Tabla de Contenidos
Структурите на Луис са представяния на химични съединения, базирани на разпределението на валентните електрони на различните атоми, които ги изграждат. Тези структури служат както за прогнозиране, така и за обяснение на структурите на различни съединения, както и на тяхната молекулярна геометрия, което води до важни прогнози за полярността, разтворимостта, точките на топене и кипене и други важни свойства.
Вече разгледахме в предишна статия подробната процедура за изчертаване на структурите на Люис на съединения, чиито атоми отговарят на правилото за октет. Тази статия се стреми да покаже как да начертаете структури на Луис в съединения, които не се подчиняват на това правило поради една от три различни причини:
- Те имат нечетен брой електрони.
- Те имат непълен октет.
- Имат разширен октет.
Преглед на процедурата за изчертаване на структури на Луис
Както видяхме в първата ни статия за структурите на Люис, процедурата за тяхното изчертаване се състои от шест стъпки. Следва кратко резюме на тези стъпки и повечето се прилагат, с някои модификации, в случаите, когато съединението не следва правилото на октета.
- Стъпка 1: Пребройте общия брой валентни електрони. Тази стъпка включва умножаване на броя на атомите от всеки тип по броя на валентните електрони в неговата група в периодичната таблица и след това изваждане на общия заряд на химическия вид (в случай на йон).
- Стъпка 2: Напишете основната структура на молекулата. Това означава разделяне на атомите, за да се присвои връзка между тях. Обичайното е, че най-малко електроотрицателният атом винаги е разположен в центъра (освен ако не е водород), докато най-електроотрицателните са разположени в периферията.
- Стъпка 3: Начертайте единични ковалентни връзки между всички атоми, които са свързани заедно. Ако е ковалентно съединение, всички атоми трябва да имат поне една единична ковалентна връзка със съседен атом.
- Стъпка 4: Попълнете октетите с останалите валентни електрони, като започнете с най-електроотрицателния. Тази стъпка се стреми да удовлетвори правилото за октета първо за атомите с най-голяма тенденция да задържат електрони, които са тези с най-висока електроотрицателност.
- Стъпка 5: Завършете октета на централния атом чрез образуване на pi връзки, ако е необходимо. Само след като октетното правило е изпълнено за електроотрицателни атоми, то се счита за пълно за по-малко електроотрицателни атоми. Ако няма повече електрони за споделяне, това се постига чрез споделяне на двойка електрони от съседен атом с централния атом.
- Стъпка 6: Изчислете официални такси. Един от важните критерии за стабилност на структурата на Луис е разпределението на формалните заряди. Поради тази причина винаги е препоръчително да се определи и начертае върху структурата формалния заряд на всеки атом. Освен това сумата от всички формални заряди трябва да е равна на нетния заряд на въпросната молекула или йон, така че това е удобен начин да се провери дали структурата има правилния брой валентни електрони. Формулата за изчисляване на формалния заряд е CF=валентни електрони – неподелени електрони -1/2 споделени електрони.
Изключения от правилото за октет
Както може да се види в предишния раздел, когато се чертае структура на Луис, основните критерии, които трябва да се вземат предвид при разпределянето на валентните електрони, са електроотрицателността и правилото за октет, което се проверява в стъпки 4 и 5. Въпреки това, има ситуации, в които това не е възможно, например когато общият брой електрони е нечетен, което прави невъзможно всички атоми да бъдат заобиколени от 8 електрона.
Друга подобна ситуация възниква, когато броят на валентните електрони просто не е достатъчен, за да завърши октета на всички атоми. От друга страна, има ситуации, при които има твърде много валентни електрони и не може да се начертае кохерентна структура, без да се наруши правилото за октета.
По-долу са дадени три примера за структури на Луис, в които правилото за октет не е изпълнено и как да се процедира в такива случаи.
нечетен брой електрони
Най-простата ситуация, в която се признава, че правилото за октет не може да бъде изпълнено, възниква, когато има нечетен брой електрони. Пример за тези съединения са азотен оксид (NO) и азотен диоксид (NO 2 ). Нека видим как ще бъде начертана структурата на Люис на втория, следвайки стъпките, описани по-горе:
Етап 1:
Азотът има 5 валентни електрона, а кислородът има 6, така че общият брой на валентните електрони е 1 x ( 5 ) + 2 x ( 6 ) = 17 eV
Както се вижда, броят на електроните е нечетен, така че е невъзможно да се завърши октетът с трите атома на молекулата.
Стъпка 2:
Азотът е по-малко електроотрицателен от кислорода, така че може да се разглежда структура, в която азотът е в центъра, заобиколен от двата кислородни атома:
Стъпка 3:
Сега поставяме единични връзки между всеки кислород и азот.
Стъпка 4:
Досега сме начертали само 4 валентни електрона, които се намират в двете сигма връзки. Това означава, че все още имаме 13 електрона, които да споделим между трите атома. Първо завършваме октета от двата кислорода, който носи 12 електрона, така че последният се поставя върху азота.
Стъпка 5:
Азотът има само 5 електрона около себе си, така че има много непълен октет. Следващата стъпка е един от двата кислорода да се откаже от двойка електрони, за да образува пи връзка , като по този начин допринася с още два електрона. Това довежда азота до 7 електрона, докато и двата кислорода имат пълни октети.
Има две допълнителни структури, в които кислородът с единична връзка отдава един от своите електрони, за да образува, заедно с несдвоения азотен електрон, втора пи връзка между тези два атома. Въпреки това, тези структури имат несдвоен електрон и непълен октет на кислородни атоми вместо на азот, което е неблагоприятно.
Стъпка 6:
Изчисляването на официалния заряд се извършва за всеки атом, който има различна електронна среда, в този случай и за трите атома:
CF Единична връзка кислород = 6 – 6 – ½ x 2 = -1
CF Кислородна двойна връзка = 6 – 4 – ½ x 4 = 0
CF Азот = 5 – 1 – ½ x 6 = +1
Следващата фигура показва последните две структури на Луис на азотен диоксид.
непълни октети
Много съединения имат атом, който не завършва октета или защото няма достатъчно електрони, или защото завършването му е неблагоприятно, тъй като би осигурило положителен заряд на много електроотрицателен атом. Типичен пример за първия случай е боранът (BH 3 ), а за втория е борният трифлуорид (BF 3 ).
Нека да видим как структурата на Люис на втората е построена, за да илюстрира структури, които имат непълен октет, въпреки че имат достатъчно електрони, за да ги завършат.
Етап 1:
Флуорът има 7 валентни електрона, а борът има 3, така че общият брой на валентните електрони е 3 x ( 7 ) + 1 x ( 3 ) = 24 eV
Стъпка 2:
Борът е по-малко електроотрицателен от флуора, така че се предлага структура, в която борът е в центъра, заобиколен от трите флуорни атома:
Стъпка 3:
Сега поставяме единични връзки между всеки флуор и бор.
Стъпка 4:
Все още имаме 18 валентни електрона, останали за споделяне (тъй като 6 от тях са в единични връзки). Използваме ги, за да завършим октета до трите флуорни атома, които са най-електроотрицателни.
Стъпка 5:
Както може да се види, всички флуорни атоми имат своя пълен октет, но борът не. В тази стъпка трябва да вземем несподелена двойка електрони от всеки от трите флуорни атома, за да образуваме пи връзка. Това ще доведе до три резонансни структури, които ще бъдат:
И в трите резонансни структури октетът е изпълнен за всички присъстващи атоми, което е желателно и е целта на стъпка 5. Въпреки това, в следващата стъпка възниква значителен проблем, който все още не сме разгледали.
Стъпка 6:
Има три различни вида атоми с различни електронни среди, два от тях флуор, а третият атом бор:
CF Единична връзка флуор = 7 – 6 – ½ x 1 = 0
CF Флуорна двойна връзка = 7 – 4 – ½ x 4 = +1
CF бор = 3 – 0 – ½ x 8 = -1
Следващата фигура показва трите резонансни структури с формалните заряди.
Проблемът с тези структури е, че всички те имат флуорен атом с частичен положителен заряд, докато борът има отрицателен заряд. Като се има предвид, че флуорът е най-електроотрицателният елемент в периодичната таблица, за бора е много трудно да успее да премахне достатъчна електронна плътност, за да остави флуора с положителен заряд.
Поради тази причина никоя от тези три резонансни структури няма никакъв шанс да представи адекватно BF 3 . Следователно, много по-вероятно е правилната структура да е тази, която начертахме в стъпка 3, която има бор с непълния октет.
разширени октети
Точно както има случаи, в които разликите в електроотрицателностите и формалните заряди правят структурите с непълни октети предпочитани пред тези, които отговарят на това правило, същото може да се случи и в обратната посока. Понякога се случва в едно съединение всички атоми да следват октетното правило след стъпка 3, но при изчисляване на формалните заряди виждаме голямо разделяне на зарядите, което може да бъде облекчено чрез образуване на допълнителни pi връзки, като по този начин обгражда съединението. централен атом с повече от 8 електрона.
Този тип нарушение на октетното правило може да се случи само в елементи от третия период нататък, тъй като единственият начин да се разшири неговият октет е, ако атомът все още има незаети атомни орбитали, в които може да побере допълнителните електрони. Това се случва само за атоми, които са освободили d орбитали в своята валентна обвивка и, по правилата на квантовите числа , това е възможно само за елементи, чиято валентна обвивка е на трето енергийно ниво или по-високо.
Типичен пример за тази ситуация е сулфатният йон (SO 4 2- ). В този случай и кислородът, и сярата имат по 6 валентни електрона, така че общият брой на електроните е 5 x ( 6 ) – (–2) = 32 eV , където зарядът на йона се изважда, което е – 2.
Ако следваме 6-те стъпки до буквата, за да изградим структурата на този йон, ще получим следното:
Въпреки факта, че в тази структура всички атоми следват правилото на октета, най-важният проблем е, че има твърде голямо разделение на формалните заряди. Всъщност не само всички атоми имат формални заряди, различни от нула, но и централният серен атом има +2 заряд. Всичко това прави тази структура значително нестабилна.
Този проблем обаче може лесно да бъде решен, като се има предвид, че сярата, тъй като принадлежи към третия период, има възможността да разшири своя октет посредством своите празни 3d орбитали. Днес се приема, че действителната структура на сулфатния йон е резонансният хибрид между всички различни структури на Луис, които могат да бъдат поставени, в които сярата образува две двойни и две единични връзки с кислородни атоми, както е показано в следните структури:
Препратки
Браун, Т. (2021). Химия: Централната наука (11-то издание). Лондон, Англия: Pearson Education.
Чанг, Р., Манзо, А. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Химия (10-то издание). Ню Йорк, Ню Йорк: MCGRAW-HILL.
Изключения от правилото за октетите. (2021, 16 юни). Извлечено от https://chem.libretexts.org/@go/page/25290
Левър, ABP (1972). Структури на Луис и правилото на октета. Автоматична процедура за писане на канонични форми. Journal of Chemical Education , 49 (12), 819. Извлечено от https://sci-hub.do/https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed049p819
лумен. (nd). Изключения от правилото за октетите | Химия за неспециалисти. Извлечено от https://courses.lumenlearning.com/cheminter/chapter/exceptions-to-the-octet-rule/
Мот, В. (nd). Молекули с нечетни електрони | Въведение в химията. Извлечено от https://courses.lumenlearning.com/introchem/chapter/odd-electron-molecules/
