Tabla de Contenidos
Structurile Lewis sunt reprezentări ale compușilor chimici bazate pe distribuția electronilor de valență a diferiților atomi care îi alcătuiesc. Aceste structuri servesc atât la prezicerea, cât și la explicarea structurilor diferiților compuși, precum și a geometriei moleculare a acestora, ceea ce duce la predicții importante despre polaritate, solubilitate, puncte de topire și fierbere și alte proprietăți importante.
Am tratat deja într-un articol anterior procedura detaliată pentru desenarea structurilor Lewis ale compușilor ai căror atomi îndeplinesc regula octetului. Această lucrare încearcă să arate cum se desenează structuri Lewis în compuși care nu respectă această regulă din unul dintre cele trei motive diferite:
- Au un număr impar de electroni.
- Au un octet incomplet.
- Au un octet extins.
Revizuirea procedurii de desenare a structurilor Lewis
După cum am văzut în primul nostru articol despre structurile Lewis, procedura de desenare a acestora constă din șase pași. Un scurt rezumat al acestor pași urmează și majoritatea se aplică, cu unele modificări, în cazurile în care compusul nu respectă regula octetului.
- Pasul 1: Numărați numărul total de electroni de valență. Acest pas presupune înmulțirea numărului de atomi de fiecare tip cu numărul de electroni de valență din grupul său de pe tabelul periodic și apoi scăderea sarcinii totale a speciei chimice (în cazul unui ion).
- Pasul 2: Scrieți structura fundamentală a moleculei. Aceasta înseamnă împărțirea atomilor pentru a atribui conectivitate între ei. Lucrul comun este că atomul cel mai puțin electronegativ este întotdeauna situat în centru (cu excepția cazului în care este hidrogen), în timp ce cei mai electronegativi sunt localizați la periferie.
- Pasul 3: Desenați legături covalente simple între toți atomii care sunt legați între ei. Dacă este un compus covalent, toți atomii trebuie să aibă cel puțin o singură legătură covalentă cu un atom vecin.
- Pasul 4: Completați octeții cu electronii de valență rămași, începând cu cei mai electronegativi. Acest pas urmărește să satisfacă regula octetului mai întâi pentru atomii cu cea mai mare tendință de a reține electronii care sunt cei cu cea mai mare electronegativitate.
- Pasul 5: Completați octetul atomului central formând legături pi dacă este necesar. Numai odată ce regula octetului a fost îndeplinită pentru atomii electronegativi este considerată completă pentru atomii mai puțin electronegativi. Dacă nu mai sunt electroni de împărțit, atunci acest lucru se realizează prin împărțirea unei perechi de electroni de la un atom vecin cu atomul central.
- Pasul 6: Calculați taxele formale. Unul dintre criteriile importante de stabilitate ale unei structuri Lewis este distribuția sarcinilor formale. Din acest motiv, este întotdeauna recomandabil să se determine și să se deseneze pe structură sarcina formală a fiecărui atom. În plus, suma tuturor sarcinilor formale trebuie să fie egală cu sarcina netă a moleculei sau ionului în cauză, deci este o modalitate utilă de a verifica dacă structura are numărul corect de electroni de valență. Formula pentru a calcula sarcina formală este CF=electroni de valență – electroni neîmpărțiți -1/2 electroni partajați.
Excepții de la regula octetului
După cum se poate observa în secțiunea anterioară, atunci când se desenează o structură Lewis, principalele criterii de luat în considerare la distribuirea electronilor de valență sunt electronegativitatea și regula octetului, care se verifică la pașii 4 și 5. Există însă situații în care acest lucru nu este posibil, cum ar fi atunci când numărul total de electroni este impar, ceea ce face imposibil ca toți atomii să fie înconjurați de 8 electroni.
O altă situație similară apare atunci când numărul de electroni de valență pur și simplu nu este suficient pentru a completa octetul tuturor atomilor. Pe de altă parte, există situații în care există prea mulți electroni de valență și nu poate fi desenată o structură coerentă fără a încălca regula octetului.
Mai jos sunt trei exemple de structuri Lewis în care regula octetului nu este îndeplinită și cum se procedează în astfel de cazuri.
număr impar de electroni
Cea mai simplă situație în care se recunoaște că regula octetului nu poate fi îndeplinită apare atunci când există un număr impar de electroni. Un exemplu de acești compuși sunt oxidul de azot (NO) și dioxidul de azot (NO2 ) . Să vedem cum ar fi trasată structura Lewis a celui de-al doilea urmând pașii descriși mai sus:
Pasul 1:
Azotul are 5 electroni de valență și oxigenul are 6, deci numărul total de electroni de valență este 1 x ( 5 ) + 2 x ( 6 ) = 17 eV
După cum se vede, numărul de electroni este impar, deci este imposibil să se completeze octetul cu cei trei atomi ai moleculei.
Pasul 2:
Azotul este mai puțin electronegativ decât oxigenul, așa că poate fi considerată o structură în care azotul este în centru înconjurat de cei doi atomi de oxigen:
Pasul 3:
Acum plasăm legături simple între fiecare oxigen și azot.
Pasul 4:
Până acum am desenat doar 4 electroni de valență care se găsesc în cele două legături sigma. Aceasta înseamnă că mai avem 13 electroni de împărțit între cei trei atomi. Mai întâi completăm octetul celor doi oxigeni, care poartă 12 electroni, deci ultimul este plasat pe azot.
Pasul 5:
Azotul are doar 5 electroni în jurul său, deci are un octet foarte incomplet. Următorul pas este ca unul dintre cei doi oxigeni să cedeze o pereche de electroni pentru a forma o legătură pi , contribuind astfel cu încă doi electroni. Acest lucru aduce azotul la 7 electroni, în timp ce ambii oxigeni au octeți plini.
Există două structuri suplimentare în care oxigenul cu o singură legătură renunță la unul dintre electronii săi pentru a forma, împreună cu electronul de azot nepereche, o a doua legătură pi între acești doi atomi. Cu toate acestea, aceste structuri au electronul nepereche și octetul incomplet pe atomii de oxigen în loc de azot, ceea ce este nefavorabil.
Pasul 6:
Calculul sarcinii formale se efectuează pentru fiecare atom care are un mediu electronic diferit, în acest caz, pentru toți cei trei atomi:
CF Oxigen cu o singură legătură = 6 – 6 – ½ x 2 = -1
CF Oxigen dublă legătură = 6 – 4 – ½ x 4 = 0
CF Azot = 5 – 1 – ½ x 6 = +1
Următoarea figură prezintă ultimele două structuri Lewis ale dioxidului de azot.
octeți incompleti
Mulți compuși au un atom care nu completează octetul fie pentru că nu sunt suficienți electroni, fie pentru că completarea acestuia este nefavorabilă, deoarece ar furniza o sarcină pozitivă unui atom extrem de electronegativ. Un exemplu tipic al primului caz este boranul (BH3 ) iar al doilea este trifluorura de bor (BF3 ) .
Să vedem cum este construită structura Lewis a celui de-al doilea pentru a ilustra structurile care au un octet incomplet, în ciuda faptului că au destui electroni pentru a le completa.
Pasul 1:
Fluorul are 7 electroni de valență și borul are 3, deci numărul total de electroni de valență este 3 x ( 7 ) + 1 x ( 3 ) = 24 eV
Pasul 2:
Borul este mai puțin electronegativ decât fluorul, așa că se propune o structură în care borul este în centru înconjurat de cei trei atomi de fluor:
Pasul 3:
Acum plasăm legături simple între fiecare fluor și bor.
Pasul 4:
Mai avem 18 electroni de valență rămași de împărțit (din moment ce 6 dintre ei sunt în legături simple). Le folosim pentru a completa octetul celor trei atomi de fluor care sunt cei mai electronegativi.
Pasul 5:
După cum se poate vedea, atomii de fluor au toți octetul lor complet, dar nu are borul. În acest pas, ar trebui să luăm o pereche de electroni neîmpărțiți de la oricare dintre cei trei atomi de fluor pentru a forma o legătură pi. Acest lucru ar duce la trei structuri de rezonanță care ar fi:
În toate cele trei structuri de rezonanță octetul este satisfăcut pentru toți atomii prezenți, ceea ce este de dorit și este scopul pasului 5. Cu toate acestea, în pasul următor apare o problemă considerabilă pe care încă nu am abordat-o.
Pasul 6:
Există trei tipuri diferite de atomi cu medii electronice diferite, două dintre ele fluor și al treilea atomul de bor:
CF Fluor cu legătură simplă = 7 – 6 – ½ x 1 = 0
CF Legătură dublă de fluor = 7 – 4 – ½ x 4 = +1
CF Bor = 3 – 0 – ½ x 8 = -1
Următoarea figură prezintă cele trei structuri de rezonanță cu sarcinile formale.
Problema acestor structuri este că toate au un atom de fluor cu o sarcină pozitivă parțială, în timp ce borul are o sarcină negativă. Având în vedere că fluorul este cel mai electronegativ element din tabelul periodic, este foarte dificil ca borul să poată elimina suficientă densitate de electroni pentru a lăsa fluorul cu sarcină pozitivă.
Din acest motiv, niciuna dintre aceste trei structuri de rezonanță nu are nicio șansă de a reprezenta în mod adecvat BF3 . În consecință, este mult mai probabil ca structura corectă să fie cea pe care am desenat-o la pasul 3, care are un bor cu octetul incomplet.
octeți extinși
Așa cum există cazuri în care diferențele de electronegativități și sarcini formale fac ca structurile cu octeți incompleti să fie preferate celor care respectă această regulă, același lucru se poate întâmpla în direcția opusă. Se întâmplă uneori ca, într-un compus, toți atomii să urmeze regula octetului după pasul 3, dar la calcularea sarcinilor formale vedem o separare mare a sarcinilor care poate fi ușurată prin formarea de legături pi suplimentare, înconjurând astfel compusul.atomul central cu mai mult de 8 electroni.
Acest tip de încălcare a regulii octetului poate apărea numai în elemente începând cu a treia perioadă, deoarece singura modalitate de a-și extinde octetul este dacă atomul are încă orbitali atomici neocupați în care poate găzdui electronii în plus. Acest lucru se întâmplă numai pentru atomii care au eliberat orbitalii d în învelișul lor de valență și, după regulile numerelor cuantice , acest lucru este posibil doar pentru elementele a căror înveliș de valență se află la al treilea nivel de energie sau mai mare.
Un exemplu tipic al acestei situații este ionul sulfat (SO42- ) . În acest caz, atât oxigenul, cât și sulful au fiecare câte 6 electroni de valență, deci numărul total de electroni este 5 x ( 6 ) – (–2) = 32 eV , de unde se scade sarcina ionului, care este – 2.
Dacă am urma cei 6 pași la literă pentru a construi structura acestui ion, am obține următoarele:
În ciuda faptului că în această structură toți atomii urmează regula octetului, cea mai importantă problemă este că există o separare prea mare a sarcinilor formale. De fapt, nu numai că toți atomii au sarcini formale diferite de zero, dar și atomul central de sulf are o sarcină +2. Toate acestea fac ca această structură să fie considerabil instabilă.
Cu toate acestea, această problemă poate fi rezolvată cu ușurință considerând că sulful, deoarece aparține perioadei a treia, are posibilitatea de a-și extinde octetul prin intermediul orbitalilor 3d gol. Astăzi se acceptă că structura reală a ionului sulfat este hibridul de rezonanță între toate structurile Lewis diferite care pot fi poziționate în care sulful formează două legături duble și două simple cu atomi de oxigen, așa cum se arată în următoarele structuri:
Referințe
Brown, T. (2021). Chimie: Știința Centrală (ed. a 11-a). Londra, Anglia: Pearson Education.
Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS și Herranz, ZR (2020). Chimie (ed. a 10-a). New York, NY: MCGRAW-HILL.
Excepții de la regula octetului. (2021, 16 iunie). Preluat de la https://chem.libretexts.org/@go/page/25290
Lever, ABP (1972). Structuri Lewis și regula octetului. O procedură automată pentru scrierea formelor canonice. Journal of Chemical Education , 49 (12), 819. Preluat de la https://sci-hub.do/https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed049p819
lumen. (nd). Excepții de la regula octetului | Chimie pentru non-majori. Preluat de la https://courses.lumenlearning.com/cheminter/chapter/exceptions-to-the-octet-rule/
Mott, V. (nd). Molecule de electroni impar | Introducere în Chimie. Preluat de la https://courses.lumenlearning.com/introchem/chapter/odd-electron-molecules/
