Lewis-rakenteet ja muodollinen varaus: menetelmä, jonka voi tarkistaa

Valenssielektronien laskeminen molekyyleille ja moniatomisille ioneille

Jokainen Lewis-rakenne alkaa yhdestä luvusta: sijoitettavissa olevien valenssielektronien kokonaismäärästä. Pääryhmien alkuaineilla valenssielektronien määrä on sama kuin ryhmänumeron viimeinen numero numeroinnissa 1–18, joten hiili antaa 4, typpi 5, happi 6 ja jokainen halogeeni 7. Vety antaa 1, ja helium, jolla on 2, on ainoa poikkeus ryhmänumerosäännöstä.

Ionin varaus muuttaa kokonaismäärää. Negatiivinen varaus tarkoittaa ylimääräisiä elektroneja, joten lisäät yhden elektronin negatiivisen varausyksikön kohti. Positiivinen varaus tarkoittaa puuttuvia elektroneja, joten vähennät. Ammoniumionissa, NH₄⁺, on 5 + 4(1) − 1 = 8 valenssielektronia, kun taas karbonaatti-ionissa, CO₃²⁻, on 4 + 3(6) + 2 = 24.

Kirjoita tämä kokonaismäärä ylös ennen kuin piirrät mitään; se on luku, jota vasten tarkistat valmiin rakenteen.

Rungon rakentaminen ja elektroniparien sijoittaminen

Runko on kuvio siitä, mikä atomi on kytketty mihinkin. Vety ja fluori muodostavat lähes aina vain yhden sidoksen, joten ne ovat päätyatomeja. Keskusatomi on yleensä vähiten elektronegatiivinen atomi vedyn lisäksi, mikä on usein atomi, joka esiintyy kaavassa kerran. Happihapoissa vetyatomit ovat tavallisesti sitoutuneet happeen, eivät keskusatomiin.

Kun runko on asetettu, loput vaiheet jakavat elektronit niin, että jokainen atomi saavuttaa vakaan lukumäärän. Jakson 2 atomien (C, N, O, F) ympärillä voi olla enintään kahdeksan elektronia, koska niillä on vain neljä valenssiorbitaalia, minkä vuoksi oktettisääntö on niille tiukka raja.

• Liitä jokainen päätyatomi keskusatomiin yksinkertaisella sidoksella (2 elektronia kukin).
• Täydennä päätyatomien oktetit yksinäisillä elektroniipareilla (vety tarvitsee vain 2).
• Sijoita mahdolliset jäljelle jääneet elektronit keskusatomille yksinäisinä elektronipareina.
• Jos keskusatomilla on yhä alle 8 elektronia, muuta naapuriatomin yksinäinen elektronipari jaetuksi pariksi, jolloin syntyy kaksois- tai kolmoissidos.
• Tarkista: piirrettyjen elektronien määrä on sama kuin laskettu kokonaismäärä, ja jokaisella jakson 2 atomilla on enintään 8.

Muodollinen varaus testinä ehdokasrakenteiden välillä

Muodollinen varaus kysyy, kuinka monta elektronia atomi omistaa piirroksessa verrattuna neutraaliin vapaaseen atomiin, jos jokainen sidoselektronipari jaettaisiin tasan. Kaava on FC = V − N − B/2, missä V on atomin valenssielektronien määrä, N on sen sitoutumattomien (yksinäisten elektroniparien) elektronien määrä ja B on sen sidoksissa olevien elektronien määrä. Rakenteen muodolliset varaukset summautuvat aina lajin kokonaisvaraukseksi, mikä antaa sisäänrakennetun laskutarkistuksen.

Kun useampi rakenne noudattaa elektronimäärää, suosi sitä, jossa muodolliset varaukset ovat mahdollisimman lähellä nollaa. Jos jokin muodollinen varaus on pakko jättää, parempi rakenne sijoittaa negatiivisen muodollisen varauksen elektronegatiivisemmalle atomille ja välttää saman etumerkin varausten asettamista sitoutuneille naapureille.

Muodollinen varaus on kirjanpitoa, ei mitattu varaus. Koska se ohittaa elektronegatiivisuuden, atomilla, jonka muodollinen varaus on nolla, voi silti olla merkittävä osittaisvaraus todellisessa molekyylissä.

Läpikäyty esimerkki: fosgeeni ja syanaatti-ioni

Fosgeeni, COCl₂. Laske: C antaa 4, O antaa 6 ja kumpikin Cl antaa 7, joten kokonaismäärä on 4 + 6 + 2(7) = 24 elektronia. Hiili on keskusatomi. Kolme yksinkertaista sidosta C:stä O:hon ja kumpaankin Cl:ään käyttää 6 elektronia. O:n ja molempien Cl-atomien oktettien täydentäminen käyttää vielä 3 × 6 = 18, yhteensä 24, joten hiilelle ei jää elektroneja. Hiilen ympärillä on vain 6 elektronia, joten muuta yksi yksinäinen pari toiseksi sidokseksi. O:n yksinäisen parin siirtäminen antaa C=O; Cl:n yksinäisen parin siirtäminen antaa C=Cl.

Muodollinen varaus ratkaisee niiden välillä. Kun C=O, hapella on 4 sitoutumatonta ja 4 sitovaa elektronia: FC = 6 − 4 − 4/2 = 0. Kummallakin Cl:llä on 6 sitoutumatonta ja 2 sitovaa elektronia: FC = 7 − 6 − 1 = 0. Hiilellä on 8 sitovaa elektronia: FC = 4 − 0 − 4 = 0. Jos sen sijaan C=Cl, kyseisen Cl:n arvo on 7 − 4 − 2 = +1 ja yksinkertaisella sidoksella kiinnittyneen O:n 6 − 6 − 1 = −1. Rakenne, jossa kaikki ovat nollia ja jossa on C=O-kaksoissidos, on suositeltava.

Syanaatti-ioni, OCN⁻. Laske: 6 + 4 + 5 + 1 = 16 elektronia, hiili keskellä. Kolme järjestelyä antaa hiilelle oktetin: O=C=N, O≡C–N ja O–C≡N, joissa kaikissa yksinäiset parit täydentävät O:n ja N:n oktetit. Rakenteelle O=C=N: O = 6 − 4 − 2 = 0 ja N = 5 − 4 − 2 = −1. Rakenteelle O≡C–N: O = 6 − 2 − 3 = +1 ja N = 5 − 6 − 1 = −2. Rakenteelle O–C≡N: O = 6 − 6 − 1 = −1 ja N = 5 − 2 − 3 = 0. Hiili on 0 kaikissa kolmessa, ja jokaisen joukon summa on −1, kuten sen pitääkin.

Rakenteessa O≡C–N on suurimmat varaukset ja positiivinen varaus on hapella, elektronegatiivisimmalla atomilla, joten se vaikuttaa vähiten. Rakenne O–C≡N sijoittaa negatiivisen varauksen hapelle ja on tärkein rajarakenne, ja O=C=N on sen lähellä. Todellinen ioni on sekoitus näistä rakenteista, kuten seuraava osio selittää.

Resonanssi, kun yksi piirros ei voi kuvata sidoksia

Joillakin lajeilla on kaksi tai useampia päteviä Lewis-rakenteita, jotka eroavat vain elektronien sijoittelussa ja joissa jokainen atomi on samassa paikassa. Nämä ovat resonanssirakenteita, ja niiden välille kirjoitetaan kaksoiskärkinuoli (↔). Todellinen molekyyli on yksi rakenne, resonanssihybridi, jonka sidokset ovat rajarakenteiden keskiarvo. Se ei vaihtele edestakaisin niiden välillä.

Formiaatti-ioni, HCOO⁻, on selkeä esimerkki. Laske: 1 + 4 + 2(6) + 1 = 18 elektronia. Kun H ja molemmat O-atomit ovat sitoutuneet C:hen ja happien oktetit on täydennetty, 18 elektronia on käytetty ja hiilellä on vain 6, joten yksi hapen yksinäinen pari muuttuu C=O-sidokseksi. Kaksoissidoksella kiinnittyneen O:n FC = 6 − 4 − 2 = 0 ja yksinkertaisella sidoksella kiinnittyneen O:n FC = 6 − 6 − 1 = −1. Kumpi tahansa happi voisi pitää kaksoissidosta, joten rakenteita on kaksi vastaavaa.

Koska kaksi rajarakennetta ovat vastaavia, hybridillä on kaksi identtistä hiili–happi-sidosta, jotka kumpikin ovat yksinkertaisen ja kaksoissidoksen välimuotoa, ja kumpikin happi kantaa keskimäärin puolet negatiivisesta varauksesta. Karboksylaatti-ioneissa mitatut sidospituudet vastaavat tätä kuvaa. Kun rajarakenteet eivät ole vastaavia, kuten syanaatissa, hybridi muistuttaa eniten rakenteita, joiden muodollinen varaus on pienempi.

Kun oktettisääntö joustaa: pariton, vajaa ja laajentunut lukumäärä

Kolme lajityyppiä ei sovi oktettikuvioon. Paritonelektronisissa molekyyleissä, kuten typpimonoksidissa, NO, jossa on 5 + 6 = 11 valenssielektronia, jokaiselle atomille ei voi antaa oktettia; yhdellä atomilla täytyy olla pariton elektroni. Tämäntyyppisiä lajeja kutsutaan radikaaleiksi, ja ne ovat tyypillisesti reaktiivisia.

Joissakin molekyyleissä keskusatomin oktetti on vajaa. Booritrifluoridissa, BF₃ (24 elektronia), rakenne, jossa on kolme B–F-yksinkertaista sidosta, jättää boorille 6 elektronia, mutta antaa jokaiselle atomille muodollisen varauksen nolla. B=F-kaksoissidoksen muodostaminen täydentäisi boorin oktetin vain antamalla fluorille muodollisen varauksen +1 ja boorille −1, joten yksinkertaisilla sidoksilla piirretty rakenne on tavallinen kuvaus.

Jakson 3 ja sitä alempien atomien ympärille voidaan piirtää yli kahdeksan elektronia. PCl₅:ssa (40 elektronia) viisi sidosta antaa fosforille 10 elektronia. Trijodidi-ionissa, I₃⁻ (3 × 7 + 1 = 22 elektronia), keskimmäisellä jodilla on kaksi sidosta ja kolme yksinäistä paria, ja sen muodollinen varaus on 7 − 6 − 2 = −1. Sijoita ylijäävät elektronit keskusatomille vasta, kun jokaisella päätyatomilla on oktettinsa.

Yleiset Lewis-rakennevirheet ja miten ne huomataan

Useimmat virheet ovat laskuvirheitä, joten luotettavin tapa on päättää jokainen rakenne kahteen tarkistukseen: laske kaikki piirroksen elektronit (2 sidosta kohti, 2 yksinäistä paria kohti) ja vertaa kirjoittamaasi kokonaismäärää, ja laske muodolliset varaukset yhteen varmistaaksesi, että ne ovat yhtä suuret kuin kokonaisvaraus.

Jos kokonaismääräsi poikkeaa luokkatoverin tai vastausavaimen määrästä ionin varauksen kaksinkertaisella, varaus on luultavasti otettu huomioon väärällä etumerkillä. Jos piirros sisältää eri määrän elektroneja kuin kokonaismääräsi, etsi sidoksia, jotka on laskettu yhdeksi elektroniksi kahden sijaan, tai ylijääneitä elektroneja, joita ei koskaan sijoitettu. Alla olevat erityiset virheet selittävät useimmat väärät rakenteet.

• Elektronien lisääminen kationille tai vähentäminen anionilta. Negatiivinen varaus tarkoittaa enemmän elektroneja.
• Sidoksen laskeminen yhdeksi elektroniksi. Jokainen viiva edustaa jaettua paria, joten se on 2 elektronia.
• Vedylle kahden sidoksen antaminen tai sen tekeminen keskusatomiksi. Vety pitää vain 2 elektronia.
• Yli 8 elektronin sijoittaminen C:lle, N:lle, O:lle tai F:lle. Laajentuneet lukumäärät ovat mahdollisia vain jaksosta 3 alaspäin.
• Muodollisen varauksen käsitteleminen atomin todellisena varauksena tai sen sekoittaminen hapetuslukuun, joka antaa kaikki sidoselektronit elektronegatiivisemmalle atomille.
• Resonanssirakenteiden piirtäminen siirtämällä atomeja. Atomin siirtäminen luo eri yhdisteen, ei resonanssin rajarakennetta.