Mô phỏng hình dạng phân tử 3D (thuyết VSEPR)

Mô phỏng này đặt một phân tử giữa màn hình để cả lớp cùng lắp ra hình dạng của nó. Bắt đầu từ nguyên tử trung tâm (có khuôn mặt cười để học sinh nhớ đó là nguyên tử ở giữa), rồi bấm nút để thêm liên kết đơn, liên kết đôi, liên kết ba hoặc cặp electron tự do. Mỗi vùng electron đẩy các vùng khác ra xa, nên chúng trượt quanh nguyên tử cho tới khi cách nhau xa nhất có thể, và bảng bên cạnh gọi tên thứ vừa lắp được: AX₂E₂, các vùng electron sắp xếp theo hình tứ diện, phân tử dạng góc, góc liên kết nhỏ hơn 109,5°. Sau đó chuyển sang Phân tử thật để xem nước, ammonia, methane, sulfur tetrafluoride, xenon tetrafluoride và hơn chục phân tử khác với độ dài và góc liên kết đo được, ở dạng quả cầu – que hoặc mô hình đặc.

Cách dùng

• Lắp phân tử: mỗi cặp nút + và − thêm hoặc bớt một liên kết đơn, liên kết đôi, liên kết ba hoặc một cặp electron tự do. Vùng electron mới xuất hiện ở chỗ trống nhất, rồi tất cả tự đẩy nhau về cách sắp xếp mới. Quanh nguyên tử trung tâm có tối đa sáu vùng electron và luôn có ít nhất một liên kết.
• Đọc bảng: tên hình dạng phân tử, công thức AXₘEₙ (A là nguyên tử trung tâm, X là nguyên tử liên kết với A, E là cặp electron tự do), số vùng electron, cách sắp xếp các vùng electron và góc liên kết lí tưởng. "< 109,5°" nghĩa là cặp electron tự do ép góc liên kết nhỏ hơn giá trị lí tưởng.
• Phân tử thật có dạng này: dưới phần giải thích, Oly liệt kê các phân tử thật cùng kiểu AXE. Chạm vào một phân tử để chuyển sang xem.
• Phân tử thật: chọn H₂O, NH₃, CH₄, CO₂, BF₃, SO₂, HCN, C₂H₄, H₂CO, PCl₅, SF₄, ClF₃, XeF₂, SF₆, BrF₅, XeF₄, BeCl₂ hoặc SO₃. Bảng so sánh góc lí tưởng với góc đo được, các cung trên phân tử ghi góc đo được.
• Xoay và phóng to: kéo để xoay phân tử, chụm hai ngón hoặc lăn chuột để phóng to. Để yên vài giây, phân tử tự xoay chậm.
• Mô hình: Quả cầu – que cho thấy liên kết (một, hai hoặc ba que) và các góc; mô hình Đặc vẽ nguyên tử theo kích thước thật, lồng vào nhau như trong phân tử. Nút Kí hiệu và Góc bật tắt kí hiệu nguyên tố và các cung góc.
• Bàn phím: mũi tên để xoay, + và − để phóng to thu nhỏ, 1 và 2 đổi chế độ, B, D, T thêm liên kết đơn, đôi, ba, E thêm cặp electron tự do (giữ Shift để bớt), Backspace bỏ cái vừa thêm, [ và ] đổi phân tử thật, V đổi mô hình.
• Máy chiếu: nút toàn màn hình ở góc trên bên phải làm mọi thứ to ra cho bàn cuối nhìn rõ. Trên màn hình cảm ứng, nút + và − đủ to để học sinh tự lên chạm.

Thuyết VSEPR trong một ý

VSEPR là viết tắt của "valence shell electron pair repulsion": thuyết sự đẩy giữa các cặp electron lớp vỏ hóa trị. Các cặp electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử trung tâm đều mang điện âm, nên chúng đẩy nhau và phân bố xa nhau nhất có thể quanh nguyên tử. Hình dạng phân tử được xác định theo ba bước:

1. Đếm số vùng electron quanh nguyên tử trung tâm. Một vùng là một cặp electron tự do hoặc một liên kết với nguyên tử khác. Liên kết đôi hay liên kết ba chỉ tính là một vùng, vì các electron của nó cùng hướng về một nguyên tử.
2. Sắp xếp các vùng xa nhau nhất: 2 vùng thẳng hàng (180°), 3 vùng tam giác phẳng (120°), 4 vùng tứ diện (109,5°), 5 vùng lưỡng chóp tam giác (90° và 120°), 6 vùng bát diện (90°).
3. Gọi tên hình dạng chỉ theo vị trí các nguyên tử. Cặp electron tự do chiếm chỗ nhưng không tính vào hình dạng, nên 4 vùng có 1 cặp tự do cho phân tử chóp tam giác (NH₃), có 2 cặp tự do cho phân tử dạng góc (H₂O).

Vì sao cặp electron tự do ép góc liên kết

Cặp electron tự do chỉ chịu hút của một hạt nhân, nên nằm gần nguyên tử trung tâm hơn và chiếm nhiều không gian hơn cặp electron liên kết. Nó đẩy mạnh hơn: lực đẩy giữa hai cặp tự do lớn nhất, rồi đến giữa cặp tự do và cặp liên kết, nhỏ nhất là giữa hai cặp liên kết. Vì vậy các liên kết bị ép lại gần nhau hơn một chút. Methane không có cặp tự do nên góc đúng 109,5°; ammonia có một cặp, góc khoảng 107°; nước có hai cặp, góc 104,5°.

Liên kết đôi có nhiều electron hơn nên cũng đẩy mạnh hơn một chút. Trong ethylene (C₂H₄) và methanal (H₂CO), góc H–C–H khoảng 117° thay vì 120°.

Năm và sáu vùng electron: cặp tự do nằm ở đâu

Trong hình lưỡng chóp tam giác, các vị trí không giống nhau. Vị trí trục (trên cùng, dưới cùng) có ba vùng bên cạnh ở góc 90°; vị trí xích đạo (vòng giữa) chỉ có hai. Cặp electron tự do cần nhiều chỗ nên luôn chiếm vị trí xích đạo trước. Vì thế SF₄ có dạng bập bênh, ClF₃ có dạng chữ T và XeF₂ thẳng hàng. Trong hình bát diện, sáu vị trí như nhau, nhưng cặp tự do thứ hai nằm đối diện cặp thứ nhất để xa nhau nhất: XeF₄ vuông phẳng. Mô phỏng tự làm điều này: thêm cặp electron tự do vào phân tử có năm vùng và xem chúng trượt về vòng giữa.

Thử ngay

1. Lắp AX₄, rồi đổi một liên kết thành cặp electron tự do (bớt một liên kết đơn, thêm một cặp tự do). Hình dạng mới là gì? Góc liên kết thay đổi thế nào?
2. Tiếp tục: hai cặp tự do, rồi ba cặp. Gọi tên từng hình dạng trước khi bảng hiện ra.
3. Lắp năm vùng có một cặp tự do. Xoay phân tử: cặp tự do nằm ở trục hay ở vòng giữa? Vì sao?
4. Lắp sáu vùng có hai cặp tự do. Dự đoán hai cặp tự do nằm cạnh nhau hay đối diện nhau.
5. Ở phần Phân tử thật, so sánh CH₄, NH₃ và H₂O. Xếp các góc đo được theo thứ tự và giải thích quy luật.
6. So sánh CO₂ và SO₂: cả hai đều có hai liên kết đôi với oxygen. Vì sao một phân tử thẳng hàng, phân tử kia dạng góc?

Gợi ý dạy trên lớp

Mô phỏng hợp với các bài sau:

• Hóa học 10: chương liên kết hóa học (quy tắc octet, liên kết cộng hóa trị, công thức Lewis, cặp electron liên kết và cặp electron tự do) và chuyên đề lai hóa orbital, dự đoán hình học phân tử theo mô hình VSEPR.
• Hóa học 11: ôn hình dạng phân tử khi học ammonia, sulfur dioxide, methane, ethylene và methanal: phân tử chóp tam giác, dạng góc, tứ diện, tam giác phẳng.

Một tiết học mẫu:

1. Khởi động (3 phút): mở phân tử nước ở mô hình Đặc. Hỏi: "Vì sao phân tử nước không thẳng hàng H–O–H?"
2. Lắp từng nhóm (10 phút): bắt đầu từ AX₂, thêm lần lượt từng vùng electron tới AX₆. Cả lớp gọi tên cách sắp xếp trước khi bấm +, rồi kiểm tra trên bảng.
3. Cặp electron tự do (10 phút): từ AX₄, lần lượt đổi liên kết thành cặp tự do. Viết công thức Lewis của CH₄, NH₃, H₂O lên bảng và ghép mỗi công thức với hình dạng của nó.
4. Góc thật (7 phút): ở phần Phân tử thật, đọc góc đo được của CH₄, NH₃, H₂O và SO₂. Mời học sinh giải thích vì sao mỗi góc khác góc lí tưởng.
5. Vượt quá octet (8 phút, cho lớp chuyên đề): PCl₅, SF₄, ClF₃, XeF₂, SF₆, BrF₅ và XeF₄. Hỏi cặp electron tự do nằm ở đâu trước khi mở từng phân tử.
6. Ôn tập: bấm "Tạo game ôn tập" để có ngay một trò chơi cả lớp chơi trên cùng màn hình, chia đội, điện thoại của bạn làm điều khiển.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao liên kết đôi chỉ tính là một vùng electron?

Mọi electron của liên kết đôi hay liên kết ba đều nằm giữa cùng hai nguyên tử, nên chúng hướng về một phía và xem như một vùng mật độ electron. Thuyết VSEPR đếm số vùng chứ không đếm số electron: CO₂ có hai vùng (hai liên kết đôi) và thẳng hàng, giống BeCl₂ có hai liên kết đơn.

Góc ở phần Lắp phân tử có phải góc thật không?

Cách sắp xếp và góc lí tưởng đúng theo thuyết VSEPR. Khi có cặp electron tự do, các liên kết nghiêng ra xa chúng vài độ để thể hiện xu hướng, và bảng ghi "< 109,5°" thay vì một con số, vì góc thật còn tùy vào từng nguyên tử. Các con số ở phần Phân tử thật là góc đo được của từng phân tử ở thể khí.

Vì sao góc của ammonia là 107° mà không phải 106,7°?

Giá trị đo chính xác là 106,7°; hầu hết sách làm tròn thành 107°, nên mô phỏng ghi 107° cho khớp với sách học sinh đang đọc. Các giá trị khác được làm tròn từ cùng một cơ sở dữ liệu hình học thực nghiệm.

Màu các nguyên tử có ý nghĩa gì?

Các phân tử thật dùng màu CPK quen thuộc: hydrogen trắng, carbon xám đậm, nitrogen xanh dương, oxygen đỏ, fluorine xanh lá nhạt, chlorine xanh lá, lưu huỳnh vàng, phosphorus cam, bromine đỏ sẫm. Ở phần Lắp phân tử, nguyên tử trung tâm màu vàng, nguyên tử liên kết màu xanh và cặp electron tự do màu hồng.

Mô phỏng có giải thích phân tử phân cực không?

Không trực tiếp, nhưng là bước chuẩn bị tốt. Khi học sinh thấy CO₂ và BF₃ đối xứng còn H₂O và NH₃ thì không, hãy hỏi phân tử nào có các liên kết phân cực triệt tiêu nhau. Đó là bài học tiếp theo.

Dùng trên bảng tương tác được không?

Được. Học sinh có thể kéo phân tử bằng ngón tay và chụm hai ngón để phóng to, nút + và − đủ to để chạm. Chế độ toàn màn hình giúp bàn cuối đọc rõ bảng. Trên điện thoại cũng dùng được. Không cần cài đặt hay đăng ký, mô phỏng chạy ngay trên trình duyệt và miễn phí.