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루이스 구조는 화합물을 구성하는 여러 원자의 원자가 전자 분포를 기반으로 한 화합물의 표현입니다. 이러한 구조는 서로 다른 화합물의 구조와 분자 구조를 예측하고 설명하는 역할을 하여 극성, 용해도, 녹는점 및 끓는점 및 기타 중요한 특성에 대한 중요한 예측으로 이어집니다.
우리는 이미 이전 기사 에서 원자가 옥텟 규칙을 만족하는 화합물의 루이스 구조를 그리는 자세한 절차를 다루었습니다. 이 논문은 다음 세 가지 이유 중 하나로 인해 이 규칙을 따르지 않는 화합물에서 루이스 구조를 그리는 방법을 보여주고자 합니다.
- 그들은 홀수의 전자를 가지고 있습니다.
- 그들은 불완전한 옥텟을 가지고 있습니다.
- 확장 옥텟이 있습니다.
루이스 구조를 그리는 절차 검토
루이스 구조에 대한 첫 번째 기사에서 보았듯이 구조를 그리는 절차는 6단계로 구성됩니다. 다음은 이러한 단계에 대한 간략한 요약이며, 화합물이 옥텟 규칙을 따르지 않는 경우 일부 수정과 함께 대부분 적용됩니다.
- 1단계: 총 원자가 전자 수를 센다. 이 단계는 각 유형의 원자 수에 주기율표의 원자가 전자 수를 곱한 다음 화학 종의 총 전하를 뺍니다(이온의 경우).
- 2단계: 분자의 기본 구조를 씁니다. 이는 원자를 분할하여 그들 사이에 연결성을 할당하는 것을 의미합니다. 일반적인 것은 전기 음성도가 가장 작은 원자는 항상 중앙에 위치하고(수소가 아닌 경우) 가장 전기 음성도가 큰 원자는 주변에 위치한다는 것입니다.
- 3단계: 함께 연결된 모든 원자 사이에 단일 공유 결합을 그립니다. 공유 결합 화합물인 경우 모든 원자는 이웃한 원자와 적어도 하나의 단일 공유 결합을 가져야 합니다.
- 4단계: 전기 음성도가 가장 큰 것부터 시작하여 나머지 원자가 전자로 옥텟을 채웁니다. 이 단계는 전기음성도가 가장 높은 전자를 유지하려는 경향이 가장 큰 원자에 대해 먼저 옥텟 규칙을 만족시키려고 합니다.
- 5단계: 필요한 경우 파이 결합을 형성하여 중심 원자의 옥텟을 완성합니다. 전기 음성도가 낮은 원자에 대해 옥텟 규칙이 충족되면 전기 음성도가 낮은 원자에 대해 완전한 것으로 간주됩니다. 더 이상 공유할 전자가 없으면 이웃 원자의 전자 쌍을 중심 원자와 공유함으로써 달성됩니다.
- 6단계: 정식 비용을 계산합니다. 루이스 구조의 중요한 안정성 기준 중 하나는 형식 전하의 분포입니다. 이러한 이유로 각 원자의 형식 전하를 구조에서 결정하고 그리는 것이 항상 권장됩니다. 또한 모든 형식 전하의 합은 해당 분자 또는 이온의 순 전하와 같아야 하므로 구조에 정확한 수의 원자가 전자가 있는지 확인하는 편리한 방법입니다. 공식 전하를 계산하는 공식은 CF = 원자가 전자 – 비공유 전자 – 1/2 공유 전자입니다.
옥텟 규칙의 예외
앞 절에서 알 수 있듯이 루이스 구조를 그릴 때 원자가 전자를 분포시킬 때 고려해야 할 주요 기준은 전기음성도와 4단계와 5단계에서 검증한 옥텟 규칙이다. 전자의 총 수가 홀수인 경우와 같이 모든 원자가 8개의 전자로 둘러싸이는 것이 불가능한 경우에는 불가능합니다.
또 다른 유사한 상황은 원자가 전자의 수가 모든 원자의 옥텟을 완성하기에 충분하지 않을 때 발생합니다. 반면에 원자가 전자가 너무 많아 옥텟 규칙을 위반하지 않고는 일관된 구조를 그릴 수 없는 상황이 있습니다.
다음은 옥텟 규칙이 만족되지 않는 루이스 구조의 세 가지 예와 이러한 경우에 진행하는 방법입니다.
홀수 전자
옥텟 규칙이 충족될 수 없다고 인식되는 가장 단순한 상황은 홀수의 전자가 있을 때 발생합니다. 이러한 화합물의 예는 산화질소(NO) 및 이산화질소(NO 2 )입니다. 위에서 설명한 단계에 따라 두 번째의 루이스 구조가 어떻게 그려지는지 봅시다.
1 단계:
질소에는 5개의 원자가 전자가 있고 산소에는 6개의 원자가 전자가 있으므로 총 원자가 전자 수는 1 x ( 5 ) + 2 x ( 6 ) = 17 eV
알 수 있듯이 전자의 수가 홀수이므로 분자의 세 원자로 옥텟을 완성하는 것은 불가능합니다.
2 단계:
질소는 산소보다 전기음성도가 낮으므로 두 개의 산소 원자로 둘러싸인 중심에 질소가 있는 구조를 고려할 수 있습니다.
3단계:
이제 각 산소와 질소 사이에 단일 결합을 배치합니다.
4단계:
지금까지 우리는 2개의 시그마 결합에서 발견되는 4개의 원자가 전자만을 그렸습니다. 이것은 우리가 여전히 3개의 원자 사이에서 공유할 13개의 전자를 가지고 있음을 의미합니다. 먼저 우리는 12개의 전자를 운반하는 두 개의 산소의 옥텟을 완성하므로 마지막 전자는 질소에 배치됩니다.
5단계:
질소는 주위에 전자가 5개뿐이므로 매우 불완전한 옥텟을 가지고 있습니다. 다음 단계는 두 개의 산소 중 하나가 파이 결합을 형성하기 위해 한 쌍의 전자를 포기하여 두 개의 전자를 더 제공하는 것입니다. 이것은 질소를 7개의 전자로 가져오며 두 산소 모두 완전한 옥텟을 갖습니다.
단일 결합 산소가 짝을 이루지 않은 질소 전자와 함께 이 두 원자 사이의 두 번째 파이 결합을 형성하기 위해 전자 중 하나를 포기하는 두 가지 추가 구조가 있습니다. 그러나 이러한 구조는 질소 대신 산소 원자에 짝을 이루지 않은 전자와 불완전한 옥텟을 가지므로 바람직하지 않습니다.
6단계:
형식 전하의 계산은 전자 환경이 다른 각 원자(이 경우 세 원자 모두)에 대해 수행됩니다.
CF 단일 결합 산소 = 6 – 6 – ½ x 2 = -1
CF 산소 이중 결합 = 6 – 4 – ½ x 4 = 0
CF 질소 = 5 – 1 – ½ x 6 = +1
다음 그림은 이산화질소의 마지막 두 루이스 구조를 보여줍니다.
불완전한 옥텟
많은 화합물에는 전자가 충분하지 않거나 전기 음성도가 높은 원자에 양전하를 제공하기 때문에 옥텟을 완성하지 못하는 원자가 있습니다. 첫 번째 경우의 전형적인 예는 보란(BH3 ) 이고 두 번째 경우는 삼불화붕소(BF3 ) 이다 .
완전한 전자를 가지고 있음에도 불구하고 불완전한 옥텟을 갖는 구조를 설명하기 위해 두 번째의 루이스 구조가 어떻게 만들어지는지 봅시다.
1 단계:
불소에는 7개의 원자가 전자가 있고 붕소에는 3개의 원자가 전자가 있으므로 총 원자가 전자 수는 3 x ( 7 ) + 1 x ( 3 ) = 24 eV
2 단계:
붕소는 불소보다 전기음성도가 낮으므로 3개의 불소 원자로 둘러싸인 중심에 붕소가 있는 구조가 제안됩니다.
3단계:
이제 각 불소와 붕소 사이에 단일 결합을 배치합니다.
4단계:
우리는 여전히 공유할 수 있는 18개의 원자가 전자가 남아 있습니다(그 중 6개가 단일 결합에 있기 때문에). 우리는 이것을 사용하여 가장 전기음성도가 큰 3개의 불소 원자에 대한 옥텟을 완성합니다.
5단계:
볼 수 있듯이 불소 원자는 모두 전체 옥텟을 갖지만 붕소는 그렇지 않습니다. 이 단계에서 우리는 파이 결합을 형성하기 위해 세 개의 불소 원자 중 하나에서 비공유 전자쌍을 가져와야 합니다. 이것은 다음과 같은 세 가지 공명 구조를 생성합니다.
세 가지 공진 구조 모두에서 존재하는 모든 원자에 대해 옥텟이 충족되며 이는 바람직하며 5단계의 목적입니다. 그러나 다음 단계에서 아직 해결하지 못한 상당한 문제가 발생합니다.
6단계:
서로 다른 전자 환경을 가진 세 가지 유형의 원자가 있습니다. 그 중 두 개는 불소이고 세 번째는 붕소 원자입니다.
CF 단일 결합 불소 = 7 – 6 – ½ x 1 = 0
CF 불소 이중 결합 = 7 – 4 – ½ x 4 = +1
CF 붕소 = 3 – 0 – ½ x 8 = -1
다음 그림은 형식 전하가 있는 세 가지 공진 구조를 보여줍니다.
이러한 구조의 문제점은 모두 부분적으로 양전하를 띤 불소 원자를 가지고 있는 반면 붕소는 음전하를 띤다는 것입니다. 불소가 주기율표에서 가장 전기음성도가 큰 원소라는 점을 고려할 때, 붕소가 양전하를 띤 불소를 남기기에 충분한 전자 밀도를 제거할 수 있는 것은 매우 어렵습니다.
이러한 이유로 이들 세 가지 공진 구조 중 어느 것도 BF 3 를 적절하게 나타낼 가능성이 없습니다 . 결과적으로 올바른 구조는 불완전한 옥텟을 가진 붕소가 있는 3단계에서 그린 구조일 가능성이 훨씬 더 높습니다.
확장 옥텟
전기 음성도와 형식 전하의 차이로 인해 이 규칙을 준수하는 구조보다 불완전한 옥텟 구조가 선호되는 경우가 있는 것처럼 반대 방향에서도 같은 일이 발생할 수 있습니다. 때때로 화합물에서 모든 원자가 3단계 후에 옥텟 규칙을 따르지만 형식 전하를 계산할 때 추가 파이 결합을 형성하여 화합물을 둘러싸는 큰 전하 분리를 볼 수 있습니다. 8개 이상의 전자.
이러한 유형의 옥텟 규칙 위반은 세 번째 기간 이후의 요소에서만 발생할 수 있습니다. 옥텟을 확장하는 유일한 방법은 원자가 여분의 전자를 수용할 수 있는 빈 원자 궤도를 여전히 가지고 있는 경우이기 때문입니다. 이것은 원자가 껍질에서 d 궤도를 비운 원자에 대해서만 발생하며 양자 수 의 규칙에 따라 이것은 원자가 껍질이 세 번째 에너지 수준 이상인 요소에 대해서만 가능합니다.
이러한 상황의 전형적인 예는 황산염 이온(SO 4 2- )입니다. 이 경우 산소와 황 모두 각각 6개의 원자가 전자를 가지므로 총 전자 수는 5 x (6 ) – (–2) = 32 eV 이며 여기서 이온의 전하를 빼면 – 2입니다.
이 이온의 구조를 구축하기 위해 문자까지 6단계를 따르면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.
이 구조에서 모든 원자가 옥텟 규칙을 따른다는 사실에도 불구하고 가장 중요한 문제는 형식 전하의 분리가 너무 크다는 것입니다. 실제로 모든 원자는 0이 아닌 형식 전하를 가질 뿐만 아니라 중앙 황 원자도 +2 전하를 가집니다. 이 모든 것이 이 구조를 상당히 불안정하게 만듭니다.
그러나 이 문제는 세 번째 주기에 속하는 유황이 빈 3d 오비탈을 통해 옥텟을 확장할 가능성이 있다는 점을 고려하면 쉽게 해결할 수 있습니다. 오늘날 황산염 이온의 실제 구조는 다음 구조에서 볼 수 있듯이 황이 산소 원자와 2개의 이중 결합과 2개의 단일 결합을 형성하는 모든 다른 루이스 구조 사이의 공명 혼성체라는 것이 받아들여지고 있습니다.
참조
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