Struktur Lewis dan Muatan Formal: Metode yang Dapat Anda Periksa

Menghitung elektron valensi untuk molekul dan ion poliatomik

Setiap struktur Lewis dimulai dengan satu angka: jumlah total elektron valensi yang tersedia untuk ditempatkan. Untuk unsur golongan utama, jumlah elektron valensi sama dengan angka terakhir dari nomor golongan dalam penomoran 1–18, sehingga karbon menyumbang 4, nitrogen 5, oksigen 6, dan setiap halogen 7. Hidrogen menyumbang 1, dan helium, dengan 2, adalah satu-satunya pengecualian aturan nomor golongan.

Muatan ion mengubah totalnya. Muatan negatif berarti elektron tambahan, sehingga Anda menambahkan satu elektron untuk setiap satuan muatan negatif. Muatan positif berarti elektron yang hilang, sehingga Anda menguranginya. Ion amonium, NH₄⁺, memiliki 5 + 4(1) − 1 = 8 elektron valensi, sedangkan ion karbonat, CO₃²⁻, memiliki 4 + 3(6) + 2 = 24.

Tuliskan total ini sebelum Anda menggambar apa pun; inilah angka yang akan Anda gunakan untuk memeriksa struktur yang sudah selesai.

Menyusun kerangka dan menempatkan pasangan elektron

Kerangka adalah pola atom mana yang terhubung dengan atom mana. Hidrogen dan fluorin hampir selalu hanya membentuk satu ikatan, sehingga keduanya adalah atom terminal. Atom pusat biasanya atom yang paling tidak elektronegatif selain hidrogen, yang sering kali adalah atom yang muncul sekali dalam rumus. Dalam oksiasam, atom hidrogen biasanya berikatan dengan oksigen, bukan dengan atom pusat.

Setelah kerangka ditetapkan, langkah-langkah selanjutnya mendistribusikan elektron agar setiap atom mencapai jumlah yang stabil. Atom periode 2 (C, N, O, F) dapat menampung paling banyak delapan elektron di sekitarnya karena hanya memiliki empat orbital valensi, itulah sebabnya aturan oktet merupakan batas yang tegas bagi atom-atom ini.

• Hubungkan setiap atom terminal ke atom pusat dengan ikatan tunggal (2 elektron masing-masing).
• Lengkapi oktet atom terminal dengan pasangan elektron bebas (hidrogen hanya memerlukan 2).
• Tempatkan elektron yang tersisa pada atom pusat sebagai pasangan elektron bebas.
• Jika atom pusat masih memiliki kurang dari 8 elektron, ubah pasangan elektron bebas pada atom tetangga menjadi pasangan yang dipakai bersama untuk membuat ikatan rangkap dua atau rangkap tiga.
• Periksa: elektron yang digambar sama dengan total yang dihitung, dan setiap atom periode 2 tidak memiliki lebih dari 8.

Muatan formal sebagai uji di antara struktur kandidat

Muatan formal menanyakan berapa banyak elektron yang dimiliki suatu atom dalam gambar dibandingkan dengan atom bebas netralnya, jika setiap pasangan ikatan dibagi sama rata. Rumusnya adalah FC = V − N − B/2, dengan V adalah jumlah elektron valensi atom, N adalah jumlah elektron nonikatan (pasangan elektron bebas) padanya, dan B adalah jumlah elektron dalam ikatannya. Muatan formal dalam suatu struktur selalu berjumlah sama dengan muatan keseluruhan spesi itu, yang memberi Anda pemeriksaan aritmetika bawaan.

Ketika beberapa struktur memenuhi jumlah elektron, pilih yang muatan formalnya sedekat mungkin dengan nol. Jika ada muatan formal yang harus tersisa, struktur yang lebih baik menempatkan muatan formal negatif pada atom yang lebih elektronegatif dan menghindari menempatkan muatan bertanda sama pada tetangga yang berikatan.

Muatan formal adalah pembukuan, bukan muatan yang terukur. Karena mengabaikan keelektronegatifan, atom dengan muatan formal nol masih dapat membawa muatan parsial yang cukup besar dalam molekul sebenarnya.

Contoh soal: fosgen dan ion sianat

Fosgen, COCl₂. Hitung: C menyumbang 4, O menyumbang 6, dan setiap Cl menyumbang 7, sehingga totalnya 4 + 6 + 2(7) = 24 elektron. Karbon adalah atom pusat. Tiga ikatan tunggal dari C ke O dan ke setiap Cl menggunakan 6 elektron. Melengkapi oktet O dan kedua atom Cl menggunakan 3 × 6 = 18 lagi, sehingga totalnya 24, jadi tidak ada elektron tersisa untuk karbon. Karbon hanya memiliki 6 elektron di sekitarnya, jadi ubah satu pasangan elektron bebas menjadi ikatan kedua. Memindahkan pasangan elektron bebas O menghasilkan C=O; memindahkan pasangan elektron bebas Cl menghasilkan C=Cl.

Muatan formal memutuskan di antara keduanya. Dengan C=O, oksigen memiliki 4 elektron nonikatan dan 4 elektron ikatan: FC = 6 − 4 − 4/2 = 0. Setiap Cl memiliki 6 elektron nonikatan dan 2 elektron ikatan: FC = 7 − 6 − 1 = 0. Karbon memiliki 8 elektron ikatan: FC = 4 − 0 − 4 = 0. Dengan C=Cl sebagai gantinya, Cl itu menjadi 7 − 4 − 2 = +1 dan O yang berikatan tunggal menjadi 6 − 6 − 1 = −1. Struktur dengan semua muatan nol dan ikatan rangkap C=O lebih disukai.

Ion sianat, OCN⁻. Hitung: 6 + 4 + 5 + 1 = 16 elektron, dengan karbon sebagai pusat. Tiga susunan memberi karbon oktet: O=C=N, O≡C–N, dan O–C≡N, masing-masing dengan pasangan elektron bebas yang melengkapi oktet pada O dan N. Untuk O=C=N, O = 6 − 4 − 2 = 0 dan N = 5 − 4 − 2 = −1. Untuk O≡C–N, O = 6 − 2 − 3 = +1 dan N = 5 − 6 − 1 = −2. Untuk O–C≡N, O = 6 − 6 − 1 = −1 dan N = 5 − 2 − 3 = 0. Karbon adalah 0 pada ketiganya, dan masing-masing kumpulan berjumlah −1 sebagaimana mestinya.

Bentuk O≡C–N memiliki muatan terbesar dan menempatkan muatan positif pada oksigen, atom yang paling elektronegatif, sehingga sumbangannya paling kecil. Bentuk O–C≡N menempatkan muatan negatif pada oksigen dan merupakan kontributor terpenting, dengan O=C=N tidak jauh di belakang. Ion sebenarnya adalah campuran dari struktur-struktur ini, seperti yang dijelaskan bagian berikutnya.

Resonansi ketika satu gambar tidak dapat menjelaskan ikatan

Beberapa spesi memiliki dua struktur Lewis yang sah atau lebih yang hanya berbeda dalam penempatan elektron, dengan setiap atom berada di posisi yang sama. Inilah struktur resonansi, yang ditulis dengan panah berkepala dua (↔) di antaranya. Molekul sebenarnya adalah satu struktur, hibrida resonansi, yang ikatannya merupakan rata-rata dari para kontributor. Molekul itu tidak berganti bolak-balik di antara mereka.

Ion format, HCOO⁻, adalah contoh yang jelas. Hitung: 1 + 4 + 2(6) + 1 = 18 elektron. Dengan H dan kedua atom O berikatan dengan C dan oktet oksigen dilengkapi, 18 elektron terpakai dan karbon hanya memiliki 6, sehingga satu pasangan elektron bebas oksigen menjadi ikatan C=O. O berikatan rangkap memiliki FC = 6 − 4 − 2 = 0 dan O berikatan tunggal memiliki FC = 6 − 6 − 1 = −1. Salah satu oksigen dapat memegang ikatan rangkap, sehingga ada dua struktur yang setara.

Karena kedua kontributor setara, hibrida memiliki dua ikatan karbon–oksigen yang identik, masing-masing berada di antara ikatan tunggal dan rangkap, dan setiap oksigen membawa setengah dari muatan negatif rata-rata. Panjang ikatan terukur dalam ion karboksilat sesuai dengan gambaran ini. Ketika kontributor tidak setara, seperti pada sianat, hibrida paling menyerupai struktur dengan muatan formal yang lebih rendah.

Ketika aturan oktet menyimpang: jumlah ganjil, tidak lengkap, dan diperluas

Tiga jenis spesi tidak sesuai dengan pola oktet. Molekul berelektron ganjil, seperti nitrogen monoksida, NO, dengan 5 + 6 = 11 elektron valensi, tidak dapat memberi setiap atom oktet; satu atom harus membawa elektron tak berpasangan. Spesi jenis ini disebut radikal dan biasanya reaktif.

Beberapa molekul memiliki oktet yang tidak lengkap pada atom pusat. Dalam boron trifluorida, BF₃ (24 elektron), struktur dengan tiga ikatan tunggal B–F menyisakan boron dengan 6 elektron tetapi memberi setiap atom muatan formal nol. Membentuk ikatan rangkap B=F hanya akan melengkapi oktet boron dengan memberi fluorin muatan formal +1 dan boron −1, sehingga struktur berikatan tunggal adalah penggambaran yang biasa.

Atom pada periode 3 ke bawah dapat digambar dengan lebih dari delapan elektron di sekitarnya. Dalam PCl₅ (40 elektron), lima ikatan memberi fosforus 10 elektron. Dalam ion triiodida, I₃⁻ (3 × 7 + 1 = 22 elektron), iodin pusat memegang dua ikatan dan tiga pasangan elektron bebas, dan muatan formalnya 7 − 6 − 2 = −1. Tempatkan elektron sisa pada atom pusat hanya setelah setiap atom terminal memiliki oktetnya.

Kesalahan umum pada struktur Lewis dan cara menangkapnya

Sebagian besar kesalahan adalah kesalahan penghitungan, sehingga kebiasaan yang paling andal adalah menyelesaikan setiap struktur dengan dua pemeriksaan: hitung setiap elektron dalam gambar (2 per ikatan, 2 per pasangan elektron bebas) terhadap total tertulis Anda, dan jumlahkan muatan formal untuk memastikan jumlahnya sama dengan muatan keseluruhan.

Jika total Anda berbeda dari total teman sekelas atau kunci jawaban sebesar dua kali muatan ion, muatan itu kemungkinan diterapkan dengan tanda yang salah. Jika gambar memuat jumlah elektron yang berbeda dari total Anda, cari ikatan yang dihitung sebagai satu elektron, bukan dua, atau elektron sisa yang tidak pernah ditempatkan. Kesalahan khusus di bawah ini menjelaskan sebagian besar struktur yang salah.

• Menambahkan elektron untuk kation atau mengurangkannya untuk anion. Muatan negatif berarti lebih banyak elektron.
• Menghitung ikatan sebagai satu elektron. Setiap garis mewakili pasangan yang dipakai bersama, jadi itu 2 elektron.
• Memberi hidrogen dua ikatan atau menjadikannya atom pusat. Hidrogen hanya menampung 2 elektron.
• Menempatkan lebih dari 8 elektron pada C, N, O, atau F. Jumlah yang diperluas hanya mungkin untuk periode 3 ke bawah.
• Menganggap muatan formal sebagai muatan nyata pada atom, atau mencampurnya dengan bilangan oksidasi, yang memberikan semua elektron ikatan kepada atom yang lebih elektronegatif.
• Menggambar struktur resonansi dengan memindahkan atom. Memindahkan atom menciptakan senyawa yang berbeda, bukan kontributor resonansi.