Hệ nguyên tử ba chiều là gì? Các công bố khoa học về Hệ nguyên tử ba chiều

Hệ nguyên tử ba chiều là mô hình hình học hóa học mô tả vị trí các nguyên tử trong một phân tử ba chiều. Theo mô hình này, các nguyên tử được coi là các điểm có khối lượng không đáng kể nằm trong không gian ba chiều, và các liên kết hóa học giữa chúng được đại diện bằng các đoạn đường ảo. Hệ nguyên tử ba chiều cho phép chúng ta dễ dàng hình dung và biểu diễn cấu trúc của các phân tử phức tạp và giúp ta hiểu rõ hơn về tính chất và tương tác hóa học giữa các nguyên tử trong chúng.
Hệ nguyên tử ba chiều, hay còn gọi là mô hình VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion), được sử dụng để dự đoán cấu trúc hình học của các phân tử ba chiều. Mô hình này dựa trên ý tưởng rằng các cặp electron trong lớp vỏ ngoài (lớp vỏ nguyên tử tác động đến cấu trúc hình học và góc liên kết của phân tử.

Cách thức áp dụng mô hình VSEPR như sau:
1. Đếm số đôi electron không liên kết (ép tự do) trên nguyên tử trung tâm và số đôi liên kết (ép liên kết) xung quanh nguyên tử trung tâm. Điều này cho phép xác định số electron xung quanh nguyên tử trung tâm.
2. Dựa vào số electron còn lại xung quanh nguyên tử trung tâm, ta dự đoán hình dạng phân tử bằng cách sử dụng các nguyên tắc sau:
- Sử dụng cặp electron xung quanh nguyên tử trung tâm để tạo ra cặp electron càng xa nhau càng tốt để tránh sự đẩy lẫn nhau (tương tự như nguyên tắc Pauli).
- Đối với phân tử có những điện tử không liên kết, chúng thường sẽ chiếm vị trí xa nhau nhất có thể để giảm sự đẩy lẫn nhau.
- Sự ưu tiên của các cặp electron theo thứ tự là: cặp electron liên kết kép > cặp electron liên kết đơn > cặp electron không liên kết.

Dựa trên các nguyên tắc trên và thông qua việc sử dụng bảng tuần hoàn, ta có thể xác định được các hình dạng phân tử phổ biến như các hình dạng hình cầu, cầu ghế, tứ diện, ba diện, vuông phẳng, và tông cầu.

Mô hình VSEPR rất hữu ích trong việc dự đoán cấu trúc hình học của các phân tử và giúp ta hiểu rõ hơn về sự tương tác giữa các nguyên tử trong phân tử.
Mô hình VSEPR xây dựng các giả định về sự tương tác giữa các cặp electron và giữa các cặp electron và các nguyên tử xung quanh. Dựa trên các giả định này, mô hình VSEPR cho phép chúng ta dự đoán được hình dạng phân tử và góc liên kết.

Các giả định chính của mô hình VSEPR bao gồm:

1. Các cặp electron liên kết và cặp electron không liên kết (cặp electron không tham gia vào liên kết hoặc liên kết đôi) xung quanh nguyên tử trung tâm ở trạng thái cơ bản sẽ chọn vị trí để tạo ra khoảng cách xa nhau nhất vì sự đẩy lẫn giữa các cặp electron là lớn nhất.

2. Cự ly giữa các cặp electron cũng như cặp electron và nguyên tử trung tâm phải được cân bằng để đạt được sự ổn định cao và ít có sự đẩy lẫn.

3. Cặp electron xung quanh nguyên tử trung tâm tạo ra một lực đẩy lẫn với các cặp electron khác, và cặp electron liên kết tạo ra một lực đẩy lẫn với các cặp electron không liên kết. Nguyên tắc này được gọi là nguyên tắc repulsion.

Các dạng hình học chính được dự đoán bởi mô hình VSEPR bao gồm:

1. Hình dạng hình cầu: Các phân tử có công thức AX₂, AX₃, AX₄, và cặp electron xung quanh nguyên tử trung tâm có hình dạng hình cầu, ví dụ như phân tử của CO₂ (AX₂) có hình dạng hình cầu.

2. Hình dạng cầu ghế: Các phân tử có công thức AX₄E, AX₅, AX₄E₂, và cặp electron không liên kết tạo thành hình dạng cầu ghế trên một lớp phẳng, ví dụ như phân tử của SF₄ (AX₄E) có hình dạng cầu ghế.

3. Hình dạng tứ diện: Các phân tử có công thức AX₄E₂, AX₄E₃, và các cặp electron không liên kết tạo thành hình dạng tứ diện, ví dụ như phân tử của SF₄ (AX₄E₂) có hình dạng tứ diện.

4. Hình dạng ba diện: Các phân tử có công thức AX₃E, AX₃E₂, AX₃E₃, và các cặp electron không liên kết tạo thành hình dạng ba diện, ví dụ như phân tử của PCl₅ (AX₃E₂) có hình dạng ba diện.

5. Hình dạng vuông phẳng: Các phân tử có công thức AX₄E₂E'₂, AX₄E₃, và các cặp electron không liên kết tạo thành hình dạng vuông phẳng, ví dụ như phân tử của SF₄ (AX₄E₂E'₂) có hình dạng vuông phẳng.

6. Hình dạng tông cầu: Các phân tử có công thức AX₆ và các cặp electron không liên kết tạo thành hình dạng tông cầu, ví dụ như phân tử của SF₆ (AX₆) có hình dạng tông cầu.

Mô hình VSEPR cung cấp một phương pháp dự đoán chính xác và phổ biến để xác định cấu trúc hình học của các phân tử ba chiều dựa trên một số lượng hữu hạn các giả định và nguyên tắc cơ bản về tương tác electron.