Tausta
Lewis-rakenteiden taustalla on oktettisääntö: että kaikki atomit haluaisivat ympäröidä oktetilla elektroneja. Joitakin poikkeuksia toki on: hyvin pienillä atomeilla (H, Be ja B) on alle oktetti, ja joillakin pääryhmäatomeilla, joilla on matalaenergiaisia d-orbitaaleja (P, s, Cl, Br ja I) voi olla enemmän kuin oktetti. Tämä pätee erityisesti silloin, kun nämä atomit ovat keskusatomeja ja yhdistettynä erittäin elektronegatiivisiin atomeihin.
oikeiden Lewis-rakenteiden piirtäminen vaatii harjoittelua, mutta prosessia voi yksinkertaistaa seuraamalla useita vaiheita:
Vaihe 1. Laske kaikki valenssielektronit kullekin atomille. Lisää tai vähennä elektroneja, jos rakenne on vastaavasti anioni tai kationi.
Vaihe 2. Selvitä, mitkä atomit ovat sitoutuneet toisiinsa. Piirrä luuranko.
Vaihe 3. Yhdistä atomit elektronipariin kussakin sidoksessa. Vähennä sidoselektronit valenssielektronien kokonaismäärästä.
Vaihe 4. Lisätään elektroniparit täydellisiin oktetteihin kaikille keskusatomiin kiinnittyneille ääreisatomeille. Varo vetyä – vedyllä ei ole koskaan useampaa kuin yksi sidos tai yksi elektronipari
Vaihe 5. Aseta jäljellä olevat elektronit keskusatomille, yleensä pareittain. Oktettisääntö voi ylittyä P, s, Cl, Br tai I.
Vaihe 6. Jos keskusatomilla ei ole oktettia, muodostetaan kaksois-tai kolmoissidoksia liikuttamalla elektronipareja yhdestä tai useammasta perifeerisestä atomista oktetin saavuttamiseksi.
Vaihe 7. Etsi resonanssirakenteita järjestelemällä sidoksia uudelleen. Rakenne, jonka muodolliset kokonaismaksut ovat alhaisimmat, on todennäköisin luonnossa esiintyvä muoto. (KS. selitys jäljempänä)
Lewis-rakenteiden piirtäminen
katsotaanpa esimerkkiä siitä, miten tämä toimii todellisen molekyylin avulla. Tarkastellaan kasvihuoneilmiöstä eniten vastuussa olevaa molekyyliä, hiilidioksidia (CO2).
Lewis-rakenteen piirtäminen:
Vaihe 1. Laske kaikki valenssielektronit kullekin atomille:
hiili 1 x 4 valenssielektronia = 4 elektronia
happi 2 x 6 valenssielektronia = 12 elektronia
yhteensä = 16 elektronia
Vaihe 2. Selvitä, mitkä atomit ovat sitoutuneet toisiinsa. Yleensä vähiten elektronegatiivinen atomi on keskusatomi. Jos kuitenkin ainoa vaihtoehto on elektronegatiivisempi atomi ja vety, sitä elektronegatiivisempi atomi on keskusatomi (esim.vesi). Vety ei koskaan muodosta useampaa kuin yhtä sidosta, joten se ei voi koskaan olla keskusatomi.
CO2: ssa hiili on vähemmän elektronegatiivinen atomi, joten sen tulisi olla keskusatomi.
Vaihe 3. Yhdistä jokainen atomi yhteen elektronipariin tai yhteen sidokseen: (16 valenssielektronia – 4 sidoselektronia = 12 elektronia jäljellä.)
Vaihe 4. Lisää elektronipareja perifeerisiin atomeihin okteteille:
Vaihe 5. Elektroneja ei jää yli, mutta keskusatomilla ei ole oktettia!
Vaihe 6. Siirtää elektroneja perifeerisistä atomeista muodostaen kaksoissidoksia, jolloin keskusatomille saadaan oktetti:
Vaihe 7. Etsi resonanssi rakenteita ja tunnistaa yksi pienin muodollinen maksut:
joillekin molekyyleille voidaan piirtää useampi kuin yksi rakenne. Huomaa, että hiilidioksidin Lewis-rakenne voidaan kirjoittaa käyttämällä toisella puolella hiili-happi-yksisidosta ja toisella hiili-happi-kolmoissidosta. Miten nämä kaksi mahdollisuutta voidaan erottaa toisistaan? Miten tärkein rakenne voidaan valita, vai ovatko ne kaikki yhtä todennäköisiä? Kun useita rakenteita voidaan piirtää, niitä kutsutaan resonanssirakenteiksi.
Resonanssirakenteissa
resonanssirakenteissa kaikki atomit ovat samassa suhteessa toisiinsa nähden, mutta elektronien jakauma niiden ympärillä on erilainen. Kunkin rakenteen merkityksen arvioimiseksi on määritettävä kunkin atomin muodollinen varaus.
formaali varaus
formaali varaus on jokseenkin mielivaltainen tapa kuvata, kuinka monta elektronia atomilla näyttää olevan tietyssä yhdisteessä. Atomien välisissä sidoksissa olevien elektroniparien oletetaan jakautuvan tasan kahden atomin kesken. Sitoutumattomat elektroniparit lasketaan kuuluviksi siihen atomiin, jolla ne asuvat. Tämä voidaan laittaa yhtälöön:
tai
vakain resonanssirakenne on se, jossa:
1. Virallisten maksujen vähimmäismäärä;
2. Jos on olemassa muodollisia maksuja, kuten maksut erotetaan; ja
3. Negatiiviset formaaliset varaukset ovat elektronegatiivisemmilla atomeilla ja positiiviset formaaliset varaukset vähemmän elektronegatiivisilla atomeilla.
CO2-rakenteelle, jossa on kaksi kaksoissidosta, muodolliset maksut voidaan laskea seuraavasti:
Oxygens: Formal Charge = 6 – (4 + 1/2(4)) = 0
hiili: muodollinen lataus = 4 – ( 0+ 1/2(8)) = 0
CO2-rakenteelle, jossa on yksi-ja kolmoissidos:
happi (yksi): formaali varaus = 6 – (6 + 1/2(2)) = -1
happi (kolminkertainen): muodollinen lataus = 6 – (4 + 1/2(6)) = +1
hiili: muodollinen lataus = 4 – ( 0+ 1/2(8)) = 0
vaikka siis molemmat rakenteet toimivat Lewis-rakenteina, se, joka johtaa formaaleihin nollavarauksiin mille tahansa atomille, on vakaampi ja siten todennäköisempi luonnossa kuin se, jolla on kahden happiatomin varauksia.
hapetusluvut
muodolliset varaukset on erotettava hapetusluvuista (jotka voidaan määrittää myös Lewis-rakenteista). Hapetuslukuja käytetään osoittamaan, onko molekyyli neutraali, elektronirikas vai elektroniköyhä. Säännöt hapetuslukujen määrittämiseen löytyvät oppikirjastasi. Lyhyt yhteenveto näistä säännöistä on tässä:
1. Alkuaineen hapetusluku sen alkuainemuodossa on 0 (pätee eristetyille atomeille ja molekyylielementeille, kuten Cl2 ja P4.,)
2. Yksiatomisen ionin hapetusluku on sama kuin sen varaus (esimerkiksi hapetusluku Na+ = +1 ja S2 – on -2.)
3. Binäärisissä yhdisteissä alkuaineelle, jolla on suurempi elektronegatiivisuus, annetaan sen varausta vastaava negatiivinen hapetusluku, jos se löytyy yksinkertaisista ioniyhdisteistä (esimerkiksi yhdisteessä PCl3 kloori on elektronegatiivisempi kuin fosfori. Yksinkertaisissa ioniyhdisteissä Cl: n ionivaraus on 1 -, joten sen hapetustila PCl3: ssa on -1)
4. Hapetuslukujen summa on nolla sähköisesti neutraalille yhdisteelle ja vastaa ionien kokonaisvarausta.
5. Alkalimetallien hapetustila yhdisteissä on vain +1.
6. Maa-alkalimetallien hapetustila yhdisteissä on vain +2.
kun Lewis-rakenteet on piirretty onnistuneesti, niiden avulla voidaan ennustaa molekyylien ja ionien elektronipilven geometria, molekyylimuoto ja napaisuus. Perusteellisen keskustelun saat oppikirjastasi. Erityisesti, katso 3-ulotteinen edustustot kaikkien geometrioiden ja muotoja.
elektronipilven geometria ja Molekyyligeometria
elektronipilven geometria keskusatomin ympärillä määräytyy sitä ympäröivien elektroniryhmien lukumäärän mukaan. Jokaisella joukolla (2, 3, 4, 5 ja 6) on eri nimi ja järjestely kolmiulotteisessa avaruudessa. Elektronipilvet, jotka kaikki ovat negatiivisia, ovat vakaimpia, kun ne on erotettu mahdollisimman kauas toisistaan. Tätä kutsutaan valenssikuoren elektroniparin repulsioteoriaksi (VSEPR). Siinä missä elektronipilvigeometria kuvaa elektronien suuntautumista keskusatomin ympärille, molekyyligeometria kuvaa perifeeristen atomien järjestelyä.
Koe
laboratoriossa teille esitetään kuusi molekyylimallia tuntemattomina. Sinun tehtäväsi on nimetä heidät. Sinua pyydetään myös määrittämään niiden elektronipari ja molekyyligeometriat mittaamalla niiden sidoskulmat astelevyllä. Laskentataulukko sisältää muita kysymyksiä, jotka on täytettävä kunkin molekyylin osalta. Sinun pitäisi tehdä viisi ylimääräistä kopiota laskentataulukosta käytettäväksi luokan aikana. Näitä laskentataulukoita käytetään sitten Lab-raporttisi dataosana.