Lewis-szerkezetek és formális töltés: ellenőrizhető módszer

Molekulák és többatomos ionok vegyértékelektronjainak megszámlálása

Minden Lewis-szerkezet egyetlen számmal kezdődik: az elhelyezhető vegyértékelektronok teljes számával. A főcsoportbeli elemeknél a vegyértékelektronok száma megegyezik a csoportszám utolsó jegyével az 1–18 számozásban, így a szén 4-et, a nitrogén 5-öt, az oxigén 6-ot, az egyes halogének pedig 7-et adnak. A hidrogén 1-et ad, a hélium pedig a 2-vel az egyetlen kivétel a csoportszám-szabály alól.

Az ion töltése megváltoztatja az összeget. A negatív töltés többletelektronokat jelent, ezért negatív töltésegységenként egy elektront ad hozzá. A pozitív töltés hiányzó elektronokat jelent, ezért kivon. Az ammóniumion, NH₄⁺ 5 + 4(1) − 1 = 8 vegyértékelektront tartalmaz, a karbonátion, CO₃²⁻ pedig 4 + 3(6) + 2 = 24-et.

Írja fel ezt az összeget, mielőtt bármit lerajzolna; ezzel a számmal fogja összevetni az elkészült szerkezetet.

A vázszerkezet felépítése és az elektronpárok elhelyezése

A vázszerkezet az a minta, hogy melyik atom melyikhez kapcsolódik. A hidrogén és a fluor szinte mindig csak egy kötést képez, ezért végállású atomok. A központi atom általában a hidrogénen kívüli legkevésbé elektronegatív atom, ami gyakran az az atom, amely a képletben egyszer szerepel. Az oxosavakban a hidrogénatomok általában az oxigénhez kötődnek, nem a központi atomhoz.

Ha a vázszerkezet készen van, a hátralévő lépések úgy osztják el az elektronokat, hogy minden atom elérje a stabil számot. A 2. periódus atomjai (C, N, O, F) legfeljebb nyolc elektront tarthatnak maguk körül, mert csak négy vegyértékorbitáljuk van, ezért az oktettszabály számukra szigorú határ.

• Kapcsolja a végállású atomokat a központi atomhoz egyszeres kötéssel (egyenként 2 elektron).
• Egészítse ki a végállású atomok oktettjét nemkötő elektronpárokkal (a hidrogénnek csak 2 kell).
• A megmaradó elektronokat helyezze a központi atomra nemkötő párokként.
• Ha a központi atomnak még mindig kevesebb mint 8 elektronja van, alakítson át egy szomszédos atom nemkötő párját közös párrá, hogy kettős vagy hármas kötést kapjon.
• Ellenőrzés: a lerajzolt elektronok száma egyenlő a megszámolt összeggel, és egyetlen 2. periódusú atomnak sincs 8-nál több.

A formális töltés mint teszt a jelölt szerkezetek között

A formális töltés azt kérdezi, hány elektront birtokol egy atom a rajzon a semleges szabad atomhoz képest, ha minden kötő párt egyenlően osztanánk meg. A képlet FC = V − N − B/2, ahol V az atom vegyértékelektronjainak száma, N a rajta lévő nemkötő (magános pár) elektronok száma, B pedig a kötéseiben lévő elektronok száma. A szerkezetben lévő formális töltések összege mindig egyenlő a részecske összes töltésével, ami beépített számtani ellenőrzést ad.

Ha több szerkezet is megfelel az elektronszámnak, azt részesítse előnyben, amelyben a formális töltések a lehető legközelebb vannak a nullához. Ha valamilyen formális töltésnek maradnia kell, a jobb szerkezet a negatív formális töltést az elektronegatívabb atomra helyezi, és kerüli az azonos előjelű töltések elhelyezését a kötött szomszédokon.

A formális töltés könyvelés, nem mért töltés. Mivel figyelmen kívül hagyja az elektronegativitást, a nulla formális töltésű atom a valódi molekulában is hordozhat jelentős részleges töltést.

Megoldott példa: a foszgén és a cianátion

Foszgén, COCl₂. Számolás: a C 4-et, az O 6-ot, az egyes Cl-ok 7-et adnak, így az összeg 4 + 6 + 2(7) = 24 elektron. A szén a központi atom. A C-tól az O-hoz és az egyes Cl-okhoz vezető három egyszeres kötés 6 elektront használ. Az O és mindkét Cl oktettjének kiegészítése még 3 × 6 = 18-at használ, összesen 24-et, így a szénre nem marad elektron. A szénnek csak 6 elektronja van maga körül, ezért alakítson át egy nemkötő párt második kötéssé. Egy O-nemkötő pár áthelyezése C=O-t, egy Cl-nemkötő pár áthelyezése C=Cl-t ad.

A formális töltés dönt köztük. C=O esetén az oxigénnek 4 nemkötő és 4 kötő elektronja van: FC = 6 − 4 − 4/2 = 0. Az egyes Cl-oknak 6 nemkötő és 2 kötő elektronja van: FC = 7 − 6 − 1 = 0. A szénnek 8 kötő elektronja van: FC = 4 − 0 − 4 = 0. C=Cl esetén viszont az a Cl 7 − 4 − 2 = +1 lesz, az egyszeresen kötött O pedig 6 − 6 − 1 = −1. A csupa nulla szerkezet a C=O kettős kötéssel az előnyben részesített.

Cianátion, OCN⁻. Számolás: 6 + 4 + 5 + 1 = 16 elektron, a szén központi. Három elrendezés ad a szénnek oktettet: O=C=N, O≡C–N és O–C≡N, mindegyikben nemkötő párok egészítik ki az O és az N oktettjét. Az O=C=N esetén O = 6 − 4 − 2 = 0 és N = 5 − 4 − 2 = −1. Az O≡C–N esetén O = 6 − 2 − 3 = +1 és N = 5 − 6 − 1 = −2. Az O–C≡N esetén O = 6 − 6 − 1 = −1 és N = 5 − 2 − 3 = 0. A szén mindhárom esetben 0, és minden készlet összege −1, ahogy kell.

Az O≡C–N alaknak vannak a legnagyobb töltései, és pozitív töltést helyez az oxigénre, a legelektronegatívabb atomra, ezért járul hozzá a legkevésbé. Az O–C≡N alak a negatív töltést az oxigénre helyezi, és a legfontosabb hozzájáruló, közvetlenül mögötte az O=C=N. A valódi ion e szerkezetek keveréke, ahogy a következő szakasz elmagyarázza.

Rezonancia, amikor egyetlen rajz nem tudja leírni a kötéseket

Egyes részecskéknek két vagy több érvényes Lewis-szerkezetük van, amelyek csak az elektronok elhelyezésében különböznek, miközben minden atom ugyanazon a helyen van. Ezek a rezonanciaszerkezetek, amelyeket kettős nyilas jellel (↔) kötünk össze. A valódi molekula egyetlen szerkezet, a rezonanciahibrid, amelynek kötései a hozzájáruló szerkezetek átlaga. Nem vált oda-vissza közöttük.

A formiátion, HCOO⁻ tiszta példa. Számolás: 1 + 4 + 2(6) + 1 = 18 elektron. Ha a H és mindkét O atom a C-hez kötődik, és az oxigének oktettjét kiegészítjük, 18 elektron elfogy, és a szénnek csak 6 van, ezért az egyik oxigén nemkötő párja C=O kötéssé válik. A kettős kötésű O-ra FC = 6 − 4 − 2 = 0, az egyszeres kötésű O-ra FC = 6 − 6 − 1 = −1. Bármelyik oxigén tarthatja a kettős kötést, így két egyenértékű szerkezet van.

Mivel a két hozzájáruló szerkezet egyenértékű, a hibridben két azonos szén–oxigén kötés van, mindegyik az egyszeres és a kettős kötés között van, és minden oxigén átlagosan a negatív töltés felét hordozza. A karboxilátionokban mért kötéshosszak megegyeznek ezzel a képpel. Ha a hozzájáruló szerkezetek nem egyenértékűek, mint a cianátnál, a hibrid leginkább az alacsonyabb formális töltésű szerkezetekhez hasonlít.

Amikor az oktettszabály meghajlik: páratlan, hiányos és bővített elektronszámok

Háromféle részecske nem illeszkedik az oktettmintába. A páratlan elektronszámú molekulák, mint a nitrogén-monoxid, NO, 5 + 6 = 11 vegyértékelektronnal, nem tudnak minden atomnak oktettet adni; az egyik atomnak párosítatlan elektront kell hordoznia. Az ilyen részecskéket gyököknek nevezzük, és tipikusan reaktívak.

Néhány molekulában a központi atom oktettje hiányos. A bór-trifluoridban, BF₃ (24 elektron) a három B–F egyszeres kötést tartalmazó szerkezet 6 elektronnal hagyja a bórt, de minden atomnak nulla formális töltést ad. A B=F kettős kötés kialakítása csak úgy egészítené ki a bór oktettjét, hogy a fluornak +1, a bórnak −1 formális töltést adna, ezért az egyszeres kötésű szerkezet a szokásos leírás.

A 3. periódusú és az alatta lévő atomok nyolcnál több elektronnal is rajzolhatók maguk körül. A PCl₅-ben (40 elektron) öt kötés 10 elektront ad a foszfornak. A trijodidionban, I₃⁻ (3 × 7 + 1 = 22 elektron) a központi jód két kötést és három nemkötő párt tart, a formális töltése pedig 7 − 6 − 2 = −1. A megmaradó elektronokat csak azután helyezze a központi atomra, hogy minden végállású atom megkapta az oktettjét.

Gyakori Lewis-szerkezeti hibák és felismerésük

A legtöbb hiba számolási hiba, ezért a legmegbízhatóbb szokás, hogy minden szerkezetet két ellenőrzéssel fejez be: számolja meg a rajzon lévő összes elektront (kötésenként 2-t, nemkötő párként 2-t) a felírt összeggel szemben, és adja össze a formális töltéseket, hogy megerősítse, egyenlők az összes töltéssel.

Ha az Ön összege egy társáétól vagy a megoldókulcséétól az ion töltésének kétszeresével tér el, a töltést valószínűleg rossz előjellel alkalmazta. Ha a rajz az összegétől eltérő számú elektront tartalmaz, keressen egy elektronként számolt kötést két elektron helyett, vagy olyan megmaradt elektronokat, amelyeket sosem helyezett el. Az alábbi konkrét hibák magyarázzák a legtöbb téves szerkezetet.

• Elektronok hozzáadása kationnál vagy kivonása anionnál. A negatív töltés több elektront jelent.
• Egy kötés egy elektronként számolása. Minden vonal egy közös párt jelent, tehát 2 elektront.
• A hidrogénnek két kötés adása, vagy központi atommá tétele. A hidrogén csak 2 elektront tart.
• Több mint 8 elektron elhelyezése C-n, N-en, O-n vagy F-on. Bővített elektronszám csak a 3. periódustól lefelé lehetséges.
• A formális töltés kezelése az atom valódi töltéseként, vagy összetévesztése az oxidációs számmal, amely az összes kötőelektront az elektronegatívabb atomhoz rendeli.
• Rezonanciaszerkezetek rajzolása atomok mozgatásával. Egy atom mozgatása más vegyületet hoz létre, nem rezonanciaszerkezetet.