pozadí
předpokladem Lewisových struktur je oktetové pravidlo: že všechny atomy by chtěly být obklopeny oktetem elektronů. Samozřejmě existují některé výjimky: velmi malé atomy (H, Be a B) mají méně než oktet a některé atomy hlavní skupiny s nízkoenergetickými d orbitaly (P ,S, Cl, Br a I) mohou mít více než oktet. To platí zejména tehdy, když jsou tyto atomy centrálními atomy a jsou kombinovány s vysoce elektronegativními atomy.
kreslení správných Lewisových struktur vyžaduje praxi, ale proces lze zjednodušit pomocí řady kroků:
Krok 1. Spočítejte všechny valenční elektrony pro každý atom. Přidejte nebo odečtěte elektrony, pokud je struktura aniontem nebo kationtem.
Krok 2. Určete, které atomy jsou navzájem spojeny. Nakreslete kosterní strukturu.
Krok 3. Spojte atomy s dvojicí elektronů v každé vazbě. Odečtěte vazebné elektrony od celkových valenčních elektronů.
Krok 4. Přidejte elektronové páry k dokončení oktetů pro všechny periferní atomy připojené k centrálnímu atomu. Pozor na vodík-vodík nikdy nemá více než jednu vazbu nebo jeden pár elektronů
Krok 5. Umístěte zbývající elektrony na centrální atom, obvykle ve dvojicích. Pravidlo oktetu může být překročeno pro P, S, Cl, Br nebo i.
Krok 6. Pokud centrální atom nemá oktet, vytvořte dvojité nebo trojné vazby pohybem elektronových párů z jednoho nebo více periferních atomů, abyste dosáhli oktetu.
Krok 7. Hledejte rezonanční struktury přeskupením vazeb. Struktura s nejnižšími celkovými formálními poplatky bude nejpravděpodobnější formou V přírodě. (Vysvětlení viz níže)
kreslení Lewisových struktur
podívejme se na příklad toho, jak to funguje pomocí skutečné molekuly. Zvažte molekulu, která je nejvíce zodpovědná za skleníkový efekt, oxid uhličitý (CO2).
pro nakreslení Lewisovy struktury:
Krok 1. Spočítejte všechny valenční elektrony pro každý atom:
uhlík 1 x 4 valenční elektrony = 4 elektrony
kyslík 2 x 6 valenční elektrony = 12 elektronů
celkem = 16 elektronů
Krok 2. Určete, které atomy jsou navzájem spojeny. Obecně je nejméně elektronegativním atomem centrální atom. Pokud je však jedinou volbou mezi elektronegativnějším atomem a vodíkem, bude elektronegativnějším atomem centrální atom (např. voda). Vodík nikdy nevytváří více než jednu vazbu, a proto nikdy nemůže být centrálním atomem.
pro CO2 je uhlík méně elektronegativní atom, takže by to měl být centrální atom.
Krok 3. Připojte každý atom jedním párem elektronů nebo jedinou vazbou: (16 valenčních elektronů – 4 vazebné elektrony = 12 elektronů vlevo.)
Krok 4. Přidejte elektronové páry k periferním atomům pro oktety:
Krok 5. Nezbyly žádné elektrony, ale centrální atom nemá oktet!
Krok 6. Přesuňte elektrony z periferních atomů a vytvořte dvojné vazby, aby centrální atom získal oktet:
Krok 7. Hledejte rezonanční struktury a identifikujte strukturu s nejmenšími formálními náboji:
u některých molekul lze nakreslit více než jednu strukturu. Všimněte si, že Lewisova struktura pro oxid uhličitý může být zapsána pomocí jediné vazby uhlík-kyslík na jedné straně a trojné vazby uhlík-kyslík na straně druhé. Jak lze tyto dvě možnosti rozlišit? Jak lze vybrat nejdůležitější strukturu, nebo jsou všechny stejně pravděpodobné? Když lze nakreslit několik struktur, nazývají se rezonanční struktury.
rezonanční struktury
v rezonančních strukturách jsou všechny atomy ve stejné vzájemné relativní poloze, ale distribuce elektronů kolem nich je odlišná. Pro vyhodnocení důležitosti každé struktury musí být stanoven formální náboj na každém atomu.
formální náboj
formální náboj je poněkud libovolný způsob, jak popsat, kolik elektronů má atom v určité sloučenině. Předpokládá se, že elektronové páry ve vazbách mezi atomy jsou rovnoměrně rozděleny mezi dva atomy. Nevázané elektronové páry se počítají jako patřící k atomu, na kterém jsou umístěny. To lze uvést do rovnice:
nebo
nejstabilnější rezonanční struktura je ta, ve které:
1. Existuje minimální počet formálních poplatků;
2. Pokud existují formální poplatky, jako poplatky jsou odděleny; a
3. Záporné formální náboje jsou na více elektronegativních atomech a kladné formální náboje jsou na méně elektronegativních atomech.
pro strukturu CO2 se dvěma dvojnými vazbami lze formální poplatky vypočítat následovně:
Oxygens: formální poplatek = 6 – (4 + 1/2(4)) = 0
uhlík: formální náboj = 4 – ( 0+ 1/2(8)) = 0
pro strukturu CO2 s jednoduchou a trojnou vazbou:
kyslík (jednoduchý): formální náboj = 6 – (6 + 1/2(2)) = -1
kyslík (trojitý): formální náboj = 6 – (4 + 1/2(6)) = +1
uhlík: formální náboj = 4 – ( 0+ 1/2(8)) = 0
tak, zatímco obě struktury fungují jako Lewisovy struktury, ten, který má za následek nulové formální náboje pro kterýkoli z atomů, je stabilnější, a proto je pravděpodobnější, že bude existovat v přírodě, než ten, který má náboje na dvou atomech kyslíku.
oxidační čísla
formální náboje je třeba odlišit od oxidačních čísel (která lze také určit z Lewisových struktur). Oxidační čísla se používají k označení, zda je molekula neutrální, bohatá na elektrony nebo chudá na elektrony. Pravidla pro určování oxidačních čísel najdete ve vaší učebnici. Krátké shrnutí těchto pravidel je uvedeno zde:
1. Oxidační číslo pro prvek v jeho elementární formě je 0 (platí pro izolované atomy a pro molekulární prvky, např. Cl2 a P4.,)
2. Oxidační číslo monatomického iontu je stejné jako jeho náboj (např. oxidační číslo na+ = +1 a číslo S2-je -2.)
3. V binárních sloučeninách je prvku s větší elektronegativitou přiděleno záporné oxidační číslo, které se rovná jeho náboji, pokud se nachází v jednoduchých iontových sloučeninách (např. ve sloučenině PCl3 je chlor elektronegativnější než fosfor. V jednoduchých iontových sloučeninách má Cl iontový náboj 1 -, takže jeho oxidační stav v PCl3 je -1)
4. Součet oxidačních čísel je nulový pro elektricky neutrální sloučeninu a rovná se celkovému náboji pro iontový druh.
5. Alkalické kovy vykazují ve sloučeninách pouze oxidační stav +1.
6. Kovy alkalických zemin vykazují ve sloučeninách pouze oxidační stav +2.
jakmile jsou Lewisovy struktury úspěšně nakresleny, mohou být použity k předpovědi geometrie elektronového oblaku, molekulárního tvaru a polarity molekul a iontů. Pro důkladnou diskusi, viz učebnice. Zejména se podívejte na 3-dimenzionální reprezentace pro všechny geometrie a tvary.
geometrie elektronového oblaku a molekulární geometrie
geometrie elektronového oblaku kolem centrálního atomu je určena počtem elektronových skupin, které jej obklopují. Každá sada (2, 3, 4, 5 a 6) má jiný název a uspořádání v trojrozměrném prostoru. Elektronové mraky, všechny jsou negativní, jsou nejstabilnější, když jsou odděleny co nejdále od sebe. Toto se nazývá teorie odpuzování elektronového páru valenční skořepiny (VSEPR). Zatímco geometrie elektronového oblaku popisuje orientaci elektronů kolem centrálního atomu, molekulární geometrie popisuje uspořádání periferních atomů.
Experiment
v laboratoři vám bude představeno šest molekulárních modelů jako neznámé. Bude vaším úkolem je pojmenovat. Budete také požádáni, abyste určili jejich elektronový pár a molekulární geometrie měřením jejich úhlů vazby pomocí úhloměru. K dispozici je list obsahující další otázky, které by měly být vyplněny pro každou z molekul. Měli byste vytvořit pět dalších kopií listu, které chcete použít během třídy. Tyto listy budou poté použity jako datová část vaší laboratorní zprávy.