Լյուիսի կառուցվածքներ և ֆորմալ լիցք. եղանակ, որը կարող եք ստուգել

Վալենտային էլեկտրոնների հաշվարկը մոլեկուլների և բազմատոմ իոնների համար

Լյուիսի յուրաքանչյուր կառուցվածք սկսվում է մեկ թվից՝ տեղադրելու համար առկա վալենտային էլեկտրոնների ընդհանուր քանակից։ Գլխավոր խմբերի տարրերի համար վալենտային էլեկտրոնների քանակը հավասար է խմբի համարի վերջին թվանշանին 1–18 համարակալմամբ, ուստի ածխածինը տալիս է 4, ազոտը՝ 5, թթվածինը՝ 6, և յուրաքանչյուր հալոգեն՝ 7։ Ջրածինը տալիս է 1, իսկ հելիումը՝ 2-ով, խմբի համարի կանոնի միակ բացառությունն է։

Իոնի լիցքը փոխում է ընդհանուր քանակը։ Բացասական լիցքը նշանակում է լրացուցիչ էլեկտրոններ, ուստի բացասական լիցքի յուրաքանչյուր միավորի համար ավելացնում եք մեկ էլեկտրոն։ Դրական լիցքը նշանակում է պակասող էլեկտրոններ, ուստի հանում եք։ Ամոնիում իոնը՝ NH₄⁺-ը, ունի 5 + 4(1) − 1 = 8 վալենտային էլեկտրոն, իսկ կարբոնատ իոնը՝ CO₃²⁻-ը, ունի 4 + 3(6) + 2 = 24։

Այս ընդհանուր քանակը գրեք որևէ բան գծելուց առաջ. դա այն թիվն է, որի հետ կստուգեք ավարտված կառուցվածքը։

Կմախքի կառուցումը և էլեկտրոնային զույգերի տեղադրումը

Կմախքը այն օրինաչափությունն է, թե որ ատոմն է որի հետ կապված։ Ջրածինը և ֆտորը գրեթե միշտ առաջացնում են միայն մեկ կապ, ուստի վերջնական ատոմներ են։ Կենտրոնական ատոմը սովորաբար ջրածնից բացի ամենափոքր էլեկտրաբացասականությամբ ատոմն է, որը հաճախ այն ատոմն է, որը բանաձևում հայտնվում է մեկ անգամ։ Թթվածնավոր թթուներում ջրածնի ատոմները սովորաբար կապված են թթվածնի, այլ ոչ կենտրոնական ատոմի հետ։

Երբ կմախքը որոշված է, մնացած քայլերը էլեկտրոնները բաշխում են այնպես, որ յուրաքանչյուր ատոմ հասնի կայուն քանակի։ 2-րդ պարբերության ատոմները (C, N, O, F) իրենց շուրջ կարող են պահել առավելագույնը ութ էլեկտրոն, քանի որ ունեն ընդամենը չորս վալենտային օրբիտալ, ինչի պատճառով օկտետի կանոնը նրանց համար խիստ սահման է։

• Յուրաքանչյուր վերջնական ատոմ միացրեք կենտրոնական ատոմին պարզ կապով (յուրաքանչյուրը 2 էլեկտրոն)։
• Վերջնական ատոմների օկտետները լրացրեք ազատ զույգերով (ջրածնին պետք է միայն 2)։
• Մնացած ցանկացած էլեկտրոն կենտրոնական ատոմի վրա տեղադրեք որպես ազատ զույգեր։
• Եթե կենտրոնական ատոմը դեռ ունի 8-ից պակաս էլեկտրոն, հարևան ատոմի ազատ զույգը վերածեք ընդհանուր զույգի՝ կրկնակի կամ եռակի կապ ստանալու համար։
• Ստուգում՝ գծված էլեկտրոնները հավասար են հաշված ընդհանուր քանակին, և 2-րդ պարբերության յուրաքանչյուր ատոմ ունի ոչ ավելի, քան 8։

Ֆորմալ լիցքը որպես թեկնածու կառուցվածքների միջև փորձաքար

Ֆորմալ լիցքը հարցնում է, թե քանի էլեկտրոն է պատկանում ատոմին գծագրում՝ համեմատած չեզոք ազատ ատոմի հետ, եթե յուրաքանչյուր կապող զույգ հավասար բաժանվեր։ Բանաձևը FC = V − N − B/2 է, որտեղ V-ն ատոմի վալենտային էլեկտրոնների քանակն է, N-ը՝ նրա վրա չկապող (ազատ զույգերի) էլեկտրոնների թիվը, իսկ B-ն՝ նրա կապերի էլեկտրոնների թիվը։ Կառուցվածքում ֆորմալ լիցքերը միշտ գումարվում են մասնիկի ընդհանուր լիցքին, ինչը տալիս է ներկառուցված թվաբանական ստուգում։

Երբ մի քանի կառուցվածք համապատասխանում են էլեկտրոնների քանակին, նախընտրեք այն, որտեղ ֆորմալ լիցքերը հնարավորինս մոտ են զրոյի։ Եթե որոշ ֆորմալ լիցք պետք է մնա, ավելի լավ կառուցվածքը բացասական ֆորմալ լիցքը դնում է ավելի էլեկտրաբացասական ատոմի վրա և խուսափում է նույն նշանի լիցքեր կապված հարևանների վրա դնելուց։

Ֆորմալ լիցքը հաշվառում է, այլ ոչ չափված լիցք։ Քանի որ այն անտեսում է էլեկտրաբացասականությունը, զրոյական ֆորմալ լիցքով ատոմը իրական մոլեկուլում դեռ կարող է կրել զգալի մասնակի լիցք։

Լուծված օրինակ՝ ֆոսգեն և ցիանատ իոն

Ֆոսգեն, COCl₂։ Հաշվարկ՝ C-ն տալիս է 4, O-ն՝ 6, և յուրաքանչյուր Cl՝ 7, ուստի ընդհանուրը 4 + 6 + 2(7) = 24 էլեկտրոն է։ Ածխածինը կենտրոնական ատոմն է։ C-ից O-ին և յուրաքանչյուր Cl-ին երեք պարզ կապերը օգտագործում են 6 էլեկտրոն։ O-ի և երկու Cl ատոմների օկտետները լրացնելը օգտագործում է ևս 3 × 6 = 18, ընդամենը 24, ուստի ածխածնի համար էլեկտրոններ չեն մնում։ Ածխածնի շուրջ կա ընդամենը 6 էլեկտրոն, ուստի մեկ ազատ զույգ վերածեք երկրորդ կապի։ O-ի ազատ զույգը տեղափոխելը տալիս է C=O. Cl-ի ազատ զույգը տեղափոխելը տալիս է C=Cl։

Ֆորմալ լիցքը որոշում է դրանց միջև։ C=O-ի դեպքում թթվածինը ունի 4 չկապող և 4 կապող էլեկտրոն՝ FC = 6 − 4 − 4/2 = 0։ Յուրաքանչյուր Cl ունի 6 չկապող և 2 կապող էլեկտրոն՝ FC = 7 − 6 − 1 = 0։ Ածխածինը ունի 8 կապող էլեկտրոն՝ FC = 4 − 0 − 4 = 0։ Փոխարենը C=Cl-ի դեպքում այդ Cl-ը դառնում է 7 − 4 − 2 = +1, իսկ պարզ կապով O-ն՝ 6 − 6 − 1 = −1։ Նախընտրելի է C=O կրկնակի կապով բոլորը զրո կառուցվածքը։

Ցիանատ իոն, OCN⁻։ Հաշվարկ՝ 6 + 4 + 5 + 1 = 16 էլեկտրոն, ածխածինը կենտրոնական է։ Երեք դասավորություն ածխածնին տալիս է օկտետ՝ O=C=N, O≡C–N և O–C≡N, յուրաքանչյուրում ազատ զույգերը լրացնում են O-ի և N-ի օկտետները։ O=C=N-ի համար O = 6 − 4 − 2 = 0 և N = 5 − 4 − 2 = −1։ O≡C–N-ի համար O = 6 − 2 − 3 = +1 և N = 5 − 6 − 1 = −2։ O–C≡N-ի համար O = 6 − 6 − 1 = −1 և N = 5 − 2 − 3 = 0։ Ածխածինը երեքում էլ 0 է, և յուրաքանչյուր հավաքածուի գումարը −1 է, ինչպես պետք է։

O≡C–N ձևն ունի ամենամեծ լիցքերը և դրական լիցքը դնում է թթվածնի՝ ամենաէլեկտրաբացասական ատոմի վրա, ուստի նվազագույն ներդրում ունի։ O–C≡N ձևը բացասական լիցքը դնում է թթվածնի վրա և ամենակարևոր ներդրողն է, իսկ O=C=N-ը՝ մոտ հետևում։ Իրական իոնը այս կառուցվածքների խառնուրդ է, ինչպես բացատրում է հաջորդ բաժինը։

Ռեզոնանս, երբ մեկ գծանկարը չի կարող նկարագրել կապերը

Որոշ մասնիկներ ունեն երկու կամ ավելի վավեր Լյուիսի կառուցվածք, որոնք տարբերվում են միայն էլեկտրոնների տեղադրմամբ, երբ յուրաքանչյուր ատոմ նույն դիրքում է։ Սրանք ռեզոնանսային կառուցվածքներ են, որոնց միջև գրվում է երկգլուխ սլաք (↔)։ Իրական մոլեկուլը մեկ կառուցվածք է՝ ռեզոնանսային հիբրիդը, որի կապերը ներդրող կառուցվածքների միջինն են։ Այն չի անցնում մեկից մյուսին և հակառակը։

Ֆորմատ իոնը՝ HCOO⁻-ը, հստակ օրինակ է։ Հաշվարկ՝ 1 + 4 + 2(6) + 1 = 18 էլեկտրոն։ Երբ H-ը և երկու O ատոմները կապված են C-ին և թթվածնի օկտետները լրացված են, օգտագործվում է 18 էլեկտրոն, իսկ ածխածինը ունի ընդամենը 6, ուստի թթվածնի մեկ ազատ զույգը դառնում է C=O կապ։ Կրկնակի կապով O-ն ունի FC = 6 − 4 − 2 = 0, իսկ պարզ կապով O-ն՝ FC = 6 − 6 − 1 = −1։ Կրկնակի կապը կարող է ունենալ երկու թթվածիններից յուրաքանչյուրը, ուստի կան երկու համարժեք կառուցվածք։

Քանի որ երկու ներդրող կառուցվածքները համարժեք են, հիբրիդն ունի երկու նույնական ածխածին–թթվածին կապ, յուրաքանչյուրը պարզ և կրկնակի կապերի միջանկյալ, և յուրաքանչյուր թթվածին միջինում կրում է բացասական լիցքի կեսը։ Կարբօքսիլատ իոններում չափված կապի երկարությունները համընկնում են այս պատկերի հետ։ Երբ ներդրող կառուցվածքները համարժեք չեն, ինչպես ցիանատում, հիբրիդն ամենաշատը նմանվում է ավելի ցածր ֆորմալ լիցքերով կառուցվածքներին։

Երբ օկտետի կանոնը ճկվում է. կենտ, թերի և ընդլայնված թվեր

Երեք տեսակի մասնիկներ չեն տեղավորվում օկտետի օրինաչափության մեջ։ Կենտ էլեկտրոններով մոլեկուլները, ինչպես ազոտի մոնօքսիդը՝ NO-ն, 5 + 6 = 11 վալենտային էլեկտրոնով, չեն կարող յուրաքանչյուր ատոմին օկտետ տալ. մեկ ատոմը պետք է կրի չզույգված էլեկտրոն։ Այսպիսի մասնիկները կոչվում են ռադիկալներ և սովորաբար ռեակտիվ են։

Որոշ մոլեկուլներ կենտրոնական ատոմի վրա ունեն թերի օկտետ։ Բորի եռաֆտորիդում՝ BF₃-ում (24 էլեկտրոն), երեք B–F պարզ կապերով կառուցվածքը բորին թողնում է 6 էլեկտրոն, բայց յուրաքանչյուր ատոմին տալիս է զրոյական ֆորմալ լիցք։ B=F կրկնակի կապ առաջացնելը բորի օկտետը կլրացներ միայն այն դեպքում, եթե ֆտորին տար +1 ֆորմալ լիցք, իսկ բորին՝ −1, ուստի սովորական նկարագրությունը պարզ կապերով կառուցվածքն է։

3-րդ և ավելի ցածր պարբերությունների ատոմները կարելի է գծել ութից ավելի էլեկտրոններով իրենց շուրջ։ PCl₅-ում (40 էլեկտրոն) հինգ կապերը ֆոսֆորին տալիս են 10 էլեկտրոն։ Տրիյոդիդ իոնում՝ I₃⁻-ում (3 × 7 + 1 = 22 էլեկտրոն), կենտրոնական յոդը պահում է երկու կապ և երեք ազատ զույգ, և նրա ֆորմալ լիցքը 7 − 6 − 2 = −1 է։ Մնացած էլեկտրոնները կենտրոնական ատոմի վրա դրեք միայն այն բանից հետո, երբ յուրաքանչյուր վերջնական ատոմ ստացել է իր օկտետը։

Լյուիսի կառուցվածքների հաճախակի սխալներ և ինչպես բռնել դրանք

Սխալների մեծ մասը հաշվարկի սխալներ են, ուստի ամենահուսալի սովորույթը յուրաքանչյուր կառուցվածքն ավարտել երկու ստուգմամբ՝ գծագրի յուրաքանչյուր էլեկտրոն հաշվել (2՝ կապի համար, 2՝ ազատ զույգի համար) ձեր գրված ընդհանուր քանակի դեմ և գումարել ֆորմալ լիցքերը՝ հաստատելու, որ դրանք հավասար են ընդհանուր լիցքին։

Եթե ձեր ընդհանուր քանակը տարբերվում է դասընկերոջ կամ պատասխանների թերթի քանակից իոնի լիցքի կրկնապատիկով, լիցքը հավանաբար կիրառվել է սխալ նշանով։ Եթե գծագրում էլեկտրոնների այլ քանակ կա, քան ձեր ընդհանուրը, փնտրեք կապեր, որոնք հաշվվել են երկու էլեկտրոնի փոխարեն մեկ էլեկտրոն, կամ մնացած էլեկտրոններ, որոնք երբեք չեն տեղադրվել։ Ստորև բերված կոնկրետ սխալները բացատրում են սխալ կառուցվածքների մեծ մասը։

• Կատիոնի համար էլեկտրոններ ավելացնելը կամ անիոնի համար հանելը։ Բացասական լիցքը նշանակում է ավելի շատ էլեկտրոններ։
• Կապը մեկ էլեկտրոն հաշվելը։ Յուրաքանչյուր գիծ ներկայացնում է ընդհանուր զույգ, ուստի դա 2 էլեկտրոն է։
• Ջրածնին երկու կապ տալը կամ այն կենտրոնական ատոմ դարձնելը։ Ջրածինը պահում է միայն 2 էլեկտրոն։
• C, N, O կամ F ատոմի վրա 8-ից ավելի էլեկտրոն դնելը։ Ընդլայնված թվերը հնարավոր են միայն 3-րդ և ավելի ցածր պարբերությունների համար։
• Ֆորմալ լիցքը ատոմի իրական լիցք համարելը կամ այն շփոթելը օքսիդացման աստիճանի հետ, որը բոլոր կապող էլեկտրոնները վերագրում է ավելի էլեկտրաբացասական ատոմին։
• Ռեզոնանսային կառուցվածքները գծել ատոմները տեղափոխելով։ Ատոմ տեղափոխելը տարբեր միացություն է ստեղծում, այլ ոչ ռեզոնանսային ներդրող կառուցվածք։