Tło
założeniem stojącym za strukturami Lewisa jest zasada oktetu: wszystkie atomy chciałyby być otoczone oktetem elektronów. Oczywiście istnieją pewne wyjątki: bardzo małe Atomy (H, Be I B) mają mniej niż oktet, a niektóre główne Atomy z orbitalami d o niskiej energii (P, S, Cl, Br I I) mogą mieć więcej niż oktet. Jest to szczególnie prawdziwe, gdy te atomy są atomami centralnymi i połączone z atomami wysoce elektroujemnymi.
rysowanie poprawnych struktur Lewisa wymaga praktyki, ale proces można uprościć wykonując serię kroków:
Krok 1. Policz wszystkie elektrony walencyjne dla każdego atomu. Dodawanie lub odejmowanie elektronów, jeśli struktura jest anionem lub kationem, odpowiednio.
Krok 2. Określ, które atomy są połączone ze sobą. Narysuj strukturę szkieletową.
Krok 3. Połącz Atomy z parą elektronów w każdym wiązaniu. Odjąć wiązania elektronów od całkowitej elektronów walencyjnych.
Krok 4. Dodaj pary elektronów, aby zakończyć oktety dla wszystkich atomów obwodowych przyłączonych do atomu centralnego. Uwaga na wodór-Wodór nigdy nie ma więcej niż jednego wiązania lub jednej pary elektronów
Krok 5. Umieść pozostałe elektrony na atomie centralnym, zwykle w parach. Reguła oktetu może zostać przekroczona dla P, S, Cl, Br lub I.
Krok 6. Jeśli ATOM centralny nie ma oktetu, tworzą wiązania podwójne lub potrójne, przesuwając pary elektronów z jednego lub więcej atomów obwodowych, aby uzyskać oktet.
Krok 7. Szukaj struktur rezonansowych poprzez zmianę wiązań. Struktura o najniższych całkowitych opłatach formalnych będzie najbardziej prawdopodobną formą, jaką można znaleźć w przyrodzie. (Patrz poniżej w celu wyjaśnienia)
rysowanie struktur Lewisa
spójrzmy na przykład, jak to działa przy użyciu rzeczywistej cząsteczki. Rozważ cząsteczkę najbardziej odpowiedzialną za efekt cieplarniany, dwutlenek węgla (CO2).
aby narysować strukturę Lewisa:
Krok 1. Policz wszystkie elektrony walencyjne dla każdego atomu:
węgiel 1 x 4 elektrony walencyjne = 4 elektrony
tlen 2 x 6 elektrony walencyjne = 12 elektronów
razem = 16 elektronów
Krok 2. Określ, które atomy są połączone ze sobą. Generalnie ATOM najmniejszy elektroujemny jest atom centralny. Jeśli jednak jedynym wyborem jest wybór pomiędzy bardziej elektroujemnym atomem a Wodorem, tym bardziej elektroujemnym będzie ATOM centralny (np. woda). Wodór nigdy nie tworzy więcej niż jednego wiązania i dlatego nigdy nie może być atomem centralnym.
dla CO2 węgiel jest atomem mniej elektroujemnym, więc powinien być atomem centralnym .
Krok 3. Połącz każdy atom z pojedynczą parą elektronów lub pojedynczym wiązaniem: (16 elektronów walencyjnych-4 elektrony wiążące = 12 elektronów w lewo.)
Krok 4. Dodaj pary elektronów do atomów obwodowych dla oktetów:
punkt 5. Nie ma elektronów, ale ATOM centralny nie ma oktetu!
Krok 6. Przenieś elektrony z atomów peryferyjnych, tworząc wiązania podwójne, aby dać ATOM centralny oktet:
Punkt 7. Szukać struktur rezonansowych i identyfikować te z najmniejszymi ładunkami formalnymi:
dla niektórych cząsteczek można narysować więcej niż jedną strukturę. Zauważ, że strukturę Lewisa dla dwutlenku węgla można zapisać za pomocą pojedynczego wiązania węgiel-tlen z jednej strony i wiązania potrójnego węgiel-tlen z drugiej. Jak można rozróżnić te dwie możliwości? W jaki sposób można wybrać najważniejszą strukturę, czy wszystkie są jednakowo prawdopodobne? Gdy można narysować kilka struktur, nazywa się je strukturami rezonansowymi.
struktury rezonansowe
w strukturach rezonansowych wszystkie atomy znajdują się w tej samej względnej pozycji względem siebie, ale rozkład elektronów wokół nich jest inny. Aby ocenić znaczenie każdej struktury, należy określić formalny ładunek na każdym atomie.
ładunek formalny
ładunek formalny jest nieco arbitralnym sposobem opisania, ile elektronów wydaje się mieć atom w danym związku. Zakłada się, że pary elektronów w wiązaniach między atomami są równo podzielone między dwa atomy. Niezwiązane pary elektronów są liczone jako należące do atomu, na którym się znajdują. Można to umieścić w równaniu:
lub
najbardziej stabilną strukturą rezonansową jest ta, w której:
1. Istnieje minimalna liczba formalnych opłat;
2. Jeśli istnieją formalne zarzuty, takie jak opłaty są oddzielone; i
3. Ujemne ładunki formalne są na atomach bardziej elektroujemnych, a dodatnie ładunki formalne na atomach mniej elektroujemnych.
dla struktury CO2 z dwoma wiązaniami podwójnymi opłaty formalne można obliczyć w następujący sposób:
Oxygens: zarzut formalny = 6 – (4 + 1/2(4)) = 0
węgiel: opłata Formalna = 4 – ( 0+ 1/2(8)) = 0
dla struktury CO2 z wiązaniem pojedynczym i potrójnym:
tlen (pojedynczy): ładunek formalny = 6 – (6 + 1/2(2)) = -1
tlen (potrójny): opłata Formalna = 6 – (4 + 1/2(6)) = +1
węgiel: opłata Formalna = 4 – ( 0+ 1/2(8)) = 0
tak więc, podczas gdy obie struktury działają jak struktury Lewisa, ta, która powoduje zerowe ładunki formalne dla dowolnego z atomów, jest bardziej stabilna i tym samym bardziej prawdopodobne, że istnieje w naturze niż ta, która ma ładunki na dwóch atomach tlenu.
liczby utleniania
należy odróżnić od liczb utleniania (które można również wyznaczyć na podstawie struktur Lewisa). Liczby utleniania są używane do wskazania, czy cząsteczka jest obojętna, bogata w elektrony lub uboga w elektrony. Zasady wyznaczania liczb utleniania znajdują się w podręczniku. Krótkie podsumowanie tych zasad znajduje się tutaj:
1. Liczba utleniania pierwiastka w jego postaci elementarnej wynosi 0 (dotyczy izolowanych atomów i pierwiastków cząsteczkowych, np. Cl2 i P4.,)
2. Liczba utleniania jonu jednoatomowego jest taka sama jak jego ładunek (np. liczba utleniania Na+ = +1, A Liczba utleniania S2 – wynosi -2.)
3. W związkach dwuskładnikowych pierwiastkowi o większej elektroujemności przypisuje się ujemną liczbę utlenienia równą jego ładunkowi, jeśli występuje w prostych związkach jonowych (np. w związku PCl3 chlor jest bardziej elektroujemny niż fosfor. W prostych związkach jonowych CL ma ładunek jonowy 1 -, więc jego stan utleniania w PCl3 wynosi -1)
4. Suma liczb utlenienia jest równa zeru dla związku obojętnego elektrycznie i równa się całemu ładunkowi dla gatunku jonowego.
5. Metale alkaliczne wykazują tylko stan utleniania +1 w związkach.
6. Metale ziem alkalicznych wykazują tylko stan utlenienia +2 w związkach.
po pomyślnym narysowaniu struktur Lewisa można je wykorzystać do przewidywania geometrii chmury elektronowej, kształtu molekularnego i polaryzacji cząsteczek i jonów. Szczegółowe omówienie można znaleźć w podręczniku. W szczególności, spójrz na 3-wymiarowe reprezentacje dla wszystkich geometrii i kształtów.
Geometria obłoku elektronowego i geometria molekularna
geometria obłoku elektronowego wokół atomu centralnego jest określona przez liczbę grup elektronowych otaczających go. Każdy zbiór (2, 3, 4, 5 i 6) ma inną nazwę i układ w przestrzeni trójwymiarowej. Chmury elektronowe, wszystkie ujemne, są najbardziej stabilne, gdy są oddzielone tak daleko od siebie, jak to możliwe. Nazywa się to teorią odpychania par elektronowych powłoki walencyjnej (VSEPR). Podczas gdy geometria chmury elektronowej opisuje orientację elektronów wokół atomu centralnego, geometria molekularna opisuje rozmieszczenie atomów peryferyjnych.
eksperyment
w laboratorium zostanie zaprezentowanych sześć modeli molekularnych jako Nieznane. Twoim zadaniem będzie ich nazwać. Zostaniesz również poproszony o określenie ich pary elektronowej i geometrii cząsteczkowej, mierząc kąty wiązania za pomocą kątomierza. Arkusz zawiera inne pytania, które należy wypełnić dla każdej z cząsteczek. Powinieneś zrobić pięć dodatkowych kopii arkusza do wykorzystania podczas zajęć. Te arkusze zostaną następnie wykorzystane jako sekcja danych raportu laboratoryjnego.