Thuyết VSEPR: đoán hình dạng phân tử chỉ bằng cách đếm cặp electron

Phần 1. Vì sao $\mathrm{CO_2}$ thẳng mà $\mathrm{H_2O}$ lại gấp khúc?

Hai phân tử này giống nhau ở chỗ dễ thấy nhất: cùng một nguyên tử trung tâm liên kết với hai nguyên tử khác. Vậy mà $\mathrm{CO_2}$ là phân tử thẳng (góc $180^\circ$) còn $\mathrm{H_2O}$ gấp khúc ($104{,}5^\circ$) — và sự khác biệt ấy quyết định gần như mọi tính chất của nước.

Nếu chỉ học thuộc "nước gấp khúc, cacbonic thẳng" thì tới $\mathrm{SO_2}$, $\mathrm{NH_3}$, $\mathrm{BF_3}$, $\mathrm{PCl_5}$ lại phải thuộc thêm. Danh sách dài ra mãi, và không có gì để suy.

Thực ra chỉ cần một quy tắc đếm, và chương trình AP Chemistry gọi nó là VSEPR — Valence Shell Electron Pair Repulsion, thuyết đẩy giữa các cặp electron lớp vỏ hoá trị.

Phần 2. Bản chất: các cặp electron đẩy nhau nên xếp xa nhau nhất có thể

Một câu, và cả thuyết nằm trong đó:

Các cặp electron quanh nguyên tử trung tâm đều mang điện âm nên đẩy nhau, và chúng xếp sao cho xa nhau nhất có thể.

"Cặp electron" ở đây gồm cả hai loại: cặp tham gia liên kết và cặp riêng (không liên kết). Cả hai đều chiếm chỗ, đều đẩy — và đó là toàn bộ lý do $\mathrm{H_2O}$ khác $\mathrm{CO_2}$.

Quy trình ba bước

Bước 1 — Vẽ công thức Lewis để biết nguyên tử trung tâm có mấy liên kết và mấy cặp riêng.

Bước 2 — Đếm SỐ VÙNG electron quanh nguyên tử trung tâm. Một liên kết đơn, đôi hay ba đều tính là một vùng; mỗi cặp riêng cũng là một vùng.

Bước 3 — Tra hình dạng.

Số vùng	Cách xếp	Số cặp riêng	Hình dạng phân tử	Góc
2	thẳng	0	thẳng ($\mathrm{CO_2}$, $\mathrm{BeCl_2}$)	$180^\circ$
3	tam giác phẳng	0	tam giác phẳng ($\mathrm{BF_3}$)	$120^\circ$
3	tam giác phẳng	1	gấp khúc ($\mathrm{SO_2}$)	$\approx 119^\circ$
4	tứ diện	0	tứ diện ($\mathrm{CH_4}$)	$109{,}5^\circ$
4	tứ diện	1	chóp tam giác ($\mathrm{NH_3}$)	$107^\circ$
4	tứ diện	2	gấp khúc ($\mathrm{H_2O}$)	$104{,}5^\circ$

Ba lưu ý — và lưu ý thứ nhất là chỗ mất điểm số một

• "Cách xếp" khác "hình dạng phân tử". $\mathrm{NH_3}$ có bốn vùng electron xếp tứ diện, nhưng hình dạng phân tử chỉ tính các nguyên tử — và ba nguyên tử H tạo thành một chóp tam giác. Cặp riêng có ở đó, đẩy các liên kết, nhưng không nhìn thấy được. Đề hỏi "hình dạng phân tử" thì trả lời chóp tam giác; hỏi "cách sắp xếp các cặp electron" thì trả lời tứ diện.
• Liên kết đôi và liên kết ba chỉ tính là MỘT vùng. $\mathrm{CO_2}$ có hai liên kết đôi $=$ hai vùng $\Rightarrow$ thẳng. Đếm liên kết đôi thành hai vùng là lỗi hay gặp và nó cho ra kết luận sai hoàn toàn.
• Cặp riêng đẩy MẠNH HƠN cặp liên kết, vì nó chỉ bị hút bởi một hạt nhân nên "phình" ra hơn. Mỗi cặp riêng ép góc liên kết nhỏ đi khoảng $2$–$3^\circ$: $109{,}5^\circ \to 107^\circ \to 104{,}5^\circ$. Con số giảm dần này là dấu hiệu nhận ra ngay có bao nhiêu cặp riêng.

Phần 3. Bài toán thực chiến

Đề. Phân tử $\mathrm{SO_2}$ có dạng hình học nào? A. thẳng B. gấp khúc C. tam giác phẳng D. tứ diện

Cách 1 — So với phân tử trông giống nhất

"$\mathrm{SO_2}$ có công thức $\mathrm{AB_2}$ giống $\mathrm{CO_2}$, mà $\mathrm{CO_2}$ thẳng, nên $\mathrm{SO_2}$ cũng thẳng." → chọn A.

Điểm yếu. Sai, và sai vì công thức phân tử không nói gì về số cặp electron riêng. $\mathrm{CO_2}$ và $\mathrm{SO_2}$ cùng dạng $\mathrm{AB_2}$ nhưng nguyên tử trung tâm của chúng có số electron hoá trị khác nhau: C có $4$, S có $6$. Hai electron dư ở lưu huỳnh tạo thành một cặp riêng, và cặp riêng ấy đẩy hai liên kết xuống.

Đây là phương án được chọn nhiều nhất ở dạng bài này, và nó cho thấy chính xác vì sao phải vẽ Lewis trước chứ không được so hình dạng theo công thức phân tử.

Cách 2 — Đếm theo đúng ba bước

Bước 1 — Công thức Lewis. S có $6$ electron hoá trị. Trong $\mathrm{SO_2}$, lưu huỳnh tạo liên kết với hai nguyên tử O và còn lại một cặp riêng.

Bước 2 — Đếm vùng electron:

Thành phần	Số vùng
Liên kết với O thứ nhất	1
Liên kết với O thứ hai	1
Cặp electron riêng trên S	1
Tổng	3

Bước 3 — Tra bảng. Ba vùng ⇒ xếp tam giác phẳng; có $1$ cặp riêng ⇒ hình dạng phân tử là gấp khúc, góc khoảng $119^\circ$ (nhỏ hơn $120^\circ$ một chút vì cặp riêng đẩy mạnh hơn).

Đáp án B.

Ba phương án còn lại: A (thẳng) là kết quả nếu bỏ qua cặp riêng — tức coi $\mathrm{SO_2}$ như $\mathrm{CO_2}$; C (tam giác phẳng) là cách xếp các vùng electron chứ không phải hình dạng phân tử — bẫy tinh nhất; D (tứ diện) đếm nhầm liên kết đôi thành hai vùng.

	So theo công thức phân tử	Đếm vùng electron
Phân biệt $\mathrm{CO_2}$ với $\mathrm{SO_2}$	không được	ra ngay ở bước 2
Phân biệt $\mathrm{BF_3}$ với $\mathrm{NH_3}$	không được	$3$ vùng so với $4$ vùng
Dự đoán góc liên kết	không	có, kèm chiều giảm
Suy ra phân tử có cực hay không	không	có, từ hình dạng
Số trường hợp phải nhớ	mỗi phân tử một	một bảng sáu dòng

⭐ Phép thử một dòng cho mọi câu hỏi hình dạng phân tử: đếm số vùng electron, rồi đếm riêng số cặp KHÔNG liên kết. Hai con số ấy xác định duy nhất một dòng trong bảng. Không có bước nào phải đoán.

Hệ quả trực tiếp: phân tử có cực hay không

Đây mới là chỗ VSEPR trả công nhiều nhất, và nó là câu hỏi thường gặp ngay sau câu hỏi hình dạng.

Một phân tử có cực khi tổng các vectơ mômen lưỡng cực liên kết khác $0$. Vì vectơ cộng theo hình học, hình dạng quyết định kết quả:

• $\mathrm{CO_2}$ — thẳng, hai liên kết C=O phân cực nhưng ngược chiều nhau, triệt tiêu ⇒ phân tử không cực.
• $\mathrm{SO_2}$ — gấp khúc, hai liên kết S=O không ngược chiều nên không triệt tiêu ⇒ phân tử có cực.
• $\mathrm{CCl_4}$ — tứ diện đối xứng, bốn vectơ triệt tiêu ⇒ không cực, dù mỗi liên kết C–Cl đều phân cực mạnh.
• $\mathrm{CHCl_3}$ — tứ diện nhưng mất đối xứng ⇒ có cực.

Hai phân tử đầu là cặp so sánh tốt nhất của cả chương: cùng công thức $\mathrm{AB_2}$, cùng liên kết phân cực, mà một cái tan kém trong nước còn một cái tan tốt — và toàn bộ khác biệt đến từ một cặp electron riêng.

Phần 4. Góc giáo viên

VSEPR phục vụ năng lực nhận thức hoá học ở mức cao: học sinh dự đoán cấu trúc không gian từ một phép đếm, rồi từ cấu trúc suy ra tính chất.

• Bắt buộc vẽ công thức Lewis TRƯỚC khi kết luận hình dạng. Không vẽ thì bước "đếm cặp riêng" bị làm ngầm, và làm ngầm là nơi $\mathrm{SO_2}$ biến thành $\mathrm{CO_2}$.
• Dùng bóng bay để minh hoạ. Buộc hai, ba, bốn quả bóng vào một nút thắt thì chúng tự xếp thành đường thẳng, tam giác phẳng, tứ diện — đúng vì cùng một lý do vật lý (đẩy nhau, xếp xa nhất có thể). Năm phút và học sinh không quên.
• Luôn hỏi tiếp câu "phân tử này có cực không". Hình dạng chỉ có giá trị khi nó dẫn tới tính chất; hỏi rời thì VSEPR thành một bài tập phân loại.
• Phân biệt rõ hai câu hỏi — "cách sắp xếp các vùng electron" và "hình dạng phân tử". Đây là chỗ đề thi phân loại học sinh, và nó không khó, chỉ cần được nói rõ một lần.

Bẫy đề thi. Thứ nhất, phương án ghi cách xếp thay vì hình dạng phân tử (tứ diện thay cho chóp tam giác) — bẫy tinh nhất. Thứ hai, liên kết đôi bị đếm thành hai vùng. Thứ ba, câu hỏi về độ phân cực mà học sinh chỉ nhìn liên kết chứ không nhìn hình dạng: $\mathrm{CCl_4}$ luôn là ví dụ được dùng.

Phần 5. Bài tập tự luyện

Bài 1. Xác định số vùng electron, số cặp riêng và hình dạng của $\mathrm{NH_4^+}$ và $\mathrm{H_3O^+}$.

Gợi ý: ion dương thì nguyên tử trung tâm mất bớt electron, nên số cặp riêng giảm. Đáp án: $\mathrm{NH_4^+}$: $4$ vùng, $0$ cặp riêng ⇒ tứ diện, $109{,}5^\circ$. $\mathrm{H_3O^+}$: $4$ vùng, $1$ cặp riêng ⇒ chóp tam giác, khoảng $107^\circ$ — giống $\mathrm{NH_3}$.

Bài 2. Giải thích vì sao $\mathrm{BF_3}$ không phân cực trong khi $\mathrm{NF_3}$ lại phân cực, dù liên kết B–F phân cực mạnh hơn liên kết N–F.

Gợi ý: đếm vùng electron của từng phân tử trước khi nói về độ âm điện. Đáp án: $\mathrm{BF_3}$ có $3$ vùng, $0$ cặp riêng ⇒ tam giác phẳng đối xứng, ba vectơ triệt tiêu ⇒ không cực. $\mathrm{NF_3}$ có $4$ vùng, $1$ cặp riêng ⇒ chóp tam giác mất đối xứng ⇒ có cực. Hình dạng thắng độ âm điện.

---

Liên kết hoá học là chương mà bỏ sót một cặp electron riêng vẫn cho ra một hình dạng có tên gọi hợp lệ. Thầy cô có thể dựng bộ đề luyện đúng dạng này trên Grade: chấm tự động ngay khi nộp kèm lời giải chi tiết từng câu, và xem tỷ lệ chọn phương án "tam giác phẳng" cho $\mathrm{SO_2}$ — con số ấy đo đúng số em đang lẫn cách xếp vùng electron với hình dạng phân tử. Dùng thử miễn phí tại đây.

---