Lewisove strukture i formalni naboj: metoda koju možete provjeriti

Brojenje valentnih elektrona za molekule i poliatomske ione

Svaka Lewisova struktura počinje jednim brojem: ukupnim brojem valentnih elektrona koje treba rasporediti. Za elemente glavnih skupina broj valentnih elektrona jednak je zadnjoj znamenki broja skupine u numeraciji 1–18, pa ugljik daje 4, dušik 5, kisik 6, a svaki halogen 7. Vodik daje 1, a helij, s 2, jedina je iznimka od pravila broja skupine.

Naboj iona mijenja ukupni broj. Negativan naboj znači dodatne elektrone, pa dodajete jedan elektron po jedinici negativnog naboja. Pozitivan naboj znači elektrone koji nedostaju, pa oduzimate. Amonijev ion, NH₄⁺, ima 5 + 4(1) − 1 = 8 valentnih elektrona, dok karbonatni ion, CO₃²⁻, ima 4 + 3(6) + 2 = 24.

Zapišite taj ukupni broj prije nego išta nacrtate; to je broj prema kojem ćete provjeriti gotovu strukturu.

Izgradnja kostura i smještanje elektronskih parova

Kostur je obrazac koji atom je vezan na koji. Vodik i fluor gotovo uvijek tvore samo jednu vezu, pa su krajnji atomi. Središnji atom obično je najmanje elektronegativan atom osim vodika, što je često atom koji se u formuli pojavljuje jednom. U oksokiselinama su atomi vodika obično vezani na kisik, a ne na središnji atom.

Kad je kostur postavljen, preostali koraci raspoređuju elektrone tako da svaki atom postigne stabilan broj. Atomi perioda 2 (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 sa središnjim jednostrukom vezom (po 2 elektrona).
• Dovršite oktete krajnjih atoma slobodnim parovima (vodiku trebaju samo 2).
• Preostale elektrone smjestite na središnji atom kao slobodne parove.
• Ako središnji atom još ima manje od 8 elektrona, pretvorite slobodni par na susjednom atomu u zajednički par da biste dobili dvostruku ili trostruku vezu.
• Provjera: nacrtani elektroni jednaki su izbrojenom ukupnom broju, a nijedan atom perioda 2 nema više od 8.

Formalni naboj kao test među kandidatskim strukturama

Formalni naboj pita koliko elektrona atom posjeduje u crtežu u usporedbi s neutralnim slobodnim atomom, ako se svaki vezni par podijeli podjednako. Formula je FC = V − N − B/2, pri čemu 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 ukupni naboj vrste, što daje ugrađenu računsku provjeru.

Kad nekoliko struktura poštuje broj elektrona, dajte prednost onoj 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 izmjereni naboj. Budući da zanemaruje elektronegativnost, atom s formalnim nabojem nula i dalje može nositi znatan djelomični naboj u stvarnoj molekuli.

Riješeni primjer: fozgen i cijanatni ion

Fozgen, COCl₂. Brojanje: C daje 4, O daje 6, a svaki Cl daje 7, pa je ukupno 4 + 6 + 2(7) = 24 elektrona. Ugljik je središnji atom. Tri jednostruke veze od C do O i do svakog Cl troše 6 elektrona. Dovršavanje okteta atoma 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. Premještanjem slobodnog para s O dobiva se C=O; premještanjem slobodnog para s Cl dobiva se 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. Prednost ima struktura sa svim nulama i dvostrukom vezom C=O.

Cijanatni ion, OCN⁻. Brojanje: 6 + 4 + 5 + 1 = 16 elektrona, s ugljikom u sredini. 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 sva tri, a svaki skup zbraja se u −1, kako i mora.

Oblik O≡C–N ima najveće naboje i stavlja pozitivan naboj na kisik, najelektronegativniji atom, pa doprinosi najmanje. Oblik O–C≡N stavlja negativan naboj na kisik i najvažniji je doprinositelj, a O=C=N slijedi blizu iza njega. Pravi ion mješavina je tih struktura, kako objašnjava sljedeći odjeljak.

Rezonancija kad 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, a svaki je atom na istom položaju. To su rezonancijske strukture, pisane dvostrukom strelicom (↔) između njih. Prava molekula je jedna struktura, rezonancijski hibrid, čije su veze prosjek doprinositelja. Ne prebacuje se naprijed-natrag među njima.

Formijatni ion, HCOO⁻, jasan je primjer. Brojanje: 1 + 4 + 2(6) + 1 = 18 elektrona. Kad su H i oba atoma O vezani na C, a okteti kisika dovršeni, 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.

Budući da su dva doprinositelja ekvivalentna, hibrid ima dvije identične veze ugljik–kisik, svaku između jednostruke i dvostruke, a svaki kisik u prosjeku nosi pola negativnog naboja. Izmjerene duljine veza u karboksilatnim ionima slažu se s tom slikom. Kad doprinositelji nisu ekvivalentni, kao kod cijanata, hibrid najviše nalikuje strukturama s nižim formalnim nabojem.

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

Tri vrste čestica ne odgovaraju obrascu okteta. Molekule s neparnim brojem elektrona, poput dušikova monoksida, NO, s 5 + 6 = 11 valentnih elektrona, ne mogu dati svakom atomu oktet; jedan atom mora nositi nespareni elektron. Takve se vrste zovu radikali i obično su reaktivne.

Neke molekule imaju nepotpun oktet na središnjem atomu. U borovu 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 boru oktet samo davanjem fluoru formalnog naboja +1, a boru −1, pa je uobičajeni opis struktura s jednostrukim vezama.

Atomi perioda 3 i nižih 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), središnji jod drži dvije veze i tri slobodna para, a njegov je formalni naboj 7 − 6 − 2 = −1. Preostale elektrone smjestite na središnji atom tek kad svaki krajnji atom ima svoj oktet.

Česte pogreške u Lewisovim strukturama i kako ih uhvatiti

Većina pogrešaka su pogreške brojanja, pa je najpouzdanija navika završiti svaku strukturu dvjema provjerama: prebrojite svaki elektron u crtežu (2 po vezi, 2 po slobodnom paru) prema zapisanom ukupnom broju i zbrojite formalne naboje da potvrdite da su jednaki ukupnom naboju.

Ako se vaš ukupni broj razlikuje od broja kolege ili ključa za dvostruki naboj iona, naboj je vjerojatno primijenjen s krivim predznakom. Ako crtež drži drukčiji broj elektrona od vašeg ukupnog broja, potražite veze izbrojene kao jedan elektron umjesto dva ili preostale elektrone koji nikad nisu smješteni. Posebne pogreške u nastavku objašnjavaju većinu pogrešnih struktura.

• Dodavanje elektrona za kation ili oduzimanje za anion. Negativan naboj znači više elektrona.
• Brojenje veze kao jednog elektrona. Svaka crtica predstavlja zajednički par, pa su to 2 elektrona.
• Davanje vodiku dviju veza ili činjenje vodika središnjim atomom. Vodik drži samo 2 elektrona.
• Smještanje više od 8 elektrona na C, N, O ili F. Prošireni brojevi mogući su samo za period 3 i niže.
• Tretiranje formalnog naboja kao stvarnog naboja na atomu ili njegovo miješanje s oksidacijskim brojem, koji sve vezne elektrone dodjeljuje elektronegativnijem atomu.
• Crtanje rezonancijskih struktura premještanjem atoma. Premještanje atoma stvara drugi spoj, a ne rezonancijskog doprinositelja.