I. Lý thuyết trọng tâm

1. Liên kết cộng hóa trị là gì?

Khi hai nguyên tử phi kim tiến lại gần nhau, thay vì cho – nhận electron hoàn toàn như liên kết ion, chúng sẽ góp chung electron để cả hai cùng đạt lớp vỏ bền vững theo quy tắc octet (hoặc 2 electron với hydrogen). Mỗi cặp electron được hai nguyên tử dùng chung chính là một liên kết cộng hóa trị.

$$\boxed{\text{Liên kết cộng hóa trị = liên kết tạo bởi một hay nhiều cặp electron dùng chung giữa hai nguyên tử.}}$$

Cặp electron dùng chung có thể hình thành theo hai cách:

• Cách thông thường: Mỗi nguyên tử đóng góp electron vào cặp dùng chung (ví dụ $\text{H}$ góp 1e, $\text{Cl}$ góp 1e → tạo 1 cặp trong $\text{HCl}$).
• Kiểu cho – nhận: Chỉ một nguyên tử cung cấp cả cặp electron; nguyên tử kia nhận. Kí hiệu bằng mũi tên: $\text{B} \rightarrow \text{A}$ (B cho, A nhận).

2. Liên kết đơn, đôi, ba

a) Liên kết đơn – 1 cặp electron dùng chung

Phân tử $\text{Cl}_2$: Mỗi nguyên tử $\text{Cl}$ có 7 electron hóa trị, cần thêm 1 electron. Hai nguyên tử mỗi bên góp 1 electron → tạo 1 cặp electron dùng chung. Sau khi liên kết, mỗi $\text{Cl}$ đạt 8 electron lớp ngoài cùng.

$$\text{Công thức cấu tạo:} \quad \text{Cl} – \text{Cl}$$

Phân tử $\text{HCl}$: Nguyên tử $\text{H}$ (1 electron hóa trị) và $\text{Cl}$ (7 electron hóa trị) mỗi bên góp 1 electron. Kết quả: $\text{H}$ đạt 2 electron (giống $\text{He}$), $\text{Cl}$ đạt 8 electron.

$$\text{Công thức cấu tạo:} \quad \text{H} – \text{Cl}$$

Liên kết cho – nhận (trong ion $\text{NH}_4^+$)

Trong phân tử $\text{NH}_3$, nguyên tử $\text{N}$ còn dư 1 cặp electron chưa liên kết. Ion $\text{H}^+$ có orbital trống. Khi $\text{NH}_3$ kết hợp với $\text{H}^+$, nguyên tử $\text{N}$ đóng góp cặp electron đó cho $\text{H}^+$ → hình thành liên kết cho – nhận, tạo ion $\text{NH}_4^+$.

Điểm quan trọng: trong $\text{NH}_4^+$, bốn liên kết N–H hoàn toàn tương đương nhau, không phân biệt được liên kết nào là cho – nhận.

b) Liên kết đôi – 2 cặp electron dùng chung

Phân tử $\text{O}_2$: Nguyên tử $\text{O}$ có 6 electron hóa trị, cần 2 electron. Mỗi nguyên tử góp 2 electron → 2 cặp electron dùng chung.

$$\text{Công thức cấu tạo:} \quad \text{O} = \text{O}$$

Phân tử $\text{CO}_2$: Nguyên tử $\text{C}$ (4 electron hóa trị) góp tổng cộng 4 electron, mỗi nguyên tử $\text{O}$ (6 electron hóa trị) góp 2 electron. Kết quả: mỗi liên kết $\text{C=O}$ là liên kết đôi, phân tử có hai liên kết đôi.

$$\text{Công thức cấu tạo:} \quad \text{O} = \text{C} = \text{O}$$

c) Liên kết ba – 3 cặp electron dùng chung

Phân tử $\text{N}_2$: Nguyên tử $\text{N}$ có 5 electron hóa trị, cần 3 electron. Mỗi nguyên tử góp 3 electron → 3 cặp electron dùng chung.

$$\text{Công thức cấu tạo:} \quad \text{N} \equiv \text{N}$$

3. Phân loại theo sự phân cực

• Liên kết cộng hóa trị không phân cực: Cặp electron dùng chung không bị hút lệch về phía nguyên tử nào. Gặp trong các phân tử gồm cùng một nguyên tố: $\text{Cl}_2$, $\text{O}_2$, $\text{N}_2$, $\text{H}_2$…
• Liên kết cộng hóa trị phân cực: Cặp electron dùng chung lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn. Ví dụ: trong $\text{HCl}$, cặp electron lệch về phía $\text{Cl}$.
• Liên kết cộng hóa trị phân cực được coi là dạng trung gian giữa liên kết cộng hóa trị không phân cực và liên kết ion.

4. Độ âm điện và cách phân loại liên kết

Độ âm điện ($\chi$) đặc trưng cho khả năng hút electron của nguyên tử trong liên kết. Dựa vào hiệu độ âm điện $|\Delta\chi|$ giữa hai nguyên tử, ta phân loại:

Ví dụ minh họa:

• $\text{HCl}$: $|\Delta\chi| = 3{,}16 – 2{,}20 = 0{,}96$ → cộng hóa trị phân cực.
• $\text{CO}_2$: $|\Delta\chi| = 3{,}44 – 2{,}55 = 0{,}89$ → mỗi liên kết $\text{C=O}$ phân cực, nhưng phân tử có cấu tạo thẳng nên hai liên kết triệt tiêu nhau → phân tử không phân cực.
• $\text{NaCl}$: $|\Delta\chi| = 3{,}16 – 0{,}93 = 2{,}23$ → liên kết ion.

5. Mô tả liên kết bằng sự xen phủ orbital nguyên tử

a) Liên kết $\sigma$ (sigma) – xen phủ trục

Khi hai orbital nguyên tử xen phủ dọc theo trục nối hai hạt nhân, vùng xen phủ có mật độ electron lớn, giữ hai nguyên tử liên kết bền vững. Liên kết tạo thành gọi là liên kết $\sigma$.

Ba kiểu xen phủ trục:

• Xen phủ s – s: Hai orbital s xen phủ (ví dụ $\text{H}_2$: orbital $1s + 1s$). Độ dài liên kết H–H là 74 pm, ngắn hơn tổng bán kính hai nguyên tử H (106 pm).

• Xen phủ s – p: Orbital s xen phủ với orbital p theo trục liên kết (ví dụ $\text{HF}$: orbital $1s$ của H xen phủ với orbital $2p$ của F).

• Xen phủ p – p (theo trục): Hai orbital p xen phủ dọc trục (ví dụ $\text{Cl}_2$: hai orbital $3p$ xen phủ theo trục liên kết).

$$\boxed{\text{Mọi liên kết đơn đều là liên kết } \sigma.}$$

b) Liên kết $\pi$ (pi) – xen phủ bên

Khi hai orbital p có trục song song với nhau và vuông góc với đường nối tâm hai nguyên tử, chúng xen phủ bên → tạo liên kết $\pi$.

Quy tắc quan trọng:

Liên kết $\sigma$ bền hơn liên kết $\pi$ vì xen phủ trục hiệu quả hơn xen phủ bên.

6. Năng lượng liên kết

Năng lượng liên kết ($E_b$) là năng lượng cần cung cấp để phá vỡ một liên kết hóa học trong phân tử ở thể khí, tạo thành các nguyên tử ở thể khí. Đơn vị: $\text{kJ/mol}$.

$$\text{Ví dụ:} \quad \text{HCl}(g) \rightarrow \text{H}(g) + \text{Cl}(g) \qquad E_b = 432 \text{ kJ/mol}$$

Bảng năng lượng liên kết trung bình của một số liên kết:

$$\boxed{E_b \text{ càng lớn} \Rightarrow \text{liên kết càng bền} \Rightarrow \text{phân tử càng khó bị phân hủy.}}$$

7. Tính chất chung của chất có liên kết cộng hóa trị

• Trạng thái: Tồn tại ở cả ba thể – khí ($\text{H}_2$, $\text{CO}_2$, $\text{Cl}_2$…), lỏng ($\text{Br}_2$, nước, alcohol…), rắn (đường, iodine, sulfur…).
• Tính tan: Chất phân cực (ethanol, đường…) tan tốt trong nước. Chất không phân cực (iodine, hydrocarbon…) ít tan trong nước, tan trong dung môi hữu cơ.
• Nhiệt độ nóng chảy, sôi: Thường thấp hơn hợp chất ion do lực tương tác giữa các phân tử yếu hơn.
• Dẫn điện: Chất cộng hóa trị không phân cực thường không dẫn điện ở mọi trạng thái.

II. Phương pháp giải các dạng bài tập

Phần này chỉ trình bày các dạng bài tập có tính toán, bám sát bốn nội dung trọng tâm của bài: số cặp electron dùng chung, hiệu độ âm điện, số liên kết $\sigma$ – $\pi$ và năng lượng liên kết.

Kiến thức nền dùng chung cho cả phần:

Dạng 1: Xác định số cặp electron dùng chung và viết công thức cấu tạo

Phương pháp giải

Bước 1: Xác định số electron hoá trị của mỗi nguyên tử, dựa vào số thứ tự nhóm A.

Bước 2: Xác định số cặp electron dùng chung giữa từng cặp nguyên tử. Số cặp electron dùng chung của một liên kết bằng số electron mà nguyên tử cần ít electron hơn đóng góp cho liên kết đó.

Bước 3: Tính số cặp electron riêng (chưa tham gia liên kết) của mỗi nguyên tử:

$$\text{Số cặp electron riêng} = \frac{\text{số electron hoá trị} – \text{số electron đã góp chung}}{2}$$

Bước 4: Chuyển đổi giữa ba loại công thức:

Bước 5: Kiểm tra lại bằng quy tắc octet: mỗi nguyên tử (trừ $\text{H}$) phải có đủ 8 electron ở lớp ngoài cùng, tính cả electron dùng chung và electron riêng. Riêng $\text{H}$ chỉ cần 2 electron.

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Viết công thức electron, công thức Lewis và công thức cấu tạo của phân tử $\text{Br}_2$.

Lời giải

$\text{Br}$ thuộc nhóm VIIA nên có 7 electron hoá trị, cần thêm 1 electron để đạt octet.

Mỗi nguyên tử $\text{Br}$ góp 1 electron, tạo 1 cặp electron dùng chung, tức là một liên kết đơn.

Số cặp electron riêng của mỗi nguyên tử $\text{Br}$:

$$\frac{7 – 1}{2} = 3\,\text{cặp}$$

Kiểm tra octet cho mỗi nguyên tử $\text{Br}$:

$$3\,\times\,2 + 1\,\times\,2 = 6 + 2 = 8\,\text{electron}$$

Công thức cấu tạo:

$$\text{Br} – \text{Br}$$

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Xác định số cặp electron dùng chung giữa nguyên tử $\text{C}$ và mỗi nguyên tử $\text{O}$ trong phân tử $\text{CO}_2$. Viết công thức cấu tạo và cho biết mỗi nguyên tử còn bao nhiêu cặp electron riêng.

Lời giải

Bước 1. Số electron hoá trị và nhu cầu góp chung

• $\text{C}$ thuộc nhóm IVA: 4 electron hoá trị, cần góp chung 4 electron.
• $\text{O}$ thuộc nhóm VIA: 6 electron hoá trị, cần góp chung 2 electron.

Bước 2. Xác định số cặp dùng chung

Nguyên tử $\text{C}$ liên kết với 2 nguyên tử $\text{O}$. Mỗi nguyên tử $\text{O}$ cần góp 2 electron, còn $\text{C}$ cũng góp 2 electron cho mỗi nguyên tử $\text{O}$.

Vậy mỗi liên kết $\text{C}-\text{O}$ có 2 cặp electron dùng chung, tức là một liên kết đôi.

Bước 3. Số cặp electron riêng

Nguyên tử $\text{C}$ đã góp hết 4 electron:

$$\frac{4 – 4}{2} = 0\,\text{cặp riêng}$$

Mỗi nguyên tử $\text{O}$ đã góp 2 electron:

$$\frac{6 – 2}{2} = 2\,\text{cặp riêng}$$

Bước 4. Công thức cấu tạo

$$\text{O} = \text{C} = \text{O}$$

Bước 5. Kiểm tra octet

• Nguyên tử $\text{C}$: $2\,\times\,2\,\times\,2 = 8$ electron (hai liên kết đôi, mỗi liên kết 2 cặp).
• Mỗi nguyên tử $\text{O}$: $2\,\times\,2 + 2\,\times\,2 = 8$ electron (2 cặp dùng chung và 2 cặp riêng).

Kết luận: Giữa $\text{C}$ và mỗi $\text{O}$ có 2 cặp electron dùng chung; $\text{C}$ không còn cặp riêng, mỗi $\text{O}$ còn 2 cặp riêng.

Bài tập mẫu 3

Đề bài: Trong phân tử $\text{NH}_3$, nguyên tử $\text{N}$ tạo bao nhiêu liên kết đơn và còn lại bao nhiêu cặp electron riêng? Từ đó giải thích vì sao $\text{NH}_3$ có thể kết hợp với $\text{H}^+$ tạo ion $\text{NH}_4^+$.

Lời giải

$\text{N}$ thuộc nhóm VA nên có 5 electron hoá trị, cần góp chung 3 electron. Mỗi nguyên tử $\text{H}$ góp 1 electron.

Vậy $\text{N}$ tạo 3 liên kết đơn $\text{N}-\text{H}$, mỗi liên kết có 1 cặp electron dùng chung.

Số cặp electron riêng của $\text{N}$:

$$\frac{5 – 3}{2} = 1\,\text{cặp}$$

Kiểm tra octet của $\text{N}$:

$$3\,\times\,2 + 1\,\times\,2 = 6 + 2 = 8\,\text{electron}$$

Giải thích: Nguyên tử $\text{N}$ còn 1 cặp electron riêng chưa tham gia liên kết, trong khi ion $\text{H}^+$ có orbital trống. Khi đó $\text{N}$ đóng góp cả cặp electron này cho $\text{H}^+$, hình thành liên kết cho – nhận, tạo ion $\text{NH}_4^+$.

Lưu ý: Trong ion $\text{NH}_4^+$, bốn liên kết $\text{N}-\text{H}$ hoàn toàn tương đương nhau, không phân biệt được liên kết nào là liên kết cho – nhận.

Dạng 2: Xác định loại liên kết dựa vào hiệu độ âm điện

Phương pháp giải

Bước 1: Tra giá trị độ âm điện $\chi$ của hai nguyên tố tạo nên liên kết.

Bước 2: Tính hiệu độ âm điện, lấy giá trị tuyệt đối (luôn lấy số lớn trừ số bé):

$$\lvert\Delta\chi\rvert = \lvert\chi_1 – \chi_2\rvert$$

Bước 3: Đối chiếu với thang phân loại:

Bước 4: Nếu là liên kết cộng hoá trị phân cực, xác định cặp electron dùng chung bị lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn.

Lưu ý khi làm bài: Thang phân loại này chỉ mang tính dự đoán. Hai mốc $0{,}4$ và $1{,}7$ là ranh giới quy ước, nên với các giá trị sát mốc (ví dụ $0{,}38$ hay $1{,}55$) vẫn phải kết luận đúng theo thang, không được “làm tròn” theo cảm tính.

Bảng độ âm điện tra nhanh (theo thang Pauling):

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Dự đoán loại liên kết trong các phân tử sau: $\text{MgCl}_2$, $\text{AlCl}_3$, $\text{HBr}$, $\text{O}_2$, $\text{NH}_3$.

Lời giải

Nhận xét: $\text{MgCl}_2$ và $\text{AlCl}_3$ đều là hợp chất của kim loại với chlorine, nhưng $\text{AlCl}_3$ lại có liên kết cộng hoá trị phân cực. Đây là trường hợp dễ nhầm, vì $\text{Al}$ có độ âm điện khá lớn ($1{,}61$) so với các kim loại điển hình khác.

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Trong các chất sau, có bao nhiêu chất chứa liên kết cộng hoá trị: $\text{Na}_2\text{O}$, $\text{SO}_2$, $\text{H}_2\text{S}$, $\text{HCl}$, $\text{NaCl}$?

Lời giải

Kết luận: Có 3 chất chứa liên kết cộng hoá trị: $\text{SO}_2$, $\text{H}_2\text{S}$ và $\text{HCl}$.

Lưu ý: Câu hỏi yêu cầu tìm chất có liên kết cộng hoá trị nói chung, nên phải tính cả hai loại phân cực và không phân cực. Nhiều em chỉ đếm loại phân cực nên bỏ sót $\text{H}_2\text{S}$.

Dạng 3: Đếm số liên kết $\sigma$ và $\pi$ trong phân tử

Phương pháp giải

Bước 1: Viết công thức cấu tạo đầy đủ của phân tử, không được bỏ sót các liên kết $\text{C}-\text{H}$, $\text{O}-\text{H}$.

Bước 2: Đếm riêng số liên kết đơn, đôi, ba.

Bước 3: Áp dụng quy tắc quy đổi:

Bước 4: Dùng công thức tính nhanh:

$$\text{Số}\,\sigma = \text{tổng số liên kết giữa các cặp nguyên tử}$$

$$\text{Số}\,\pi = (\text{số liên kết đôi}) + 2\,\times\,(\text{số liên kết ba})$$

Cách hiểu công thức tính nhanh: Mỗi cặp nguyên tử liên kết với nhau, dù bằng liên kết đơn, đôi hay ba, cũng chỉ có đúng một liên kết $\sigma$. Vì vậy chỉ cần đếm xem trong phân tử có bao nhiêu “chỗ nối” giữa hai nguyên tử là ra ngay số $\sigma$.

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Xác định số liên kết $\sigma$ và số liên kết $\pi$ trong mỗi phân tử sau: $\text{H}_2\text{O}$, $\text{N}_2$, $\text{CO}_2$, $\text{C}_2\text{H}_4$.

Lời giải

Giải thích chi tiết với $\text{C}_2\text{H}_4$:

• 4 liên kết đơn $\text{C}-\text{H}$ cho $4\sigma$.
• 1 liên kết đôi $\text{C}=\text{C}$ cho $1\sigma + 1\pi$.

$$\text{Số}\,\sigma = 4 + 1 = 5$$

$$\text{Số}\,\pi = 1$$

Kiểm tra bằng công thức nhanh: Phân tử có tổng cộng 5 chỗ nối giữa các nguyên tử (4 chỗ $\text{C}-\text{H}$ và 1 chỗ $\text{C}-\text{C}$) nên có $5\sigma$; có 1 liên kết đôi nên có $1\pi$.

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Cho phân tử ethanol có công thức cấu tạo $\text{CH}_3 – \text{CH}_2 – \text{OH}$. Xác định số liên kết $\sigma$ và số liên kết $\pi$ trong phân tử này.

Lời giải

Bước 1. Liệt kê đầy đủ các liên kết

Bước 2. Quy đổi

Tất cả 8 liên kết trên đều là liên kết đơn, phân tử không có liên kết đôi hay liên kết ba.

$$\text{Số}\,\sigma = 3 + 2 + 1 + 1 + 1 = 8$$

$$\text{Số}\,\pi = 0$$

Kết luận: Phân tử ethanol có $8\sigma$ và không có liên kết $\pi$.

Lưu ý: Sai lầm thường gặp là quên liên kết $\text{O}-\text{H}$ hoặc quên liên kết $\text{C}-\text{C}$, vì hai liên kết này không hiện rõ khi nhìn công thức thu gọn.

Dạng 4: Năng lượng liên kết – so sánh độ bền và tính toán

Phương pháp giải

Bước 1: Ghi nhớ ý nghĩa của năng lượng liên kết $E_b$: là năng lượng cần cung cấp để phá vỡ một liên kết trong phân tử ở thể khí.

$$E_b\,\text{càng lớn} \Rightarrow \text{liên kết càng bền} \Rightarrow \text{càng khó phá vỡ}$$

Bước 2: Khi so sánh độ bền, chỉ cần tra bảng rồi sắp xếp các giá trị $E_b$ theo thứ tự.

Bước 3: Khi tính tổng năng lượng liên kết trong một phân tử, đếm số liên kết mỗi loại rồi cộng lại:

$$\sum E_b = n_1\,\times\,E_{b_1} + n_2\,\times\,E_{b_2} + \ldots$$

trong đó $n_i$ là số liên kết cùng loại trong phân tử.

Bước 4: Nếu đề hỏi năng lượng cần để phá vỡ hết liên kết trong $n$ mol chất, nhân thêm số mol:

$$E = n\,\times\,\sum E_b$$

Bảng năng lượng liên kết tra nhanh (kJ/mol):

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Dựa vào bảng năng lượng liên kết, hãy sắp xếp các phân tử $\text{Cl}_2$, $\text{Br}_2$, $\text{I}_2$ theo chiều tăng dần độ bền liên kết. Giải thích.

Lời giải

Tra bảng năng lượng liên kết:

$$E_b(\text{I}-\text{I}) = 151\,\text{kJ/mol}$$

$$E_b(\text{Br}-\text{Br}) = 193\,\text{kJ/mol}$$

$$E_b(\text{Cl}-\text{Cl}) = 243\,\text{kJ/mol}$$

Vì $151 < 193 < 243$ nên thứ tự tăng dần độ bền liên kết là:

$$\text{I}_2 < \text{Br}_2 < \text{Cl}_2$$

Giải thích: Năng lượng liên kết càng lớn thì càng cần nhiều năng lượng để phá vỡ liên kết, nghĩa là liên kết càng bền. Liên kết $\text{Cl}-\text{Cl}$ có $E_b$ lớn nhất nên bền nhất, còn $\text{I}-\text{I}$ kém bền nhất.

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Tính tổng năng lượng liên kết trong mỗi phân tử sau:

a) $\text{H}_2\text{O}$

b) $\text{NH}_3$

c) $\text{C}_2\text{H}_4$

Lời giải

Câu a. Phân tử $\text{H}_2\text{O}$ có 2 liên kết $\text{O}-\text{H}$:

$$\sum E_b = 2\,\times\,459 = 918\,\text{kJ/mol}$$

Câu b. Phân tử $\text{NH}_3$ có 3 liên kết $\text{N}-\text{H}$:

$$\sum E_b = 3\,\times\,386 = 1158\,\text{kJ/mol}$$

Câu c. Phân tử $\text{C}_2\text{H}_4$ có 4 liên kết $\text{C}-\text{H}$ và 1 liên kết $\text{C}=\text{C}$:

$$\sum E_b = 4\,\times\,418 + 1\,\times\,612$$

$$\sum E_b = 1672 + 612 = 2284\,\text{kJ/mol}$$

Kết luận: Tổng năng lượng liên kết lần lượt là $918$; $1158$ và $2284$ kJ/mol.

Bài tập mẫu 3

Đề bài: Tính năng lượng cần cung cấp để phá vỡ hoàn toàn các liên kết trong $0{,}5$ mol phân tử $\text{CH}_4$ ở thể khí, tạo thành các nguyên tử ở thể khí.

Lời giải

Bước 1. Xác định số liên kết trong phân tử

Phân tử $\text{CH}_4$ có công thức cấu tạo gồm 4 liên kết đơn $\text{C}-\text{H}$.

Bước 2. Tính tổng năng lượng liên kết của 1 mol phân tử

$$\sum E_b = 4\,\times\,418 = 1672\,\text{kJ/mol}$$

Bước 3. Tính năng lượng cho $0{,}5$ mol

$$E = 0{,}5\,\times\,1672 = 836\,\text{kJ}$$

Kết luận: Cần cung cấp $836$ kJ.

Lưu ý về đơn vị: Kết quả ở Bước 2 có đơn vị $\text{kJ/mol}$ (ứng với 1 mol), còn kết quả cuối cùng có đơn vị $\text{kJ}$ vì đã nhân với số mol cụ thể.

Bảng tra nhanh: chọn phương pháp theo dữ kiện đề bài

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ