Chào các em học sinh thân mến! Hôm nay, cô sẽ cùng các em đi giải bài tập về cấu tạo và electron của các ion thường gặp trong Hóa học lớp 10. Chúng ta sẽ lần lượt giải quyết từng phần theo đúng Sách giáo khoa nhé!

Phần a) Viết công thức cấu tạo của các ion:

Để viết công thức cấu tạo của một ion, chúng ta cần nhớ lại cách xác định số electron hóa trị của nguyên tử và áp dụng quy tắc về octet (hoặc quy tắc đủ lớp electron).

1. Ion CO3^2-: Ion cacbonat

* Bước 1: Xác định nguyên tố trung tâm. Trong ion cacbonat, cacbon (C) là nguyên tố có độ âm điện nhỏ hơn oxi (O) và thường đóng vai trò trung tâm.
* Bước 2: Xác định số electron hóa trị của mỗi nguyên tố.
* C ở nhóm IVA, có 4 electron hóa trị.
* O ở nhóm VIA, có 6 electron hóa trị.
* Bước 3: Tính tổng số electron hóa trị của ion.
Tổng số electron hóa trị = (số electron hóa trị của C) + 2 (số electron hóa trị của O) + (điện tích của ion)
Tổng số electron hóa trị = 4 + 2 6 + 2 = 4 + 12 + 2 = 18 electron.
* Bước 4: Liên kết các nguyên tử. Thông thường, nguyên tử trung tâm sẽ tạo liên kết với các nguyên tử xung quanh.
* Ta thử tạo 3 liên kết đơn từ C đến 3 nguyên tử O. C đã dùng 3 electron, mỗi O đã dùng 1 electron.
* C còn lại 4 – 3 = 1 electron. Mỗi O còn lại 6 – 1 = 5 electron.
Tổng số electron còn lại để phân bố: 1 (của C) + 3 5 (của O) = 16 electron.
* Chúng ta cần phân bố các electron còn lại này để đạt được quy tắc octet cho tất cả các nguyên tử.
* Mỗi nguyên tử O cần thêm 6 electron để đủ 8. Mỗi nguyên tử C cần thêm 5 electron để đủ 8.
* Nếu ta tạo một liên kết đôi giữa C và một nguyên tử O, và hai liên kết đơn với hai nguyên tử O còn lại.
* C sẽ có 4 liên kết (1 đôi, 2 đơn), tổng cộng 8 electron hóa trị.
* Nguyên tử O tạo liên kết đôi sẽ có 2 liên kết, 4 cặp electron tự do, tổng cộng 8 electron hóa trị.
* Hai nguyên tử O tạo liên kết đơn sẽ có 1 liên kết, 3 cặp electron tự do, tổng cộng 8 electron hóa trị.
* Kiểm tra tổng số electron đã sử dụng: 4 liên kết (trong đó có 1 liên kết đôi tương đương 2 cặp e) + các cặp electron tự do.
* C tạo 4 liên kết.
* Một O tạo liên kết đôi, có 2 cặp e tự do (4e).
* Hai O tạo liên kết đơn, mỗi O có 3 cặp e tự do (6e mỗi O, tổng 12e).
* Tổng số electron: 8e (từ liên kết của C) + 4e (tự do của O có liên kết đôi) + 12e (tự do của 2 O có liên kết đơn) = 24e.
* Có vẻ chúng ta đã phân bố sai. Ta quay lại bước 3. Tổng số electron hóa trị là 18.
* Trong công thức cấu tạo, C liên kết với 3 O. Giả sử C tạo 3 liên kết đơn với 3 O. C có 1 e lẻ, mỗi O có 5 e lẻ. Tổng cộng 1 + 3*5 = 16 e lẻ còn lại.
* Phân bố 16 electron đó để các nguyên tử đạt quy tắc octet. Mỗi O cần 6e, C cần 5e.
* Nếu C tạo 1 liên kết đôi với 1 O, và 2 liên kết đơn với 2 O còn lại.
* C đã sử dụng 1*2 (liên kết đôi) + 2*1 (liên kết đơn) = 4 electron hóa trị.
* Nguyên tử O tạo liên kết đôi: dùng 2 electron hóa trị, còn 4 electron hóa trị (2 cặp e tự do).
* Hai nguyên tử O tạo liên kết đơn: mỗi O dùng 1 electron hóa trị, còn 5 electron hóa trị. Cần phân bố thêm electron để đủ octet.
* Kiểm tra lại tổng số electron trong công thức cấu tạo:
* C: tạo 4 liên kết (8e).
* O (liên kết đôi): có 1 liên kết đôi và 2 cặp e tự do (4e). Tổng 8e.
* O (liên kết đơn): có 1 liên kết đơn và 3 cặp e tự do (6e). Tổng 8e.
Tổng số cặp electron trong công thức cấu tạo: (1 liên kết đôi = 2 cặp e) + (2 liên kết đơn = 2 cặp e) + (2 cặp e tự do của O có liên kết đôi) + (2 3 cặp e tự do của 2 O có liên kết đơn) = 2 + 2 + 2 + 6 = 12 cặp electron.
Tổng số electron trong công thức cấu tạo: 12 cặp 2 electron/cặp = 24 electron.
* Chúng ta đã tính sai ở đâu đó. Quay lại bước 3: Tổng số electron hóa trị là 18.
* Công thức cấu tạo đúng cho CO3^2- thường có 1 liên kết đôi và 2 liên kết đơn, với các điện tích hình thức phù hợp. Tuy nhiên, để đơn giản hóa trong Hóa học lớp 10, chúng ta có thể xem xét cộng hưởng.
* Một cách biểu diễn phổ biến và được chấp nhận là: C tạo 1 liên kết đôi với một O, và 2 liên kết đơn với hai O còn lại. Để đạt đủ octet, chúng ta phân bố các electron hóa trị còn lại.
* C: có 4 liên kết (8e).
* O (liên kết đôi): có 2 liên kết, còn lại 4 electron (2 cặp tự do).
* Hai O (liên kết đơn): có 1 liên kết, còn lại 6 electron (3 cặp tự do).
* Tổng số electron hóa trị: 4 (liên kết của C) + 4 (của O liên kết đôi) + 2*6 (của 2 O liên kết đơn) = 4 + 4 + 12 = 20 electron. Vẫn sai.
* Đúng rồi! Tổng số electron hóa trị tính cả điện tích âm là 18.
* Ta coi C là trung tâm, liên kết với 3 O.
* C có 4 e hóa trị. 3 O có 6e hóa trị mỗi cái, tổng 18e. Tổng cộng 4 + 18 = 22 electron.
* Ion có điện tích -2, nghĩa là nó nhận thêm 2 electron. Vậy tổng số electron có trong ion là 22 + 2 = 24 electron.
* Phân bố 24 electron này. C tạo liên kết với 3 O.
* Giả sử C tạo 3 liên kết đơn với 3 O. C đã dùng 3e, mỗi O dùng 1e. Còn lại 24 – 3*2 = 18 electron.
* Phân bố 18e này vào các nguyên tử sao cho chúng đạt octet.
* Mỗi O cần 6e, C cần 5e.
* Ta tạo 1 liên kết đôi giữa C và 1 O.
* C dùng 4e (1 đôi, 2 đơn). Đủ octet.
* O tạo liên kết đôi dùng 2e, còn lại 4e (2 cặp tự do). Đủ octet.
* 2 O tạo liên kết đơn dùng 1e mỗi cái, còn lại 6e (3 cặp tự do) mỗi cái. Đủ octet.
* Tổng số electron hóa trị đã dùng: 8e (từ 4 liên kết của C) + 4e (của O liên kết đôi) + 2*6e (của 2 O liên kết đơn) = 8 + 4 + 12 = 24 electron.
* Công thức cấu tạo của CO3^2-: O=C(O^-)(O^-). Với O=C có 2 cặp e tự do, 2 O- có 3 cặp e tự do. Ion mang điện tích 2-.
* Chú ý: Công thức cấu tạo này còn có các dạng cộng hưởng khác.

Công thức cấu tạo:
[ O=C với 2 cặp e tự do trên O ]
|
[ O^- với 3 cặp e tự do trên O ]
|
[ O^- với 3 cặp e tự do trên O ]
(Và các dạng tương tự với liên kết đôi ở các vị trí khác)
Tóm lại, một dạng biểu diễn là:
O = C – O
|
O
Và các nguyên tử O còn lại sẽ có các cặp electron tự do và mang điện tích âm.
Để đơn giản, chúng ta có thể vẽ như sau, cho thấy sự phân bố electron và điện tích:
(Hình ảnh minh họa: Nguyên tử C ở giữa, liên kết đôi với một nguyên tử O ở trên, hai nguyên tử O ở hai bên tạo liên kết đơn với C. Nguyên tử O liên kết đôi có 2 cặp e tự do. Hai nguyên tử O liên kết đơn mỗi cái có 3 cặp e tự do và mang điện tích âm. Toàn bộ cấu trúc nằm trong dấu ngoặc vuông và có điện tích 2- ở góc trên bên phải).
Và chúng ta cần ghi rõ các cặp electron tự do và điện tích âm.

Hình dung công thức:

             O
            //
        O - C - O
        

Và phân bố các cặp electron tự do và điện tích:

             :O:
              ||
        :O: - C - :O:
         -       -
        

(Với các cặp chấm là electron tự do và dấu trừ là điện tích âm)
Đây là một dạng biểu diễn, trên thực tế có sự cộng hưởng làm cho liên kết C-O là như nhau.

2. Ion NO3^-: Ion nitrat

* Bước 1: Nguyên tố trung tâm là Nitơ (N).
* Bước 2: Số electron hóa trị:
* N ở nhóm VA, có 5 electron hóa trị.
* O ở nhóm VIA, có 6 electron hóa trị.
* Bước 3: Tổng số electron hóa trị của ion:
Tổng số electron hóa trị = (số electron hóa trị của N) + 3 (số electron hóa trị của O) + (điện tích của ion)
Tổng số electron hóa trị = 5 + 3 6 + 1 = 5 + 18 + 1 = 24 electron.
* Bước 4: Liên kết các nguyên tử và phân bố electron.
* N tạo 1 liên kết đôi với 1 O, và 2 liên kết đơn với 2 O còn lại để đạt octet.
* N: có 4 liên kết (8e).
* O (liên kết đôi): có 2 liên kết, còn lại 4e (2 cặp tự do). Đủ octet.
* 2 O (liên kết đơn): có 1 liên kết, còn lại 6e (3 cặp tự do). Đủ octet.
* Tổng số electron đã sử dụng: 8e (từ 4 liên kết của N) + 4e (của O liên kết đôi) + 2*6e (của 2 O liên kết đơn) = 8 + 4 + 12 = 24 electron.

Công thức cấu tạo (một dạng):

             :O:
              ||
        :O: - N - :O:
         -       -
        

(Với các cặp chấm là electron tự do và dấu trừ là điện tích âm)

3. Ion SO4^2-: Ion sunfat

* Bước 1: Nguyên tố trung tâm là Lưu huỳnh (S).
* Bước 2: Số electron hóa trị:
* S ở nhóm VIA, có 6 electron hóa trị.
* O ở nhóm VIA, có 6 electron hóa trị.
* Bước 3: Tổng số electron hóa trị của ion:
Tổng số electron hóa trị = (số electron hóa trị của S) + 4 (số electron hóa trị của O) + (điện tích của ion)
Tổng số electron hóa trị = 6 + 4 6 + 2 = 6 + 24 + 2 = 32 electron.
* Bước 4: Liên kết các nguyên tử và phân bố electron.
* S tạo 2 liên kết đôi với 2 O, và 2 liên kết đơn với 2 O còn lại.
* S: có 6 liên kết (12e). Trong trường hợp này, S có thể vượt quá quy tắc octet do có các obitan d trống. Tuy nhiên, dựa trên cách tính và phân bố electron để đạt octet cho các nguyên tử O:
* Giả sử S tạo 2 liên kết đôi và 2 liên kết đơn.
* S: có 2 liên kết đôi (4 liên kết) và 2 liên kết đơn (tổng 6 liên kết). Số electron hóa trị của S trong trường hợp này là 6, được chia sẻ.
* O (liên kết đôi): có 2 liên kết, còn lại 4e (2 cặp tự do). Đủ octet.
* O (liên kết đơn): có 1 liên kết, còn lại 6e (3 cặp tự do). Đủ octet và mang điện tích âm.
* Kiểm tra tổng số electron:
* 2 nguyên tử O liên kết đôi: mỗi nguyên tử O có 2 liên kết và 2 cặp e tự do -> 8e. Tổng 2*8 = 16e.
* 2 nguyên tử O liên kết đơn: mỗi nguyên tử O có 1 liên kết và 3 cặp e tự do -> 8e. Tổng 2*8 = 16e.
* Tổng số electron trong công thức: (tổng số electron từ các liên kết và các cặp tự do)
* Số cặp electron: 2 liên kết đôi (4 cặp e) + 2 liên kết đơn (2 cặp e) + 2*2 cặp e tự do (cho O liên kết đôi) + 2*3 cặp e tự do (cho O liên kết đơn) = 4 + 2 + 4 + 6 = 16 cặp electron.
Tổng số electron = 16 cặp 2 electron/cặp = 32 electron. Khớp với tổng số electron hóa trị.

Công thức cấu tạo (một dạng):

             :O:
              ||
        :O: - S - :O:
         -       ||
             :O:
        

(Có 2 nguyên tử O mang điện tích âm, 2 nguyên tử O tạo liên kết đôi. Các cặp chấm là electron tự do).

4. Ion NH4^+: Ion amoni

* Bước 1: Nguyên tố trung tâm là Nitơ (N).
* Bước 2: Số electron hóa trị:
* N ở nhóm VA, có 5 electron hóa trị.
* H ở nhóm IA, có 1 electron hóa trị.
* Bước 3: Tổng số electron hóa trị của ion:
Tổng số electron hóa trị = (số electron hóa trị của N) + 4 (số electron hóa trị của H) – (điện tích của ion)
Tổng số electron hóa trị = 5 + 4 1 – 1 = 5 + 4 – 1 = 8 electron.
* Bước 4: Liên kết các nguyên tử và phân bố electron.
* N liên kết với 4 nguyên tử H bằng 4 liên kết đơn.
* N: tạo 4 liên kết đơn, đã chia sẻ 4 electron hóa trị của mình. Còn lại 5 – 4 = 1 electron.
* Mỗi H: tạo 1 liên kết đơn, đã chia sẻ 1 electron của mình. Đủ cấu hình bền vững (giống He).
* Chúng ta có tổng cộng 8 electron hóa trị.
4 liên kết đơn N-H đã sử dụng 4 2 = 8 electron.
* Nguyên tử N đã dùng 4 electron hóa trị của mình để tạo liên kết. Tuy nhiên, để đạt octet, nó cần 8 electron xung quanh.
* Trong ion NH4^+, N tạo 4 liên kết với 4 H. Mỗi liên kết N-H là một cặp electron do N đóng góp một phần và H đóng góp một phần, hoặc do N đóng góp hoàn toàn (liên kết cho – nhận).
* Cấu trúc của NH4^+ là N ở trung tâm, liên kết đơn với 4 nguyên tử H. Toàn bộ ion mang điện tích dương.

Công thức cấu tạo:

              H
              |
        H - N - H
              |
              H
        

(Toàn bộ cấu trúc trong dấu ngoặc vuông với điện tích + ở góc trên bên phải).
Trong trường hợp này, không có electron tự do trên nguyên tử N.

Phần b) Xác định tổng số electron trong mỗi ion trên:

Đây là phần chúng ta đã tính toán ở Bước 3 khi viết công thức cấu tạo. Tổng số electron trong một ion bằng tổng số electron của các nguyên tử cấu tạo nên ion đó cộng hoặc trừ với điện tích của ion.

1. Ion CO3^2-:
* Nguyên tử C có số hiệu nguyên tử Z = 6, nên có 6 electron.
* Nguyên tử O có số hiệu nguyên tử Z = 8, nên có 8 electron.
* Ion CO3^2- có 1 nguyên tử C và 3 nguyên tử O.
Tổng số electron = (số electron của C) + 3 (số electron của O) + (số electron nhận thêm do điện tích âm)
Tổng số electron = 6 + 3 8 + 2 = 6 + 24 + 2 = 32 electron.

2. Ion NO3^-:
* Nguyên tử N có số hiệu nguyên tử Z = 7, nên có 7 electron.
* Nguyên tử O có số hiệu nguyên tử Z = 8, nên có 8 electron.
* Ion NO3^- có 1 nguyên tử N và 3 nguyên tử O.
Tổng số electron = (số electron của N) + 3 (số electron của O) + (số electron nhận thêm do điện tích âm)
Tổng số electron = 7 + 3 8 + 1 = 7 + 24 + 1 = 32 electron.

3. Ion SO4^2-:
* Nguyên tử S có số hiệu nguyên tử Z = 16, nên có 16 electron.
* Nguyên tử O có số hiệu nguyên tử Z = 8, nên có 8 electron.
* Ion SO4^2- có 1 nguyên tử S và 4 nguyên tử O.
Tổng số electron = (số electron của S) + 4 (số electron của O) + (số electron nhận thêm do điện tích âm)
Tổng số electron = 16 + 4 8 + 2 = 16 + 32 + 2 = 50 electron.

4. Ion NH4^+:
* Nguyên tử N có số hiệu nguyên tử Z = 7, nên có 7 electron.
* Nguyên tử H có số hiệu nguyên tử Z = 1, nên có 1 electron.
* Ion NH4^+ có 1 nguyên tử N và 4 nguyên tử H.
Tổng số electron = (số electron của N) + 4 (số electron của H) – (số electron mất đi do điện tích dương)
Tổng số electron = 7 + 4 1 – 1 = 7 + 4 – 1 = 10 electron.

Như vậy, chúng ta đã hoàn thành bài tập. Các em về nhà ôn tập lại kiến thức về cách xác định electron hóa trị, quy tắc octet và cách tính tổng số electron trong ion nhé! Nếu có thắc mắc, đừng ngần ngại hỏi cô.