I. Lý thuyết trọng tâm

1. Liên kết hoá học là gì?

Khi các nguyên tử đứng riêng lẻ, chúng thường ở trạng thái có năng lượng cao và chưa bền. Để đạt trạng thái bền hơn (năng lượng thấp hơn), các nguyên tử có xu hướng kết hợp lại với nhau, tạo thành phân tử hoặc tinh thể. Sự kết hợp đó chính là liên kết hoá học.

Liên kết hoá học là sự kết hợp giữa các nguyên tử tạo thành phân tử hay tinh thể bền vững hơn.

Khi tham gia liên kết, mỗi nguyên tử đều hướng tới việc có được cấu hình electron bền vững giống các nguyên tử khí hiếm (lớp ngoài cùng đầy đủ electron).

2. Electron hoá trị

Không phải tất cả electron trong nguyên tử đều tham gia tạo liên kết. Chỉ có các electron ở lớp ngoài cùng và phân lớp sát lớp ngoài cùng mới trực tiếp tham gia vào quá trình hình thành liên kết – những electron này gọi là electron hoá trị.

Để dễ theo dõi, người ta quy ước biểu diễn electron hoá trị bằng các dấu chấm đặt xung quanh kí hiệu nguyên tố.

Số electron hoá trị của nguyên tử các nguyên tố nhóm A bằng đúng số thứ tự nhóm:

Ví dụ: $\text{Na}$ thuộc nhóm IA có 1 electron hoá trị; $\text{Cl}$ thuộc nhóm VIIA có 7 electron hoá trị; $\text{Ne}$ thuộc nhóm VIIIA có 8 electron hoá trị.

Câu hỏi lý thuyết (SGK – Câu 1): Khi nguyên tử fluorine ($Z = 9$) nhận thêm 1 electron thì ion tạo thành có cấu hình electron giống nguyên tử nguyên tố nào?

→ Nguyên tử $\text{F}$ có 9 electron. Khi nhận thêm 1 electron thì tổng số electron trở thành 10, trùng với cấu hình electron của neon ($\text{Ne}$, $Z = 10$) – một khí hiếm.

Câu hỏi lý thuyết (SGK – Câu 2): Để giảm năng lượng, các nguyên tử kết hợp lại thành phân tử theo xu hướng nào?

→ Theo xu hướng đạt tới cấu hình electron bền vững của khí hiếm (lớp ngoài cùng có 8 electron, riêng helium có 2 electron).

3. Quy tắc octet

Dựa trên nhận xét rằng các nguyên tử khí hiếm (trừ helium) đều có 8 electron ở lớp ngoài cùng – cấu hình rất bền vững, các nhà hoá học đã phát biểu quy tắc:

Quy tắc octet: Khi hình thành liên kết hoá học, các nguyên tử có xu hướng nhường, nhận hoặc góp chung electron để đạt tới cấu hình electron bền vững của nguyên tử khí hiếm gần nhất (thường là 8 electron lớp ngoài cùng, riêng hydrogen hướng tới 2 electron như helium).

Có ba cách để nguyên tử đạt octet:

• Góp chung electron (thường xảy ra giữa hai phi kim) → hình thành liên kết cộng hoá trị.
• Nhường electron (nguyên tử kim loại → mất electron → tạo ion dương).
• Nhận electron (nguyên tử phi kim → nhận electron → tạo ion âm).

4. Minh hoạ quy tắc octet qua các phân tử tiêu biểu

a) Phân tử $\text{Cl}_2$ (góp chung electron)

Mỗi nguyên tử $\text{Cl}$ có 7 electron hoá trị, cần thêm 1 electron nữa để đạt 8. Hai nguyên tử chlorine cùng góp chung 1 electron, tạo thành 1 cặp electron dùng chung:

→ Xung quanh mỗi nguyên tử $\text{Cl}$ đều có đủ 8 electron, thoả mãn octet.

b) Phân tử $\text{H}_2\text{O}$ (góp chung electron)

Nguyên tử $\text{O}$ có 6 electron hoá trị (cần thêm 2), mỗi nguyên tử $\text{H}$ có 1 electron hoá trị (cần thêm 1 để đạt cấu hình He). Vì vậy, nguyên tử oxygen góp chung electron với 2 nguyên tử hydrogen:

→ Xung quanh $\text{O}$ có 8 electron (thoả mãn octet); xung quanh mỗi $\text{H}$ có 2 electron (thoả mãn cấu hình He).

c) Phân tử $\text{NaF}$ (nhường – nhận electron)

Nguyên tử $\text{Na}$ có 1 electron hoá trị → nhường 1 electron → trở thành ion $\text{Na}^+$ (cấu hình electron giống $\text{Ne}$).

Nguyên tử $\text{F}$ có 7 electron hoá trị → nhận 1 electron → trở thành ion $\text{F}^-$ (cấu hình electron giống $\text{Ne}$).

Hai ion mang điện tích trái dấu hút nhau tạo thành hợp chất $\text{NaF}$.

5. Giới hạn của quy tắc octet

Quy tắc octet áp dụng tốt nhất cho các nguyên tố thuộc chu kì 2 và một số nguyên tố có tính kim loại hoặc phi kim điển hình. Ngoài ra vẫn có các ngoại lệ:

• Trong phân tử $\text{PCl}_5$, lớp ngoài cùng của nguyên tử $\text{P}$ có tới 10 electron (vượt quá 8).
• Một số phân tử như $\text{BF}_3$ ($\text{B}$ chỉ có 6 electron lớp ngoài), $\text{NO}_2$,… cũng không thoả mãn octet.

III. Phương pháp giải các dạng bài tập

Dạng 1: Vận dụng quy tắc octet giải thích sự hình thành liên kết trong phân tử cộng hoá trị (góp chung electron)

Phương pháp:

Đây là dạng bài yêu cầu giải thích tại sao các nguyên tử lại kết hợp với nhau theo tỉ lệ nhất định và biểu diễn công thức Lewis. Các bước thực hiện:

• Bước 1: Xác định số electron hoá trị của mỗi nguyên tử (dựa vào nhóm A hoặc cấu hình electron).
• Bước 2: Tính số electron mỗi nguyên tử còn thiếu để đạt cấu hình bền (8 electron cho các nguyên tố từ chu kì 2 trở đi; 2 electron cho hydrogen).
• Bước 3: Xác định số cặp electron góp chung:
  • Mỗi nguyên tử thiếu bao nhiêu electron → góp chung bấy nhiêu electron với nguyên tử khác.
  • Số cặp góp chung = số electron cần thêm.
• Bước 4: Biểu diễn công thức Lewis (dùng dấu chấm hoặc gạch ngang cho cặp electron chung), kiểm tra xung quanh mỗi nguyên tử có đủ 8 (hoặc 2) electron không.

Bài mẫu 1 (SGK – Câu 3): Vận dụng quy tắc octet để giải thích sự hình thành liên kết trong phân tử $\text{F}_2$.

Giải:

Nguyên tử $\text{F}$ ($Z = 9$) thuộc nhóm VIIA → có 7 electron hoá trị, cần thêm 1 electron để đạt cấu hình 8 electron lớp ngoài cùng.

Hai nguyên tử $\text{F}$ mỗi bên góp chung 1 electron, tạo thành 1 cặp electron dùng chung:

→ Xung quanh mỗi nguyên tử $\text{F}$ có 8 electron (gồm 6 electron riêng + 2 electron chung), thoả mãn quy tắc octet.

Bài mẫu 2 (SGK – Câu 3): Vận dụng quy tắc octet để giải thích sự hình thành liên kết trong phân tử $\text{CCl}_4$.

Giải:

• Nguyên tử $\text{C}$ ($Z = 6$) thuộc nhóm IVA → có 4 electron hoá trị, cần thêm 4 electron để đạt 8.
• Nguyên tử $\text{Cl}$ ($Z = 17$) thuộc nhóm VIIA → có 7 electron hoá trị, cần thêm 1 electron để đạt 8.

Nguyên tử $\text{C}$ góp chung electron với 4 nguyên tử $\text{Cl}$, mỗi cặp $\text{C–Cl}$ chia sẻ 1 cặp electron dùng chung:

(Với 4 nguyên tử Cl bao quanh C)

→ Xung quanh $\text{C}$ có $4 \times 2 = 8$ electron (4 cặp chung), thoả mãn octet.

→ Xung quanh mỗi $\text{Cl}$ có $6 + 2 = 8$ electron (3 cặp riêng + 1 cặp chung), thoả mãn octet.

Dạng 2: Vận dụng quy tắc octet giải thích sự hình thành liên kết trong hợp chất ion (nhường – nhận electron)

Phương pháp:

Dạng bài này liên quan đến liên kết giữa nguyên tử kim loại (ít electron hoá trị, dễ nhường) và nguyên tử phi kim (nhiều electron hoá trị, dễ nhận). Các bước:

• Bước 1: Xác định số electron hoá trị của mỗi nguyên tử.
• Bước 2: Xác định xu hướng:
  • Nguyên tử kim loại (nhóm IA, IIA, IIIA): nhường electron hoá trị → tạo ion dương (cation).
  • Nguyên tử phi kim (nhóm VA, VIA, VIIA): nhận electron → tạo ion âm (anion).
• Bước 3: Xác định số electron nhường/nhận sao cho cả hai bên đều đạt cấu hình khí hiếm. Từ đó suy ra tỉ lệ kết hợp.
• Bước 4: Giải thích lực hút: ion dương và ion âm mang điện tích trái dấu hút nhau tạo thành hợp chất ion.

Bài mẫu (Dựa trên ví dụ SGK – $\text{NaF}$, mở rộng cho $\text{NaCl}$):

Giải thích sự hình thành liên kết trong hợp chất $\text{NaCl}$ bằng quy tắc octet.

Giải:

• Nguyên tử $\text{Na}$ ($Z = 11$) thuộc nhóm IA → có 1 electron hoá trị. Nhường 1 electron → trở thành ion $\text{Na}^+$ với cấu hình electron giống $\text{Ne}$ (8 electron lớp ngoài cùng).
• Nguyên tử $\text{Cl}$ ($Z = 17$) thuộc nhóm VIIA → có 7 electron hoá trị. Nhận 1 electron → trở thành ion $\text{Cl}^-$ với cấu hình electron giống $\text{Ar}$ (8 electron lớp ngoài cùng).

$$\text{Na} \xrightarrow{\text{nhường 1e}} \text{Na}^+ \quad;\quad \text{Cl} \xrightarrow{\text{nhận 1e}} \text{Cl}^-$$

Ion $\text{Na}^+$ và $\text{Cl}^-$ mang điện tích trái dấu → hút nhau → tạo thành hợp chất $\text{NaCl}$.

Cả $\text{Na}^+$ và $\text{Cl}^-$ đều đạt cấu hình khí hiếm, thoả mãn quy tắc octet.

Dạng 3: Vận dụng quy tắc octet giải thích liên kết trong phân tử có nhiều cặp electron góp chung

Phương pháp:

Một số phân tử có nguyên tử trung tâm cần góp chung với nhiều nguyên tử xung quanh, hoặc cần tạo liên kết đôi, liên kết ba. Cách làm tương tự Dạng 1 nhưng cần chú ý:

• Nếu nguyên tử trung tâm thiếu nhiều electron → cần góp chung với nhiều nguyên tử khác.
• Tỉ lệ nguyên tử trong phân tử = (số electron cần của nguyên tử trung tâm) / (số electron mỗi nguyên tử xung quanh có thể góp).
• Luôn kiểm tra octet cho tất cả các nguyên tử trong phân tử.

Bài mẫu 1 (SGK – Câu 3): Vận dụng quy tắc octet giải thích sự hình thành liên kết trong phân tử $\text{NF}_3$.

Giải:

• Nguyên tử $\text{N}$ ($Z = 7$) thuộc nhóm VA → có 5 electron hoá trị, cần thêm 3 electron để đạt 8.
• Nguyên tử $\text{F}$ ($Z = 9$) thuộc nhóm VIIA → có 7 electron hoá trị, cần thêm 1 electron để đạt 8.

Nguyên tử $\text{N}$ cần 3 electron → góp chung với 3 nguyên tử $\text{F}$, mỗi cặp $\text{N–F}$ chia sẻ 1 cặp electron dùng chung:

→ Xung quanh $\text{N}$ có: 3 cặp electron chung + 1 cặp electron riêng = $3 \times 2 + 1 \times 2 = 8$ electron → thoả mãn octet.

→ Xung quanh mỗi $\text{F}$ có: 1 cặp electron chung + 3 cặp electron riêng = $1 \times 2 + 3 \times 2 = 8$ electron → thoả mãn octet.

Bài mẫu 2 (SGK – Câu 4): Phosphine ($\text{PH}_3$) là hợp chất giữa phosphorus và hydrogen – chất khí không màu, mùi tỏi, rất độc, không bền. Phosphine sinh ra khi phân huỷ xác động, thực vật và thường lẫn diphosphine ($\text{P}_2\text{H}_4$) nên có thể tự cháy trong không khí, tạo khối phát sáng bay lơ lửng (hiện tượng “ma trơi”). Vận dụng quy tắc octet giải thích sự tạo thành liên kết hoá học trong phosphine.

Giải:

• Nguyên tử $\text{P}$ ($Z = 15$) thuộc nhóm VA → có 5 electron hoá trị, cần thêm 3 electron để đạt 8.
• Nguyên tử $\text{H}$ ($Z = 1$) có 1 electron hoá trị, cần thêm 1 electron để đạt cấu hình helium (2 electron).

Nguyên tử $\text{P}$ cần 3 electron → góp chung electron với 3 nguyên tử $\text{H}$:

→ Xung quanh $\text{P}$ có: 3 cặp electron chung + 1 cặp electron riêng = $3 \times 2 + 1 \times 2 = 8$ electron → thoả mãn octet.

→ Xung quanh mỗi $\text{H}$ có: 1 cặp electron chung = $2$ electron → thoả mãn cấu hình helium.

Vậy trong phân tử $\text{PH}_3$, ba nguyên tử $\text{H}$ và một nguyên tử $\text{P}$ kết hợp theo tỉ lệ 3:1 nhờ góp chung electron, đều đạt cấu hình bền theo quy tắc octet.

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