Quy tắc bát tử và ngoại lệ

Theo quy tắc bát tử (octet rule), một nguyên tử có khuynh hướng cho, nhận, hay góp chung để đạt cơ-cấu-bền-8-electron-ở-lớp-ngoài-cùng (trừ hydrogen chỉ cần 2-electron)

Ví dụ: sự hình thành phân tử HCl. Mỗi nguyên tử hydrogen và chlorine đề đưa ra một electron để tạo cặp electron chung, hình thành liên kết H–Cl. Khi đó chung quanh nguyên tử hydrogen có hai electron, chung quanh nguyên tử chlorine có 8 electron và chúng đều đạt cơ cấu bên theo quy tắc bát tử.

Tuy nhiên, quy tắc bát tử có nhiều ngoại lệ khác.

Ví dụ: Phosphorus (P) có thể tạo hợp chất với hydrogen là PH₃, hợp chất với chlorine là PCl₅. Giải thích.

Cấu hình electron của P cho thấy có 5 electron hóa trị, với 3 orbital chứa electron độc thân:

Vậy có thể có 3 nguyên tử hydrogen, mỗi nguyên tử hydrogen với 1 electron độc thân, đến góp chung để tạo 3 cặp electron chung, hình thành phân tử PH₃ đạt cơ cấu bền theo quy tắc bát tử:

Với PCl₅, có 5 nguyên tử chlorine Cl với 5 orbital chứa electron độc thân để góp chung với 5 electron độc thân của phosphorus. Giải quyết sao đây? Người ta cho rằng phosphorus sẽ nhận năng lượng (do va chạm trong phản ứng) và chuyển sang trạng thái kích thích. Khi ấy, một electron sẽ nhảy từ orbital thuộc phân lớp 3s qua orbital 

Ta thấy:

sau đó:

Tuy nhiên, phần nêu trên chỉ là đơn giản hóa một bước quan trọng (là lai hóa) nhằm giải thích ý: ngoài quy tắc bát tử, một nguyên tử cũng có thể đạt cơ cấu bền khi các các orbital chứa electron hóa trị ban đầu độc thân, sau khi góp chung thì các orbital đó đều bão hòa, có 10 electron ở lớp ngoài cùng. Cơ cấu bền 10e này không thỏa quy tắc bát tử 8e như đã nêu.

Trở lại trường hợp PCl₅, thật ra sau khi một electron nhảy từ orbital 3s qua 3d, thì 5 orbital chứa electron độc thân (3s¹ 3p³ 3d¹) sẽ lai hóa dạng sp³d để tạo 5 orbital lai hóa sp³d giống hệt nhau, rồi mới xen phủ với các orbital chứa electron độc thân của 5 nguyên tử chlorine để tạo PCl₅ có có cấu trúc lưỡng tháp đáy tam giác (trigonal bipyramidal) như trong hình dưới, bên cạnh là mô hình động cho thấy các orbital đã xen phủ để tạo 5 liên kết P–Cl trong phân tử PCl₅ (mô hình hóa dựa trên phương pháp hóa học lượng tử DFT-MP2, chứ không phải vẽ tay!).

                   

Tương tự nếu xét H₂S thì sulfur S đạt cơ cấu bền vì có 8e ngoài cùng, đạt cơ cấu bền theo quy tắc bát tử:

Nhưng với SF₆ thì với 6 liên kết S–F, chung quanh nguyên tử S có tới 12 electron do cả 6 electron của S đều đã góp chung với 6e của 6 nguyên tử fluorine F. Điều này được giải thích như sau: ở trạng thái kích thích, hai electron nhảy tử hai orbital bão hòa 3s và 3p qua hai orbital trống của phân lớp 3d, tạo năm orbital chứa electron độc thân. Kế tiếp, xảy ra quá trình lai hóa sp³d² giữa chúng để tạo nên 5 orbital lai hóa sp³d² giống hệt nhau, có cơ cấu bát diện đều, trục của chúng tạo với nhau các góc vuông 90°.

Một lần nữa, khi chưa xen phủ (hoặc góp chung) để tạo liên kết, S có 6 orbital chứa electron độc thân ở lớp ngoài cùng. 

Sau khi xen phủ (hoặc góp chung) để tạo các liên kết và hình thành phân tử SF₆, các electron lớp ngoài cùng của S khi ấy đều cặp đôi, các orbital đều bão hòa. Lớp ngoài cùng của S giờ đây có 12 electron và đạt cơ cấu bền, dù không thỏa quy tắc bát tử

Tóm lại, nguyên tử đạt cơ cấu bền khi lớp ngoài cùng:

1. có 8 electron (hoặc 2 electron với hydrogen): quy tắc bát tử.
2. có các orbital ban đầu chứa electron độc thân, sau đó tất cả đều bão hòa (electron đọc thân đều cặp đôi)

Nguyễn Trọng Thọ