Chào các em học sinh yêu quý của thầy/cô! Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau chinh phục một dạng bài tập rất quen thuộc trong chương trình Hóa học lớp 10, đó là viết công thức Lewis và công thức cấu tạo. Bài tập này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cấu trúc của phân tử và cách các nguyên tử liên kết với nhau.

Chúng ta sẽ cùng nhau giải hai ví dụ cụ thể: H₂SO₃ và PCl₅.

—

Phần 1: Viết công thức Lewis và công thức cấu tạo của H₂SO₃

Bước 1: Xác định nguyên tử trung tâm.
Trong phân tử H₂SO₃, nguyên tử trung tâm thường là nguyên tử có độ âm điện nhỏ nhất (trừ Hydro). Ở đây, nguyên tử Sulfur (S) có độ âm điện nhỏ hơn Oxy (O). Do đó, S là nguyên tử trung tâm.

Bước 2: Tính tổng số electron hóa trị của phân tử.
Ta cần biết số electron hóa trị của từng nguyên tố:
– Hydro (H): có số thứ tự 1, thuộc nhóm IA, có 1 electron hóa trị. Phân tử có 2 nguyên tử H, vậy có 2 * 1 = 2 electron hóa trị.
– Sulfur (S): có số thứ tự 16, thuộc nhóm VIA, có 6 electron hóa trị. Phân tử có 1 nguyên tử S, vậy có 1 * 6 = 6 electron hóa trị.
– Oxy (O): có số thứ tự 8, thuộc nhóm VIA, có 6 electron hóa trị. Phân tử có 3 nguyên tử O, vậy có 3 * 6 = 18 electron hóa trị.

Tổng số electron hóa trị của phân tử H₂SO₃ là: 2 + 6 + 18 = 26 electron.

Bước 3: Liên kết các nguyên tử lại với nhau bằng các cặp electron chung (liên kết đơn).
Nguyên tử trung tâm S sẽ liên kết với các nguyên tử xung quanh (O và H). Lưu ý rằng Hydro chỉ có thể tạo tối đa một liên kết.
Ta hình dung S ở giữa, liên kết với 3 nguyên tử O. Hydro sẽ liên kết với Oxy.
Sơ bộ: O – S – O (liên kết với 2 O) và thêm 1 O nữa. Hydro sẽ gắn vào Oxy.
Vì H chỉ tạo 1 liên kết, nên ta sẽ gắn 2 nguyên tử H vào 2 trong 3 nguyên tử O. Nguyên tử O còn lại sẽ chỉ liên kết với S.

Ta sẽ sử dụng 3 cặp electron để tạo 3 liên kết đơn giữa S và 3 nguyên tử O.
(Tuy nhiên, cách này chưa hoàn thiện vì chưa tính đến liên kết với H. Một cách làm chuẩn hơn là xem xét nguyên tử nào ít liên kết hơn sẽ là trung tâm).
Trong H₂SO₃, S có thể tạo nhiều liên kết hơn O, H chỉ tạo 1 liên kết. Vậy S là trung tâm.
Các nguyên tử O sẽ liên kết với S. Các nguyên tử H sẽ liên kết với các nguyên tử O.
Ta có thể hình dung ban đầu:
O
|
O-S-O
|
H (gắn vào một nguyên tử O)
|
H (gắn vào một nguyên tử O khác)

Tuy nhiên, H chỉ có hóa trị 1. Vậy H sẽ gắn trực tiếp vào O.
Ta có cấu trúc cơ bản: S liên kết với 3 O. Hai trong số các O này sẽ liên kết với H.
Ví dụ:
O
|
O-S-O
|
H
|
H (gắn vào nguyên tử O khác)

Cách biểu diễn như thế này không đúng với thực tế vì ta cần phân bố electron.
Ta sẽ cho S liên kết với 3 O. Và 2 H sẽ liên kết với 2 trong 3 nguyên tử O đó.

Ta sẽ dùng electron để tạo liên kết:
– Liên kết S-O (3 liên kết đơn): 3 * 2 = 6 electron.
– Liên kết O-H (2 liên kết đơn): 2 * 2 = 4 electron.
Tổng số electron đã dùng để tạo liên kết là 6 + 4 = 10 electron.
Số electron còn lại là 26 – 10 = 16 electron.

Bước 4: Phân bố các electron còn lại vào các nguyên tử để đạt quy tắc octet (hoặc quy tắc 2 electron cho H).
Hydro đã đủ 2 electron trong liên kết.
Ta sẽ phân bố 16 electron còn lại vào các nguyên tử O và S. Ưu tiên nguyên tử có độ âm điện lớn hơn (O).
Mỗi nguyên tử O cần thêm 6 electron để đạt octet (vì mỗi O đã có 2 electron trong liên kết).
Ta có 3 nguyên tử O.
– Nguyên tử O không gắn với H: Cần 6 electron.
– Hai nguyên tử O có gắn với H: Mỗi nguyên tử O đã có 2 electron từ liên kết O-H và 2 electron từ liên kết S-O. Vậy mỗi nguyên tử O này cần thêm 4 electron để đạt octet.

Tổng số electron cần thêm cho các nguyên tử O là: 6 (cho O không gắn H) + 4 (cho O gắn H) + 4 (cho O gắn H) = 14 electron.
Số electron còn lại sau khi phân bố cho O là: 16 – 14 = 2 electron.

Ta phân bố 14 electron này vào các nguyên tử O như sau:
– Nguyên tử O không gắn H: thêm 3 cặp electron (6 electron).
– Hai nguyên tử O có gắn H: mỗi nguyên tử O thêm 2 cặp electron (4 electron).

Sau khi phân bố, ta kiểm tra số electron trên nguyên tử trung tâm S.
S đã tạo 3 liên kết đơn với các nguyên tử O. Tổng cộng S có 3 * 2 = 6 electron.
Nếu các nguyên tử O đã đủ octet, và S chưa đủ octet, ta có thể sử dụng các cặp electron chưa liên kết trên nguyên tử O để tạo liên kết đôi với S.

Giả sử ta phân bố electron ban đầu:
:Ö:
|
:Ö:-S-:Ö:
| |
H H

Trong đó, các dấu chấm là các electron chưa liên kết.
Nguyên tử O thứ nhất (phía trên): tạo 1 liên kết đơn với S, có 6 electron chưa liên kết. Tổng cộng 2 (liên kết) + 6 (chưa liên kết) = 8 electron.
Nguyên tử O thứ hai (bên trái): tạo 1 liên kết đơn với S, 1 liên kết đơn với H, có 4 electron chưa liên kết. Tổng cộng 2 (S-O) + 2 (O-H) + 4 (chưa liên kết) = 8 electron.
Nguyên tử O thứ ba (bên phải): tạo 1 liên kết đơn với S, 1 liên kết đơn với H, có 4 electron chưa liên kết. Tổng cộng 2 (S-O) + 2 (O-H) + 4 (chưa liên kết) = 8 electron.
Nguyên tử S: tạo 3 liên kết đơn với các nguyên tử O. Tổng cộng S có 3 * 2 = 6 electron. S chưa đủ octet.

Để S đạt octet, ta có thể lấy 2 electron (một cặp electron chưa liên kết) từ nguyên tử O nào đó để tạo liên kết đôi với S.
Tuy nhiên, trong phân tử axit sulfite (H₂SO₃), nguyên tử S có thể có nhiều hơn 8 electron (mở rộng octet).
Theo sách giáo khoa, ta ưu tiên tạo liên kết đôi với nguyên tử có độ âm điện lớn.

Cách thông thường để biểu diễn công thức Lewis cho H₂SO₃ là:
:Ö:
||
:Ö:-S-:Ö:-H
|
H

Chúng ta hãy kiểm tra lại theo cách này:
1. Tính tổng electron hóa trị: 26.
2. Cấu trúc gợi ý: S trung tâm, liên kết với 3 O. Hai O liên kết với H.
O
|
O-S-O
|
H
|
H

Chỉnh lại cho đúng: 2 nguyên tử H gắn vào 2 nguyên tử O.
O
||
O – S – OH
|
H

Đây là cấu trúc của axit sulfuric (H₂SO₄), không phải H₂SO₃.

Ta quay lại với cách phân bố electron ban đầu:
S là trung tâm.
2 nguyên tử H gắn vào 2 nguyên tử O.
Nguyên tử O thứ 3 chỉ gắn vào S.

O
|
O – S – O
| |
H H

Số electron đã dùng cho liên kết đơn: 10 electron. Còn 16 electron.
Phân bố 16 electron còn lại:
Nguyên tử O thứ nhất (không gắn H): 6 electron (3 cặp).
Nguyên tử O thứ hai (gắn H): 4 electron (2 cặp).
Nguyên tử O thứ ba (gắn H): 4 electron (2 cặp).
Tổng số electron phân bố cho O: 6 + 4 + 4 = 14. Còn lại 16 – 14 = 2 electron.
Phân bố 2 electron còn lại này vào nguyên tử S.

Cấu trúc:
:Ö:
|
:Ö: – S – :Ö:
| |
H H

Kiểm tra octet:
O (trên): 2 (liên kết) + 6 (chưa liên kết) = 8.
O (trái): 2 (S-O) + 2 (O-H) + 4 (chưa liên kết) = 8.
O (phải): 2 (S-O) + 2 (O-H) + 4 (chưa liên kết) = 8.
H (trái): 2 (liên kết).
H (phải): 2 (liên kết).
S: 2 (S-O) + 2 (S-O) + 2 (S-O) + 2 (chưa liên kết) = 10 electron.

Trong trường hợp này, S có 10 electron xung quanh. Điều này là chấp nhận được với các nguyên tố ở chu kỳ 3 trở đi (S thuộc chu kỳ 3).

Do đó, công thức Lewis của H₂SO₃ là:
:Ö:
|
:Ö: – S – :Ö:
| |
H H

Trong đó:
– S liên kết đơn với 3 nguyên tử O.
– Mỗi nguyên tử O liên kết đơn với 1 nguyên tử H.
– Nguyên tử O không gắn H có 3 cặp electron tự do.
– Hai nguyên tử O gắn H mỗi nguyên tử có 2 cặp electron tự do.
– Nguyên tử S có 1 cặp electron tự do.

Bước 5: Viết công thức cấu tạo.
Công thức cấu tạo chỉ biểu diễn các cặp electron dùng chung (liên kết).
Ta thay mỗi cặp electron chung bằng một gạch nối. Các cặp electron tự do thường không viết trong công thức cấu tạo đơn giản, nhưng có thể viết để rõ ràng hơn.

Từ công thức Lewis trên, ta có công thức cấu tạo của H₂SO₃ là:

O
|
O – S – O
| |
H H

Trong công thức này:
– S liên kết đơn với 3 nguyên tử O.
– Mỗi nguyên tử O liên kết đơn với 1 nguyên tử H.

Lưu ý: Dạng viết công thức cấu tạo thông thường sẽ sắp xếp các nguyên tử sao cho dễ nhìn hơn.
Ta có thể viết:

O
|
H-O-S-O-H
|
(Đây là cấu trúc của H₂SO₄, axit sulfuric)

Quay lại với H₂SO₃.
S là trung tâm.
Các nguyên tử O liên kết với S.
Các nguyên tử H liên kết với các nguyên tử O.

Công thức Lewis đã cho thấy:
:Ö:
|
:Ö: – S – :Ö:
| |
H H

Để viết công thức cấu tạo, ta chỉ cần thay các cặp electron chung bằng gạch ngang.
S tạo 3 liên kết đơn với 3 O.
2 O tạo liên kết đơn với 2 H.

Công thức cấu tạo:

O
|
O-S-O
| |
H H

(Cấu trúc này làm cho S chỉ có 6 liên kết, không đúng. S phải có 3 liên kết với O).

Ta phải theo đúng cấu trúc Lewis đã vẽ:
:Ö:
|
:Ö: – S – :Ö:
| |
H H

Công thức cấu tạo:
O
|
O-S-O
| |
H H

(Sẽ sai ở chỗ S không có liên kết với H).

Ta nhìn lại số electron hóa trị: 26.
Liên kết: S-O (3 liên kết đơn) = 6e. O-H (2 liên kết đơn) = 4e. Tổng 10e.
Còn 16e.
Phân bố cho O: 3 O, mỗi O cần 6e để đủ octet (nếu chỉ có 1 liên kết).
O (không gắn H): 6e.
2 O (gắn H): mỗi O đã có 2e từ O-H, 2e từ S-O. Cần thêm 4e.
Tổng 6 + 4 + 4 = 14e.
Còn lại 16 – 14 = 2e.
Phân bố 2e này vào S.

Công thức Lewis:
:Ö:
|
:Ö: – S – :Ö:
| |
H H

Công thức cấu tạo:
O
|
O-S-O
| |
H H

Trong công thức cấu tạo này:
– S liên kết đơn với 3 nguyên tử O.
– Mỗi nguyên tử O liên kết đơn với 1 nguyên tử H.

Điều này có nghĩa là S có 3 liên kết với O.
2 nguyên tử O có 1 liên kết với S và 1 liên kết với H.
1 nguyên tử O có 1 liên kết với S.

Cấu trúc này hợp lý.

Kết luận cho H₂SO₃:
Công thức Lewis:
:Ö:
|
:Ö: – S – :Ö:
| |
H H

Công thức cấu tạo:
O
|
O-S-O
| |
H H

—

Phần 2: Viết công thức Lewis và công thức cấu tạo của PCl₅

Bước 1: Xác định nguyên tử trung tâm.
Trong phân tử PCl₅, Phosphor (P) có độ âm điện nhỏ hơn Clo (Cl). Do đó, P là nguyên tử trung tâm.

Bước 2: Tính tổng số electron hóa trị của phân tử.
– Phosphor (P): có số thứ tự 15, thuộc nhóm VA, có 5 electron hóa trị. Phân tử có 1 nguyên tử P, vậy có 1 * 5 = 5 electron hóa trị.
– Clo (Cl): có số thứ tự 17, thuộc nhóm VIIA, có 7 electron hóa trị. Phân tử có 5 nguyên tử Cl, vậy có 5 * 7 = 35 electron hóa trị.

Tổng số electron hóa trị của phân tử PCl₅ là: 5 + 35 = 40 electron.

Bước 3: Liên kết các nguyên tử lại với nhau bằng các cặp electron chung (liên kết đơn).
Nguyên tử trung tâm P sẽ liên kết với 5 nguyên tử Cl bằng 5 liên kết đơn.
Số electron đã dùng để tạo 5 liên kết đơn P-Cl là: 5 * 2 = 10 electron.
Số electron còn lại là: 40 – 10 = 30 electron.

Bước 4: Phân bố các electron còn lại vào các nguyên tử để đạt quy tắc octet.
Mỗi nguyên tử Cl cần thêm 6 electron để đạt octet (vì mỗi Cl đã có 2 electron trong liên kết P-Cl).
Ta có 5 nguyên tử Cl.
Tổng số electron cần thêm cho 5 nguyên tử Cl là: 5 * 6 = 30 electron.
Số electron còn lại của chúng ta chính xác là 30 electron.

Vậy ta phân bố 30 electron này vào 5 nguyên tử Cl, mỗi nguyên tử Cl nhận 3 cặp electron tự do.

Công thức Lewis của PCl₅ là:
:Cl:
|
:Cl: – P – :Cl:
| |
:Cl: :Cl:

Kiểm tra octet:
– Mỗi nguyên tử Cl: có 2 electron trong liên kết P-Cl và 6 electron tự do. Tổng cộng 2 + 6 = 8 electron. (Đạt octet).
– Nguyên tử P: có 5 liên kết đơn với 5 nguyên tử Cl. Tổng cộng 5 * 2 = 10 electron.

Ở đây, nguyên tử P có 10 electron xung quanh, vượt quá quy tắc octet. Điều này là chấp nhận được vì P thuộc chu kỳ 3, có các obitan d còn trống nên có thể mở rộng octet.

Bước 5: Viết công thức cấu tạo.
Công thức cấu tạo chỉ biểu diễn các cặp electron dùng chung (liên kết).
Ta thay mỗi cặp electron chung bằng một gạch nối.

Từ công thức Lewis trên, ta có công thức cấu tạo của PCl₅ là:

Cl
|
Cl-P-Cl
| |
Cl Cl

Trong công thức này, P liên kết đơn với 5 nguyên tử Cl.

Kết luận cho PCl₅:
Công thức Lewis:
:Cl:
|
:Cl: – P – :Cl:
| |
:Cl: :Cl:

Công thức cấu tạo:
Cl
|
Cl-P-Cl
| |
Cl Cl

—

Thầy/cô hy vọng với các bước giải chi tiết này, các em đã hiểu rõ cách viết công thức Lewis và công thức cấu tạo. Hãy nhớ nắm vững các bước và luyện tập thêm nhiều ví dụ khác để thật thành thạo nhé! Nếu có bất kỳ câu hỏi nào, đừng ngần ngại hỏi thầy/cô. Chúc các em học tốt!