TỔNG QUAN VỀ THUYẾT VSEPR
Quay lại: Diễn giải kiến thức Sách giáo khoa – Tạp chí KEM (tapchikem.com)
Lưu ý: (1) Tất cả các bài viết này đều được trích từ các kì báo của PROTON - Tạp chí Hóa học phổ thông, nếu trích dẫn, xin ghi nguồn đầy đủ; (2) Độc giả quan tâm đến PROTON, có thể tìm hiểu tại đây.
Trong không gian vi mô của hoá học, công thức Lewis giống như một bản đồ hai chiều giúp chúng ta hiểu cách thức các nguyên tử gắn kết với nhau. Công cụ này đã mở ra cánh cửa để dự đoán một số tính chất vật lí và hóa học của các phân tử và ion.
Tuy nhiên, giống như việc tấm bản đồ hai chiều không thể mô tả đầy đủ các địa hình và độ cao, công thức Lewis cũng không thể giải thích một số tính chất liên quan đến cấu trúc không gian. Ví dụ, tại sao phân tử dihydroberyllium (BeH₂) không phân cực, trong khi phân tử nước (H₂O) có công thức tương tự lại phân cực? Để giải đáp câu hỏi này, chúng ta cần một "bản đồ ba chiều”, và đó chính là thứ mà Ronald Gillespie và Ronald Nyholm (hình 1) đã cung cấp.
Hình 1. Chân dung Ronald Gillespie (1924 – 2021) và Ronald Nyholm (1917 – 1971) – cha đẻ của lí thuyết VSEPR.
Luận điểm chính
Mô hình VSEPR giúp xác định dạng hình học của phân tử được tạo nên quanh một nguyên tử trung tâm A, có các đôi electron chưa liên kết E và liên kết trực tiếp với các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử X.
- Về mặt hình học, các electron của vỏ hóa trị được phân bố trên một khối cầu với tâm là nguyên tử A.
- Mô hình chỉ xét đến tương tác đẩy giữa các electron.
Đa diện phối trí
Quan điểm cơ bản của lí thuyết này là các electron có xu hướng đẩy nhau (bởi lực đẩy tĩnh điện Coulomb) ra xa nhất có thể. Theo đó, các nguyên tử sẽ có xu hướng sắp xếp quanh nguyên tử trung tâm theo các kiểu đa diện phối trí (hình 2) nhằm giảm thiểu tối đa năng lượng đẩy giữa các đôi electron.
Hình 2. Các đa diện phối trí phổ biến.
Chỉ số không gian
Đặt m là số nguyên tử (hoặc nhóm nguyên tử) X liên kết trực tiếp với nguyên tử trung tâm A qua một hoặc nhiều đôi electron; còn n là số đôi electron chưa liên kết hoặc các electron độc thân trên nguyên tử A. Theo quan điểm Gillespie-Nyholm thì phân tử này thuộc kiểu AXₘEₙ và dạng hình học xung quanh nguyên tử trung tâm chỉ phụ thuộc vào số lượng các electron trong vỏ hóa trị, nghĩa là vào các giá trị m và n.
Giá trị tổng s = m + n (được gọi là steric number, tức “chỉ số không gian”).
Khi biểu diễn cấu trúc lập thể (đặc biệt là trong Hoá học Phối trí và Hoá học Hữu cơ) thì các đa diện phối trí thường được biểu diễn theo cách như dưới đây [a]. Các khối cầu màu xám đại diện cho nguyên tử xung quanh hoặc đôi electron, tuy nhiên khi xác định dạng hình học thực thì chúng ta chỉ xét đến sự sắp xếp của các nguyên tử xung quanh.
Hình 3. Cấu trúc lập thể biểu diễn sự sắp xếp các nhóm thế với số lượng khác nhau (2 – 6) quanh nguyên tử trung tâm. Cách biểu diễn với các đường hướng về các phía trước và sau mặt phẳng giấy được gọi là công thức hình nêm-và-vạch khắc (wedge-and-dash) hoặc công thức chiếu Cram.
Ví dụ, phân tử có dạng AX₂E₂ – tức là 2 nguyên tử xung quanh và 2 đôi electron – thì sẽ có đa diện phối trí tứ diện (2 + 2 = 4) nhưng dạng hình học thực chỉ do 2 nhóm X quyết định, cụ thể là dạng gấp khúc:
Đây chính là trường hợp của phân tử nước, H₂O. Các nguyên tử H và đôi electron sẽ sắp xếp ở các đỉnh của một tứ diện với nguyên tử oxygen ở tâm. Tuy nhiên, hình dạng thật sự của phân tử thì chỉ do các liên kết O–H quyết định, nên khi bỏ đi các đôi electron thì ta thấy rằng phân tử H₂O có dạng gấp khúc (xem hình dưới).
Thuyết VSEPR giúp dự đoán được hình dạng thật của phân tử nước là gấp khúc, chứ không phải là đường thẳng như cách biểu diễn: H–O–H.
Bảng 1: Tóm tắt các dạng hình học tương ứng với các giá trị chỉ số không gian khác nhau.
Quay lại: Diễn giải kiến thức Sách giáo khoa – Tạp chí KEM (tapchikem.com)