Chào em, thầy rất vui được giúp em giải đáp thắc mắc này. Đây là một câu hỏi rất hay, cho thấy em đã suy nghĩ sâu về cấu trúc của phân tử, một phần kiến thức cốt lõi của Hóa học 12. Đừng lo lắng, chúng ta sẽ cùng nhau phân tích thật kỹ và dễ hiểu nhé.

Để giải thích sự khác biệt này, chúng ta sẽ dựa vào một thuyết rất quan trọng trong chương trình, đó là Thuyết sự đẩy của các cặp electron hóa trị (viết tắt là VSEPR).

Thuyết này nói rằng hình dạng của phân tử được quyết định bởi lực đẩy tĩnh điện giữa các cặp electron ở lớp vỏ hóa trị của nguyên tử trung tâm. Các cặp electron này (bao gồm cả cặp electron liên kết và cặp electron chưa liên kết) sẽ sắp xếp trong không gian sao cho lực đẩy giữa chúng là nhỏ nhất.

Bây giờ, chúng ta sẽ xét từng phân tử một.

Bước 1: Xét phân tử metan (CH4)
– Nguyên tử trung tâm là Cacbon (C). Cấu hình electron của C (Z=6) là \(1s^22s^22p^2\), có 4 electron hóa trị.
– Trong phân tử CH4, nguyên tử C tạo 4 liên kết đơn với 4 nguyên tử Hiđro. Điều này có nghĩa là xung quanh nguyên tử trung tâm C có 4 cặp electron liên kết và không có cặp electron chưa liên kết (hay còn gọi là cặp electron tự do) nào.
– Để lực đẩy giữa 4 cặp electron liên kết này là nhỏ nhất, chúng phải ở xa nhau nhất có thể. Cách sắp xếp tối ưu trong không gian là chúng sẽ hướng về 4 đỉnh của một hình tứ diện đều. Nguyên tử C nằm ở tâm của hình tứ diện đó.
– Vì vậy, góc liên kết H-C-H trong phân tử CH4 chính là góc của hình tứ diện đều, có giá trị chuẩn là \(109.5^\circ\).

Bước 2: Xét phân tử amoniac (NH3)
– Nguyên tử trung tâm là Nitơ (N). Cấu hình electron của N (Z=7) là \(1s^22s^22p^3\), có 5 electron hóa trị.
– Trong phân tử NH3, nguyên tử N tạo 3 liên kết đơn với 3 nguyên tử Hiđro. Như vậy, N đã dùng 3 electron hóa trị để tạo thành 3 cặp electron liên kết.
– Nguyên tử N còn lại \(5 – 3 = 2\) electron, chúng ghép lại thành 1 cặp electron chưa liên kết.
– Tổng cộng, xung quanh nguyên tử trung tâm N cũng có 4 cặp electron (gồm 3 cặp liên kết và 1 cặp chưa liên kết). Về mặt lý thuyết, để giảm lực đẩy, 4 cặp electron này cũng sẽ định hướng theo 4 đỉnh của một hình tứ diện.

Bước 3: So sánh và giải thích sự khác biệt (Đây là điểm mấu chốt)
Theo thuyết VSEPR, sức đẩy của các loại cặp electron không giống nhau. Cụ thể, người ta đã xác định được quy luật về sức đẩy như sau:
Lực đẩy (cặp chưa liên kết – cặp chưa liên kết) > Lực đẩy (cặp chưa liên kết – cặp liên kết) > Lực đẩy (cặp liên kết – cặp liên kết).
Lý do là vì cặp electron chưa liên kết chỉ bị hút bởi hạt nhân của một nguyên tử trung tâm nên nó chiếm một khoảng không gian lớn hơn và có sức đẩy mạnh hơn so với cặp electron liên kết (vốn bị hút bởi hạt nhân của hai nguyên tử).

– Áp dụng vào CH4: Phân tử này chỉ có lực đẩy giữa các cặp electron liên kết với nhau. Các lực đẩy này cân bằng, do đó cấu trúc là tứ diện đều hoàn hảo với góc \(109.5^\circ\).
– Áp dụng vào NH3: Phân tử này có cả lực đẩy giữa (cặp chưa liên kết – cặp liên kết) và (cặp liên kết – cặp liên kết). Do sức đẩy của cặp electron chưa liên kết lên các cặp electron liên kết mạnh hơn sức đẩy giữa các cặp electron liên kết với nhau, nên cặp electron chưa liên kết này đã “ép” 3 cặp electron liên kết (tức là 3 liên kết N-H) lại gần nhau hơn.
– Kết quả là góc liên kết H-N-H bị thu hẹp lại, nhỏ hơn so với góc tứ diện chuẩn. Giá trị thực nghiệm đo được là khoảng \(107^\circ\).

TÓM LẠI:
Nguyên nhân chính gây ra sự khác biệt về góc liên kết giữa NH3 (\(107^\circ\)) và CH4 (\(109.5^\circ\)) là do sự xuất hiện của một cặp electron chưa liên kết trên nguyên tử Nitơ trong phân tử NH3. Cặp electron này có sức đẩy mạnh hơn, làm biến dạng cấu trúc tứ diện và ép các góc liên kết H-N-H nhỏ lại.

Hy vọng lời giải thích chi tiết từng bước này giúp em hiểu rõ bản chất của vấn đề. Nếu có bất kỳ câu hỏi nào khác, đừng ngần ngại hỏi nhé. Chúc em học tốt