Lewisove strukture i formalni naboj: metoda koju možete provjeriti

Brojanje valentnih elektrona za molekule i poliatomske ione

Svaka Lewisova struktura počinje jednim brojem: ukupnim brojem valentnih elektrona koje treba rasporediti. Za elemente glavnih grupa broj valentnih elektrona jednak je posljednjoj cifri broja grupe u numeraciji 1–18, pa ugljik daje 4, dušik 5, kisik 6, a svaki halogen 7. Vodik daje 1, a helij, s 2, jedini je izuzetak od pravila broja grupe.

Naboj iona mijenja ukupan broj. Negativan naboj znači višak elektrona, pa dodajete po jedan elektron za svaku jedinicu negativnog naboja. Pozitivan naboj znači nedostatak elektrona, pa oduzimate. Amonijev ion, NH₄⁺, ima 5 + 4(1) − 1 = 8 valentnih elektrona, dok karbonatni ion, CO₃²⁻, ima 4 + 3(6) + 2 = 24.

Zapišite ovaj ukupan broj prije nego što bilo šta nacrtate; to je broj prema kojem ćete provjeriti gotovu strukturu.

Gradnja skeleta i raspoređivanje elektronskih parova

Skelet je obrazac koji pokazuje koji se atom veže za koji. Vodik i fluor gotovo uvijek tvore samo jednu vezu, pa su krajnji atomi. Centralni atom je obično najmanje elektronegativan atom osim vodika, što je često atom koji se u formuli javlja jednom. U oksokiselinama su atomi vodika obično vezani za kisik, a ne za centralni atom.

Kada je skelet postavljen, preostali koraci raspoređuju elektrone tako da svaki atom postigne stabilan broj. Atomi druge periode (C, N, O, F) mogu imati najviše osam elektrona oko sebe jer imaju samo četiri valentne orbitale, zbog čega je pravilo okteta za njih čvrsta granica.

• Povežite svaki krajnji atom s centralnim jednostrukom vezom (po 2 elektrona).
• Dovršite oktete krajnjih atoma slobodnim elektronskim parovima (vodiku trebaju samo 2).
• Sve preostale elektrone smjestite na centralni atom kao slobodne elektronske parove.
• Ako centralni atom i dalje ima manje od 8 elektrona, pretvorite slobodni elektronski par na susjednom atomu u zajednički par da biste dobili dvostruku ili trostruku vezu.
• Provjera: broj nacrtanih elektrona jednak je izbrojanom ukupnom broju, a nijedan atom druge periode nema više od 8.

Formalni naboj kao test između kandidata za strukturu

Formalni naboj pita koliko elektrona atom posjeduje na crtežu u poređenju sa neutralnim slobodnim atomom, ako bi se svaki vezni par podijelio podjednako. Formula je FC = V − N − B/2, gdje je V broj valentnih elektrona atoma, N broj nevezanih elektrona (slobodnih parova) na njemu, a B broj elektrona u njegovim vezama. Formalni naboji u strukturi uvijek se zbrajaju u ukupan naboj vrste, što vam daje ugrađenu aritmetičku provjeru.

Kada nekoliko struktura poštuje broj elektrona, birajte onu u kojoj su formalni naboji što bliži nuli. Ako neki formalni naboj mora ostati, bolja struktura stavlja negativan formalni naboj na elektronegativniji atom i izbjegava stavljanje naboja istog predznaka na vezane susjede.

Formalni naboj je evidencija, a ne izmjeren naboj. Pošto zanemaruje elektronegativnost, atom s formalnim nabojem nula i dalje može nositi znatan parcijalni naboj u stvarnoj molekuli.

Riješeni primjer: fosgen i cijanatni ion

Fosgen, COCl₂. Brojanje: C daje 4, O daje 6, a svaki Cl daje 7, pa je ukupno 4 + 6 + 2(7) = 24 elektrona. Ugljik je centralni atom. Tri jednostruke veze od C do O i do svakog Cl troše 6 elektrona. Dovršavanje okteta O i oba atoma Cl troši još 3 × 6 = 18, ukupno 24, pa za ugljik ne ostaje nijedan elektron. Ugljik ima samo 6 elektrona oko sebe, pa pretvorite jedan slobodni par u drugu vezu. Premještanje slobodnog para O daje C=O; premještanje slobodnog para Cl daje C=Cl.

Formalni naboj odlučuje između njih. Uz C=O, kisik ima 4 nevezana i 4 vezna elektrona: FC = 6 − 4 − 4/2 = 0. Svaki Cl ima 6 nevezanih i 2 vezna elektrona: FC = 7 − 6 − 1 = 0. Ugljik ima 8 veznih elektrona: FC = 4 − 0 − 4 = 0. Uz C=Cl umjesto toga, taj Cl postaje 7 − 4 − 2 = +1, a jednostruko vezani O postaje 6 − 6 − 1 = −1. Preferira se struktura sa svim nulama i dvostrukom vezom C=O.

Cijanatni ion, OCN⁻. Brojanje: 6 + 4 + 5 + 1 = 16 elektrona, s ugljikom u centru. Tri rasporeda daju ugljiku oktet: O=C=N, O≡C–N i O–C≡N, svaki sa slobodnim parovima koji dovršavaju oktete na O i N. Za O=C=N, O = 6 − 4 − 2 = 0 i N = 5 − 4 − 2 = −1. Za O≡C–N, O = 6 − 2 − 3 = +1 i N = 5 − 6 − 1 = −2. Za O–C≡N, O = 6 − 6 − 1 = −1 i N = 5 − 2 − 3 = 0. Ugljik je 0 u sve tri, a svaki skup daje zbir −1, kako mora.

Oblik O≡C–N ima najveće naboje i stavlja pozitivan naboj na kisik, najelektronegativniji atom, pa najmanje doprinosi. Oblik O–C≡N smješta negativan naboj na kisik i najvažniji je doprinosilac, a O=C=N je odmah iza njega. Stvarni ion je mješavina ovih struktura, kako objašnjava sljedeći odjeljak.

Rezonancija kada jedan crtež ne može opisati veze

Neke vrste imaju dvije ili više valjanih Lewisovih struktura koje se razlikuju samo po tome gdje su elektroni smješteni, dok je svaki atom na istom mjestu. To su rezonantne strukture, a među njima se piše dvostrana strelica (↔). Stvarna molekula je jedna struktura, rezonantni hibrid, čije su veze prosjek doprinosilaca. Ne prebacuje se naprijed-nazad između njih.

Formijatni ion, HCOO⁻, jasan je primjer. Brojanje: 1 + 4 + 2(6) + 1 = 18 elektrona. Kada su H i oba atoma O vezani za C i oktet kisika dovršen, potroši se 18 elektrona, a ugljik ima samo 6, pa jedan slobodni par kisika postaje veza C=O. Dvostruko vezani O ima FC = 6 − 4 − 2 = 0, a jednostruko vezani O ima FC = 6 − 6 − 1 = −1. Bilo koji kisik mogao bi držati dvostruku vezu, pa postoje dvije ekvivalentne strukture.

Pošto su dva doprinosioca ekvivalentna, hibrid ima dvije identične veze ugljik–kisik, svaku između jednostruke i dvostruke, a svaki kisik u prosjeku nosi pola negativnog naboja. Izmjerene dužine veza u karboksilatnim ionima slažu se s ovom slikom. Kada doprinosioci nisu ekvivalentni, kao kod cijanata, hibrid najviše sliči strukturama s nižim formalnim nabojem.

Kada se pravilo okteta savija: neparni, nepotpuni i prošireni brojevi

Tri vrste čestica ne uklapaju se u obrazac okteta. Molekule s neparnim brojem elektrona, poput dušik(II)-oksida, NO, sa 5 + 6 = 11 valentnih elektrona, ne mogu svakom atomu dati oktet; jedan atom mora nositi nespareni elektron. Takve vrste nazivaju se radikali i obično su reaktivne.

Neke molekule imaju nepotpun oktet na centralnom atomu. U bor-trifluoridu, BF₃ (24 elektrona), struktura s tri jednostruke veze B–F ostavlja boru 6 elektrona, ali daje svakom atomu formalni naboj nula. Stvaranje dvostruke veze B=F dovršilo bi oktet bora samo davanjem formalnog naboja +1 fluoru i −1 boru, pa je struktura s jednostrukim vezama uobičajen opis.

Atomi u trećoj periodi i niže mogu se crtati s više od osam elektrona oko sebe. U PCl₅ (40 elektrona), pet veza daje fosforu 10 elektrona. U trijodidnom ionu, I₃⁻ (3 × 7 + 1 = 22 elektrona), centralni jod drži dvije veze i tri slobodna para, a njegov formalni naboj je 7 − 6 − 2 = −1. Preostale elektrone smjestite na centralni atom tek nakon što svaki krajnji atom dobije svoj oktet.

Česte greške u Lewisovim strukturama i kako ih uhvatiti

Većina grešaka su greške brojanja, pa je najpouzdanija navika da svaku strukturu završite s dvije provjere: prebrojite sve elektrone na crtežu (2 po vezi, 2 po slobodnom paru) prema svom zapisanom ukupnom broju i zbrojite formalne naboje da potvrdite da su jednaki ukupnom naboju.

Ako se vaš ukupan broj razlikuje od broja kolege ili ključa za dvostruki naboj iona, naboj je vjerovatno primijenjen s pogrešnim predznakom. Ako crtež sadrži drugačiji broj elektrona od vašeg ukupnog broja, potražite veze izbrojane kao jedan elektron umjesto dva ili preostale elektrone koji nikad nisu smješteni. Konkretne greške u nastavku objašnjavaju većinu pogrešnih struktura.

• Dodavanje elektrona za kation ili oduzimanje za anion. Negativan naboj znači više elektrona.
• Brojanje veze kao jednog elektrona. Svaka crta predstavlja zajednički par, pa su to 2 elektrona.
• Davanje vodiku dvije veze ili činjenje vodika centralnim atomom. Vodik drži samo 2 elektrona.
• Stavljanje više od 8 elektrona na C, N, O ili F. Prošireni brojevi mogući su samo za treću periodu i niže.
• Tretiranje formalnog naboja kao stvarnog naboja na atomu ili miješanje s oksidacijskim brojem, koji dodjeljuje sve vezne elektrone elektronegativnijem atomu.
• Crtanje rezonantnih struktura premještanjem atoma. Premještanje atoma stvara drugačiji spoj, a ne rezonantni doprinos.