dạng vì nó chiếm rất nhiều thể tích. Do đó, nó có tác dụng chỉ đạo.

Theo đó, hình học có thể trình bày một loạt các hình dạng đặc trưng cho nhiều phân tử. Và đây là nơi phát sinh các dạng hình học phân tử hoặc cấu trúc phân tử.

Khi nào thì hình học bằng cấu trúc? Cả hai biểu thị giống nhau chỉ trong trường hợp cấu trúc không có nhiều hơn một loại hình học; nếu không, tất cả các kiểu hiện tại cần được xem xét và cấu trúc được đặt tên toàn cục (tuyến tính, phân nhánh, hình cầu, phẳng, v.v.).

Hình học đặc biệt hữu ích để giải thích cấu trúc của vật rắn từ các đơn vị cấu trúc của nó.

Tuyến tính

Tất cả các liên kết cộng hóa trị đều có hướng nên liên kết AB là tuyến tính. Nhưng phân tử AB ₂ sẽ là tuyến tính ? Nếu vậy, hình học được biểu diễn đơn giản là: BAB. Hai nguyên tử B cách nhau một góc 180º, theo TEV thì A phải có obitan lai hoá sp.

Angular

Nguồn: Gabriel Bolívar

Trong trường hợp đầu tiên có thể giả định dạng hình học tuyến tính đối với phân tử AB ₂ ; tuy nhiên, điều cần thiết là vẽ cấu trúc Lewis trước khi đi đến kết luận. Vẽ cấu trúc Lewis, số cặp electron không dùng chung (:) trên nguyên tử của A.

Khi đúng như vậy, các cặp electron trên đỉnh A đẩy hai nguyên tử B xuống dưới, làm thay đổi góc của chúng. Kết quả là, phân tử BAB tuyến tính cuối cùng biến thành hình chữ V, boomerang hoặc hình học góc (hình trên cùng)

Phân tử nước, HOH, là ví dụ lý tưởng cho dạng hình học này. Trong nguyên tử oxy có hai cặp electron không chia sẻ được định hướng với nhau một góc xấp xỉ 109º.

Tại sao lại là góc này? Bởi vì hình học điện tử là tứ diện, có bốn đỉnh: hai cho nguyên tử H và hai cho các electron. Trong hình trên, lưu ý rằng các chấm màu xanh lá cây và hai "thùy có mắt" vẽ một tứ diện với chấm màu xanh lam ở trung tâm của nó.

Nếu O không có cặp electron tự do, nước sẽ tạo thành một phân tử mạch thẳng, độ phân cực của nó sẽ giảm đi và các đại dương, biển, hồ, v.v. có thể sẽ không tồn tại như chúng ta đã biết.

Tứ diện

Nguồn: Gabriel Bolívar

Hình trên biểu diễn hình học tứ diện. Đối với phân tử nước, dạng hình học điện tử của nó là tứ diện, nhưng khi loại bỏ các cặp electron tự do, có thể nhận thấy rằng nó chuyển thành dạng hình học góc. Điều này cũng được quan sát đơn giản bằng cách loại bỏ hai chấm màu xanh lá cây; hai cái còn lại sẽ vẽ chữ V với chấm màu xanh.

Điều gì sẽ xảy ra nếu thay vì hai cặp electron tự do chỉ có một? Sau đó, một mặt phẳng tam giác sẽ vẫn còn (hình ảnh chính). Tuy nhiên, bằng cách loại bỏ một nhóm điện tử, hiệu ứng steric tạo ra bởi cặp điện tử tự do sẽ không tránh được. Do đó, nó làm biến dạng mặt phẳng tam giác thành một hình chóp có đáy là tam giác:

Nguồn: Gabriel Bolívar

Mặc dù hình học phân tử hình chóp tam giác và tứ diện khác nhau nhưng hình học điện tử thì giống nhau: tứ diện. Vậy hình chóp tam giác không được tính là hình học điện tử?

Câu trả lời là không, vì nó là sản phẩm của sự biến dạng gây ra bởi "thùy mắt" và hiệu ứng thép của nó, và hình dạng này không tính đến các biến dạng tiếp theo.

Vì lý do này, điều quan trọng đầu tiên là xác định dạng hình học điện tử với sự trợ giúp của cấu trúc Lewis trước khi xác định dạng hình học phân tử. Phân tử amoniac, NH ₃ , là một ví dụ về hình học phân tử kim tự tháp tam giác, nhưng với hình học electron tứ diện.

Bipyramid tam giác

Nguồn: Gabriel Bolívar

Cho đến nay, ngoại trừ hình học tuyến tính, trong hình chóp tứ diện, góc và tam giác, các nguyên tử trung tâm của chúng có sự lai hóa sp ³ , theo TEV. Điều này có nghĩa là nếu các góc liên kết của chúng được xác định bằng thực nghiệm, chúng sẽ ở khoảng 109º.

Từ hình học tam giác tam giác, có năm nhóm điện tử xung quanh nguyên tử trung tâm. Trong hình trên, nó có thể được nhìn thấy với năm điểm màu xanh lá cây; ba ở đáy tam giác và hai ở vị trí trục, là đỉnh trên và đỉnh dưới của hình chóp.

Sau đó chấm xanh có phép lai nào? Cần 5 obitan lai hóa để tạo thành các liên kết đơn (màu cam). Điều này đạt được thông qua năm obitan sp ³ d (sản phẩm của hỗn hợp của một obitan s, ba p và một obitan d).

Khi xem xét năm nhóm điện tử, hình học là hình đã được tiếp xúc, nhưng vì có những cặp điện tử không chia sẻ, nó lại bị biến dạng tạo ra các hình học khác. Tương tự như vậy, câu hỏi sau đây được đặt ra: các cặp này có thể chiếm vị trí nào trong kim tự tháp không? Đó là: trục hoặc xích đạo.

Vị trí trục và xích đạo

Các điểm màu xanh lá cây tạo nên đáy tam giác nằm ở vị trí xích đạo, trong khi hai điểm ở đầu trên và dưới nằm ở vị trí trục. Cặp electron không chia sẻ sẽ ưu tiên nằm ở đâu? Ở vị trí đó giảm thiểu lực đẩy tĩnh điện và hiệu ứng thép.

Ở vị trí dọc trục, cặp electron sẽ “ép” vuông góc (90º) lên đáy tam giác, trong khi nếu nó ở vị trí xích đạo, hai nhóm điện tử còn lại trên đế sẽ cách nhau 120º và sẽ ép hai đầu ở góc 90º (thay vì ba, như với cơ sở).

Do đó, nguyên tử trung tâm sẽ tìm cách định hướng các cặp electron tự do của nó ở các vị trí xích đạo để tạo ra hình học phân tử ổn định hơn.

Dao động và hình chữ T

Nguồn: Gabriel Bolívar

Nếu một hoặc nhiều nguyên tử của nó được thay thế bằng các cặp electron tự do trong dạng hình học bipyramid tam giác, chúng ta cũng sẽ có các dạng hình học phân tử khác nhau.

Ở bên trái của hình ảnh trên cùng, hình học chuyển thành hình dạng dao động. Trong đó, cặp electron tự do đẩy phần còn lại của bốn nguyên tử theo cùng một hướng, bẻ cong liên kết của chúng sang trái. Lưu ý rằng cặp này và hai trong số các nguyên tử nằm trong cùng một mặt phẳng tam giác của bipyramid ban đầu.

Và ở bên phải của hình ảnh, dạng hình chữ T. Dạng hình học phân tử này là kết quả của việc thay thế hai nguyên tử cho hai cặp electron, dẫn đến việc ba nguyên tử còn lại tự sắp xếp trong cùng một mặt phẳng vẽ đúng một chữ cái. T.

Sau đó, đối với một phân tử kiểu AB ₅ , nó sử dụng hình học bipyramid tam giác. Tuy nhiên, AB ₄ , với cùng dạng hình học điện tử, sẽ áp dụng dạng hình học dao động; và AB ₃ , dạng hình T. Trong tất cả chúng A sẽ (nói chung) có phép lai hóa sp ³ d.

Để xác định hình học phân tử, cần phải vẽ cấu trúc Lewis và do đó là hình học điện tử của nó. Nếu đây là một bipyramid tam giác, thì các cặp electron tự do sẽ bị loại bỏ, nhưng không ảnh hưởng đến steric của chúng đối với phần còn lại của các nguyên tử. Do đó, người ta có thể phân biệt hoàn hảo giữa ba dạng hình học phân tử có thể có.

Bát diện

Hình học phân tử bát diện được mô tả ở bên phải của hình ảnh chính. Dạng hình học này tương ứng với các hợp chất AB ₆ . AB ₄ tạo thành đáy là hình vuông, còn lại hai B nằm trên trục. Do đó, một số tam giác đều được hình thành, đó là các mặt của hình bát diện.

Ở đây một lần nữa có thể có (như trong tất cả các dạng hình học điện tử) các cặp electron tự do, và do đó các dạng hình học phân tử khác bắt nguồn từ thực tế này. Ví dụ, AB ₅ có dạng hình học electron bát diện bao gồm một hình chóp có đáy là hình vuông và AB ₄ là một mặt phẳng vuông:

Nguồn: Gabriel Bolívar

Đối với trường hợp hình học electron bát diện, hai dạng hình học phân tử này ổn định nhất về lực đẩy tĩnh điện. Trong hình học phẳng vuông, hai cặp êlectron lệch nhau 180º.

Sự lai hoá đối với nguyên tử A trong các dạng hình học này (hoặc cấu trúc, nếu nó là dạng duy nhất) là gì? Một lần nữa, TEV tuyên bố rằng nó là sp ³ d ² , sáu obitan lai hóa, cho phép A định hướng các nhóm điện tử tại các đỉnh của một khối bát diện.

Các dạng hình học phân tử khác

Bằng cách sửa đổi các cơ sở của các kim tự tháp đã đề cập cho đến nay, có thể thu được một số dạng hình học phân tử phức tạp hơn. Ví dụ, bipyramid ngũ giác có một ngũ giác cho cơ sở của nó và các hợp chất tạo thành nó có công thức chung là AB ₇ .

Giống như các dạng hình học phân tử khác, việc thay thế các nguyên tử B bằng các cặp electron tự do sẽ làm biến dạng hình học thành các hình dạng khác.

Ngoài ra, các hợp chất AB ₈ có thể áp dụng các hình học như phản hình vuông. Một số hình học có thể rất phức tạp, đặc biệt là đối với các công thức AB ₇ trở đi (lên đến AB ₁₂ ).

Ví dụ về hình học phân tử

Một loạt các hợp chất sẽ được đề cập dưới đây cho mỗi dạng hình học phân tử chính. Như một bài tập, người ta có thể vẽ cấu trúc Lewis cho tất cả các ví dụ và xác nhận xem, với dạng hình học điện tử, dạng hình học phân tử có được như liệt kê dưới đây hay không.

Hình học tuyến tính

-Ethylene, H ₂ C ≡ CH ₂

-Beryllium clorua, BeCl ₂ (Cl-Be-Cl)

-Cacbon đioxit, CO ₂ (O = C = O)

-Nitrogen, N ₂ (N≡N)

- Thủy ngân dibromide, HgBr ₂ (Br-Hg-Br)

-Triiodide anion, I ₃ ^- (III)

Axit -Hydrocyanic, HCN (HN≡C)

Các góc của chúng phải là 180º, và do đó có sự lai hóa sp.

Hình học góc

- nước

-Sulfur dioxide, SO ₂

-Nitrogen đioxit, NO ₂

-Ozone, O ₃

-Amide anion, NH ₂ ^-

Mặt phẳng tam giác

-Bromo trifluoride, BF ₃

-Nhôm triclorua, AlCl ₃

- Anion bình thường, KHÔNG ₃ ^-

-Cacbonat anion, CO ₃ ^2–

Tứ diện

-Khí mêtan, CH ₄

-Cacbon tetraclorua, CCl ₄

-Cation amoni, NH ₄ ⁺

- Anion sunfat, SO ₄ ^2-

Kim tự tháp tam giác

-Amoniac, NH ₃

-Cation hydronium, H ₃ O ⁺

Bipyramid tam giác

-Phospho pentafluoride, PF ₅

-Antimony pentachlorua, SbF ₅

Dao động

Lưu huỳnh tetrafluoride, SF ₄

Hình chữ T

- Iốt triclorua, ICl ₃

-Chlorine trifluoride, ClF ₃ (cả hai hợp chất đều được gọi là interhalogens)

Bát diện

-Sulfur hexafluoride, SF ₆

-Selenium hexafluoride, SeF ₆

-Hexafluorophosphat, PF ₆ ^-

Để kết luận, hình học phân tử là những gì giải thích những quan sát về các tính chất hóa học hoặc vật lý của vật chất. Tuy nhiên, nó được định hướng theo hình học điện tử, vì vậy cái sau luôn phải được xác định trước cái trước.

Người giới thiệu

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Hóa học. (Xuất bản lần thứ 8). CENGAGE Learning, tr 194-198.
2. Rùng mình & Atkins. (2008). Hóa học vô cơ. (Tái bản lần thứ tư., Tr. 23, 24, 80, 169). Đồi Mc Graw.
3. Mark E. Tuckerman. (2011). Hình học phân tử và lý thuyết VSEPR. Khôi phục từ: nyu.edu
4. Chembook ảo, Charles E. Ophardt. (2003). Giới thiệu về Hình học phân tử. Khôi phục từ: chemistry.elmhurst.edu
5. Hóa học LibreTexts. (Ngày 8 tháng 9 năm 2016). Geometry of Molecules. Được khôi phục từ: chem.libretexts.org