Cấu trúc Lewis và điện tích hình thức: một phương pháp bạn có thể kiểm tra

Đếm electron hóa trị cho phân tử và ion đa nguyên tử

Mọi cấu trúc Lewis bắt đầu bằng một con số: tổng số electron hóa trị có thể đặt vào. Với các nguyên tố nhóm chính, số electron hóa trị bằng chữ số cuối của số nhóm trong cách đánh số 1–18, nên cacbon đóng góp 4, nitơ 5, oxi 6, và mỗi halogen 7. Hiđro đóng góp 1, và heli, với 2, là ngoại lệ duy nhất của quy tắc số nhóm.

Điện tích của ion làm thay đổi tổng. Điện tích âm nghĩa là thừa electron, nên bạn cộng một electron cho mỗi đơn vị điện tích âm. Điện tích dương nghĩa là thiếu electron, nên bạn trừ đi. Ion amoni, NH₄⁺, có 5 + 4(1) − 1 = 8 electron hóa trị, trong khi ion cacbonat, CO₃²⁻, có 4 + 3(6) + 2 = 24.

Hãy viết tổng này ra trước khi vẽ bất cứ thứ gì; đó là con số bạn sẽ dùng để kiểm tra cấu trúc hoàn chỉnh.

Dựng khung và đặt các cặp electron

Khung là mẫu cho biết nguyên tử nào nối với nguyên tử nào. Hiđro và flo hầu như luôn chỉ tạo một liên kết, nên chúng là nguyên tử đầu mút. Nguyên tử trung tâm thường là nguyên tử có độ âm điện nhỏ nhất ngoài hiđro, thường là nguyên tử chỉ xuất hiện một lần trong công thức. Trong các oxiaxit, các nguyên tử hiđro thường liên kết với oxi chứ không phải với nguyên tử trung tâm.

Khi khung đã xong, các bước còn lại phân bố electron để mỗi nguyên tử đạt số lượng bền. Các nguyên tử chu kỳ 2 (C, N, O, F) chỉ chứa tối đa tám electron xung quanh vì chúng chỉ có bốn obitan hóa trị, đó là lý do quy tắc bát tử là giới hạn cứng đối với chúng.

• Nối mỗi nguyên tử đầu mút với nguyên tử trung tâm bằng một liên kết đơn (mỗi liên kết 2 electron).
• Hoàn thành bát tử cho các nguyên tử đầu mút bằng các cặp electron tự do (hiđro chỉ cần 2).
• Đặt các electron còn lại lên nguyên tử trung tâm dưới dạng cặp electron tự do.
• Nếu nguyên tử trung tâm vẫn có ít hơn 8 electron, hãy chuyển một cặp electron tự do trên nguyên tử lân cận thành cặp dùng chung để tạo liên kết đôi hoặc liên kết ba.
• Kiểm tra: số electron đã vẽ bằng tổng đã đếm, và mỗi nguyên tử chu kỳ 2 không có quá 8.

Điện tích hình thức như một phép thử giữa các cấu trúc ứng viên

Điện tích hình thức hỏi một nguyên tử sở hữu bao nhiêu electron trong hình vẽ so với nguyên tử tự do trung hòa, nếu mọi cặp liên kết được chia đều. Công thức là FC = V − N − B/2, trong đó V là số electron hóa trị của nguyên tử, N là số electron không liên kết (cặp electron tự do) trên nó và B là số electron trong các liên kết của nó. Các điện tích hình thức trong một cấu trúc luôn cộng lại bằng điện tích tổng của loại đó, cho bạn một phép kiểm tra số học có sẵn.

Khi nhiều cấu trúc cùng tuân theo số electron, hãy ưu tiên cấu trúc có các điện tích hình thức gần không nhất có thể. Nếu một số điện tích hình thức buộc phải còn lại, cấu trúc tốt hơn đặt điện tích hình thức âm lên nguyên tử có độ âm điện lớn hơn và tránh đặt các điện tích cùng dấu lên các nguyên tử lân cận liên kết với nhau.

Điện tích hình thức là việc ghi sổ, không phải điện tích đo được. Vì nó bỏ qua độ âm điện, một nguyên tử có điện tích hình thức bằng không vẫn có thể mang điện tích riêng phần đáng kể trong phân tử thực.

Ví dụ có lời giải: photgen và ion xyanat

Photgen, COCl₂. Đếm: C đóng góp 4, O đóng góp 6, và mỗi Cl đóng góp 7, nên tổng là 4 + 6 + 2(7) = 24 electron. Cacbon là nguyên tử trung tâm. Ba liên kết đơn từ C đến O và đến mỗi Cl dùng 6 electron. Hoàn thành bát tử cho O và cả hai Cl dùng thêm 3 × 6 = 18, tổng cộng 24, nên không còn electron cho cacbon. Cacbon chỉ có 6 electron xung quanh, nên hãy chuyển một cặp electron tự do thành liên kết thứ hai. Chuyển một cặp electron tự do của O cho C=O; chuyển một cặp của Cl cho C=Cl.

Điện tích hình thức quyết định giữa hai cấu trúc. Với C=O, oxi có 4 electron không liên kết và 4 electron liên kết: FC = 6 − 4 − 4/2 = 0. Mỗi Cl có 6 electron không liên kết và 2 electron liên kết: FC = 7 − 6 − 1 = 0. Cacbon có 8 electron liên kết: FC = 4 − 0 − 4 = 0. Với C=Cl thay vào đó, Cl ấy thành 7 − 4 − 2 = +1 và O liên kết đơn thành 6 − 6 − 1 = −1. Cấu trúc toàn số không với liên kết đôi C=O được ưu tiên.

Ion xyanat, OCN⁻. Đếm: 6 + 4 + 5 + 1 = 16 electron, với cacbon ở trung tâm. Ba cách sắp xếp cho cacbon một bát tử: O=C=N, O≡C–N và O–C≡N, mỗi cấu trúc có các cặp electron tự do hoàn thành bát tử trên O và N. Với O=C=N, O = 6 − 4 − 2 = 0 và N = 5 − 4 − 2 = −1. Với O≡C–N, O = 6 − 2 − 3 = +1 và N = 5 − 6 − 1 = −2. Với O–C≡N, O = 6 − 6 − 1 = −1 và N = 5 − 2 − 3 = 0. Cacbon bằng 0 ở cả ba, và mỗi bộ cộng lại bằng −1 như phải có.

Dạng O≡C–N có các điện tích lớn nhất và đặt điện tích dương lên oxi, nguyên tử có độ âm điện lớn nhất, nên đóng góp ít nhất. Dạng O–C≡N đặt điện tích âm lên oxi và là dạng đóng góp quan trọng nhất, với O=C=N sát ngay sau. Ion thực là sự pha trộn của các cấu trúc này, như phần tiếp theo giải thích.

Cộng hưởng khi một hình vẽ không mô tả được các liên kết

Một số loại có hai hay nhiều cấu trúc Lewis hợp lệ chỉ khác nhau ở chỗ đặt electron, với mọi nguyên tử ở cùng vị trí. Đó là các cấu trúc cộng hưởng, được viết với mũi tên hai đầu (↔) giữa chúng. Phân tử thực là một cấu trúc duy nhất, cấu trúc lai cộng hưởng, có các liên kết là trung bình của các cấu trúc đóng góp. Nó không chuyển qua lại giữa chúng.

Ion fomat, HCOO⁻, là một ví dụ rõ ràng. Đếm: 1 + 4 + 2(6) + 1 = 18 electron. Với H và cả hai nguyên tử O liên kết với C và bát tử oxi đã hoàn thành, 18 electron đã dùng hết và cacbon chỉ có 6, nên một cặp electron tự do của oxi thành liên kết C=O. O liên kết đôi có FC = 6 − 4 − 2 = 0 và O liên kết đơn có FC = 6 − 6 − 1 = −1. Nguyên tử oxi nào cũng có thể giữ liên kết đôi, nên có hai cấu trúc tương đương.

Vì hai cấu trúc đóng góp tương đương, cấu trúc lai có hai liên kết cacbon–oxi giống hệt nhau, mỗi liên kết ở giữa liên kết đơn và liên kết đôi, và mỗi nguyên tử oxi mang trung bình một nửa điện tích âm. Độ dài liên kết đo được trong các ion cacboxylat khớp với bức tranh này. Khi các cấu trúc đóng góp không tương đương, như ở xyanat, cấu trúc lai giống nhất với các cấu trúc có điện tích hình thức thấp hơn.

Khi quy tắc bát tử bị uốn cong: số lẻ, thiếu và mở rộng

Ba loại không phù hợp với mẫu bát tử. Phân tử có số electron lẻ, như nitơ monoxit, NO, với 5 + 6 = 11 electron hóa trị, không thể cho mọi nguyên tử một bát tử; một nguyên tử phải mang một electron độc thân. Loại này được gọi là gốc tự do và thường hoạt động mạnh.

Một số phân tử có bát tử chưa đầy trên nguyên tử trung tâm. Trong bo triflorua, BF₃ (24 electron), cấu trúc có ba liên kết đơn B–F để bo có 6 electron nhưng cho mọi nguyên tử điện tích hình thức bằng không. Tạo liên kết đôi B=F chỉ hoàn thành bát tử của bo bằng cách cho flo điện tích hình thức +1 và bo −1, nên cấu trúc liên kết đơn là mô tả thông thường.

Các nguyên tử ở chu kỳ 3 trở xuống có thể được vẽ với hơn tám electron xung quanh. Trong PCl₅ (40 electron), năm liên kết cho photpho 10 electron. Trong ion triiođua, I₃⁻ (3 × 7 + 1 = 22 electron), iot trung tâm giữ hai liên kết và ba cặp electron tự do, và điện tích hình thức của nó là 7 − 6 − 2 = −1. Chỉ đặt electron còn thừa lên nguyên tử trung tâm sau khi mọi nguyên tử đầu mút đã có bát tử.

Những lỗi thường gặp ở cấu trúc Lewis và cách phát hiện

Hầu hết sai lầm là lỗi đếm, nên thói quen đáng tin cậy nhất là kết thúc mọi cấu trúc bằng hai phép kiểm tra: đếm mọi electron trong hình vẽ (2 cho mỗi liên kết, 2 cho mỗi cặp electron tự do) so với tổng bạn đã viết, và cộng các điện tích hình thức để xác nhận chúng bằng điện tích tổng.

Nếu tổng của bạn khác tổng của bạn học hoặc đáp án một lượng gấp đôi điện tích của ion, có lẽ điện tích đã được áp dụng sai dấu. Nếu hình vẽ chứa số electron khác với tổng của bạn, hãy tìm các liên kết bị đếm là một electron thay vì hai, hoặc các electron còn thừa chưa được đặt. Những lỗi cụ thể dưới đây gây ra hầu hết các cấu trúc sai.

• Cộng electron cho cation hoặc trừ electron cho anion. Điện tích âm nghĩa là nhiều electron hơn.
• Đếm một liên kết là một electron. Mỗi nét đại diện cho một cặp dùng chung, nên là 2 electron.
• Cho hiđro hai liên kết hoặc coi nó là nguyên tử trung tâm. Hiđro chỉ chứa 2 electron.
• Đặt hơn 8 electron lên C, N, O hay F. Số electron mở rộng chỉ có thể xảy ra từ chu kỳ 3 trở xuống.
• Coi điện tích hình thức là điện tích thực trên một nguyên tử, hoặc nhầm nó với số oxi hóa, vốn gán toàn bộ electron liên kết cho nguyên tử có độ âm điện lớn hơn.
• Vẽ cấu trúc cộng hưởng bằng cách di chuyển nguyên tử. Di chuyển một nguyên tử tạo ra hợp chất khác, không phải một cấu trúc cộng hưởng đóng góp.