Struktur Lewis dan Cas Formal: Kaedah yang Boleh Anda Semak

Mengira elektron valens untuk molekul dan ion poliatom

Setiap struktur Lewis bermula dengan satu nombor: jumlah elektron valens yang tersedia untuk diletakkan. Bagi unsur kumpulan utama, bilangan elektron valens sama dengan digit terakhir nombor kumpulan dalam penomboran 1–18, jadi karbon menyumbang 4, nitrogen 5, oksigen 6, dan setiap halogen 7. Hidrogen menyumbang 1, dan helium, dengan 2, ialah satu-satunya pengecualian kepada peraturan nombor kumpulan.

Cas ion mengubah jumlah itu. Cas negatif bermakna elektron tambahan, jadi anda menambah satu elektron bagi setiap unit cas negatif. Cas positif bermakna elektron yang hilang, jadi anda menolak. Ion ammonium, NH₄⁺, mempunyai 5 + 4(1) − 1 = 8 elektron valens, manakala ion karbonat, CO₃²⁻, mempunyai 4 + 3(6) + 2 = 24.

Tulis jumlah ini sebelum anda melukis apa-apa; ia ialah nombor yang akan anda gunakan untuk menyemak struktur yang siap.

Membina rangka dan meletakkan pasangan elektron

Rangka ialah corak atom mana yang bersambung dengan atom mana. Hidrogen dan fluorin hampir selalu membentuk hanya satu ikatan, jadi ia atom hujung. Atom pusat biasanya atom yang paling kurang elektronegatif selain hidrogen, yang selalunya atom yang muncul sekali dalam formula. Dalam oksiasid, atom hidrogen biasanya terikat kepada oksigen, bukan kepada atom pusat.

Setelah rangka ditetapkan, langkah yang tinggal mengagihkan elektron supaya setiap atom mencapai bilangan yang stabil. Atom kala 2 (C, N, O, F) boleh memuatkan paling banyak lapan elektron di sekelilingnya kerana ia hanya mempunyai empat orbital valens, itulah sebabnya petua oktet ialah had yang tegas bagi atom tersebut.

• Sambungkan setiap atom hujung kepada atom pusat dengan ikatan tunggal (2 elektron setiap satu).
• Lengkapkan oktet atom hujung dengan pasangan elektron bebas (hidrogen hanya memerlukan 2).
• Letakkan sebarang elektron yang tinggal pada atom pusat sebagai pasangan elektron bebas.
• Jika atom pusat masih mempunyai kurang daripada 8 elektron, tukar pasangan elektron bebas pada atom jiran kepada pasangan kongsi untuk membentuk ikatan ganda dua atau ganda tiga.
• Semak: elektron yang dilukis sama dengan jumlah yang dikira, dan setiap atom kala 2 tidak mempunyai lebih daripada 8.

Cas formal sebagai ujian antara struktur calon

Cas formal bertanya berapa banyak elektron yang dimiliki atom dalam lukisan berbanding atom bebas neutral, jika setiap pasangan ikatan dibahagi sama rata. Rumusnya ialah FC = V − N − B/2, dengan V ialah bilangan elektron valens atom, N ialah bilangan elektron tak berikat (pasangan bebas) padanya, dan B ialah bilangan elektron dalam ikatannya. Cas formal dalam sesuatu struktur sentiasa berjumlah cas keseluruhan spesies itu, yang memberikan semakan aritmetik terbina dalam.

Apabila beberapa struktur mematuhi bilangan elektron, pilih yang cas formalnya sedekat mungkin dengan sifar. Jika sebahagian cas formal mesti kekal, struktur yang lebih baik meletakkan cas formal negatif pada atom yang lebih elektronegatif dan mengelakkan cas bertanda sama pada jiran yang terikat.

Cas formal ialah pencatatan, bukan cas yang diukur. Oleh sebab ia mengabaikan keelektronegatifan, atom dengan cas formal sifar masih boleh membawa cas separa yang ketara dalam molekul sebenar.

Contoh penyelesaian: fosgen dan ion sianat

Fosgen, COCl₂. Kira: C menyumbang 4, O menyumbang 6, dan setiap Cl menyumbang 7, jadi jumlahnya 4 + 6 + 2(7) = 24 elektron. Karbon ialah atom pusat. Tiga ikatan tunggal daripada C kepada O dan kepada setiap Cl menggunakan 6 elektron. Melengkapkan oktet O dan kedua-dua atom Cl menggunakan 3 × 6 = 18 lagi, jadi 24 kesemuanya, dan tiada elektron tinggal untuk karbon. Karbon hanya mempunyai 6 elektron di sekelilingnya, jadi tukar satu pasangan elektron bebas kepada ikatan kedua. Memindahkan pasangan bebas O memberikan C=O; memindahkan pasangan bebas Cl memberikan C=Cl.

Cas formal menentukan antara kedua-duanya. Dengan C=O, oksigen mempunyai 4 elektron tak berikat dan 4 elektron berikat: FC = 6 − 4 − 4/2 = 0. Setiap Cl mempunyai 6 elektron tak berikat dan 2 elektron berikat: FC = 7 − 6 − 1 = 0. Karbon mempunyai 8 elektron berikat: FC = 4 − 0 − 4 = 0. Dengan C=Cl sebaliknya, Cl itu menjadi 7 − 4 − 2 = +1 dan O berikatan tunggal menjadi 6 − 6 − 1 = −1. Struktur serba sifar dengan ikatan ganda dua C=O diutamakan.

Ion sianat, OCN⁻. Kira: 6 + 4 + 5 + 1 = 16 elektron, dengan karbon di tengah. Tiga susunan memberikan karbon oktet: O=C=N, O≡C–N dan O–C≡N, masing-masing dengan pasangan bebas yang melengkapkan oktet pada O dan N. Bagi O=C=N, O = 6 − 4 − 2 = 0 dan N = 5 − 4 − 2 = −1. Bagi O≡C–N, O = 6 − 2 − 3 = +1 dan N = 5 − 6 − 1 = −2. Bagi O–C≡N, O = 6 − 6 − 1 = −1 dan N = 5 − 2 − 3 = 0. Karbon ialah 0 dalam ketiga-tiganya, dan setiap set berjumlah −1 seperti yang sepatutnya.

Bentuk O≡C–N mempunyai cas terbesar dan meletakkan cas positif pada oksigen, atom paling elektronegatif, jadi ia menyumbang paling sedikit. Bentuk O–C≡N meletakkan cas negatif pada oksigen dan merupakan penyumbang terpenting, dengan O=C=N tidak jauh di belakang. Ion sebenar ialah campuran struktur ini, seperti yang diterangkan dalam bahagian seterusnya.

Resonans apabila satu lukisan tidak dapat menerangkan ikatan

Sesetengah spesies mempunyai dua atau lebih struktur Lewis yang sah yang hanya berbeza dalam tempat elektron diletakkan, dengan setiap atom pada kedudukan yang sama. Ini ialah struktur resonans, ditulis dengan anak panah dua kepala (↔) di antaranya. Molekul sebenar ialah satu struktur, hibrid resonans, yang ikatannya ialah purata penyumbang. Ia tidak bertukar-tukar antara penyumbang itu.

Ion format, HCOO⁻, ialah contoh yang jelas. Kira: 1 + 4 + 2(6) + 1 = 18 elektron. Dengan H dan kedua-dua atom O terikat kepada C dan oktet oksigen dilengkapkan, 18 elektron digunakan dan karbon hanya mempunyai 6, jadi satu pasangan bebas oksigen menjadi ikatan C=O. O berikatan ganda dua mempunyai FC = 6 − 4 − 2 = 0 dan O berikatan tunggal mempunyai FC = 6 − 6 − 1 = −1. Mana-mana oksigen boleh memegang ikatan ganda dua, jadi terdapat dua struktur yang setara.

Oleh sebab kedua-dua penyumbang adalah setara, hibrid mempunyai dua ikatan karbon–oksigen yang serupa, masing-masing pertengahan antara ikatan tunggal dan ganda dua, dan setiap oksigen membawa separuh daripada cas negatif secara purata. Panjang ikatan yang diukur dalam ion karboksilat sepadan dengan gambaran ini. Apabila penyumbang tidak setara, seperti dalam sianat, hibrid paling menyerupai struktur yang cas formalnya lebih rendah.

Apabila petua oktet melentur: bilangan ganjil, tidak lengkap dan berkembang

Tiga jenis spesies tidak sesuai dengan corak oktet. Molekul elektron ganjil, seperti nitrogen monoksida, NO, dengan 5 + 6 = 11 elektron valens, tidak dapat memberikan oktet kepada setiap atom; satu atom mesti membawa elektron tak berpasangan. Spesies jenis ini dipanggil radikal dan biasanya reaktif.

Sesetengah molekul mempunyai oktet tidak lengkap pada atom pusat. Dalam boron trifluorida, BF₃ (24 elektron), struktur dengan tiga ikatan tunggal B–F meninggalkan boron dengan 6 elektron tetapi memberikan setiap atom cas formal sifar. Membentuk ikatan ganda dua B=F hanya akan melengkapkan oktet boron dengan memberikan fluorin cas formal +1 dan boron −1, jadi struktur berikatan tunggal ialah huraian yang lazim.

Atom dalam kala 3 dan ke bawah boleh dilukis dengan lebih daripada lapan elektron di sekelilingnya. Dalam PCl₅ (40 elektron), lima ikatan memberikan fosforus 10 elektron. Dalam ion triiodida, I₃⁻ (3 × 7 + 1 = 22 elektron), iodin pusat mempunyai dua ikatan dan tiga pasangan bebas, dan cas formalnya ialah 7 − 6 − 2 = −1. Letakkan elektron berbaki pada atom pusat hanya selepas setiap atom hujung mempunyai oktetnya.

Kesilapan lazim struktur Lewis dan cara mengesannya

Kebanyakan kesilapan ialah kesilapan mengira, jadi tabiat paling boleh dipercayai ialah menamatkan setiap struktur dengan dua semakan: kira setiap elektron dalam lukisan (2 bagi setiap ikatan, 2 bagi setiap pasangan bebas) berbanding jumlah yang anda tulis, dan tambah cas formal untuk mengesahkan ia sama dengan cas keseluruhan.

Jika jumlah anda berbeza daripada rakan sekelas atau kunci jawapan sebanyak dua kali cas ion, cas itu mungkin digunakan dengan tanda yang salah. Jika lukisan mengandungi bilangan elektron yang berbeza daripada jumlah anda, cari ikatan yang dikira sebagai satu elektron dan bukannya dua, atau elektron berbaki yang tidak pernah diletakkan. Kesilapan khusus di bawah menyumbang kepada kebanyakan struktur yang salah.

• Menambah elektron untuk kation atau menolaknya untuk anion. Cas negatif bermakna lebih banyak elektron.
• Mengira ikatan sebagai satu elektron. Setiap garis mewakili pasangan kongsi, jadi ia 2 elektron.
• Memberikan hidrogen dua ikatan atau menjadikannya atom pusat. Hidrogen hanya memuatkan 2 elektron.
• Meletakkan lebih daripada 8 elektron pada C, N, O atau F. Bilangan berkembang hanya mungkin bagi kala 3 dan ke bawah.
• Menganggap cas formal sebagai cas sebenar pada atom, atau mengelirukannya dengan nombor pengoksidaan, yang memberikan semua elektron ikatan kepada atom yang lebih elektronegatif.
• Melukis struktur resonans dengan menggerakkan atom. Menggerakkan atom mencipta sebatian yang berbeza, bukan penyumbang resonans.