วิธีวาดโครงสร้างของ Lewis ด้วยข้อยกเว้นของกฎออกเตต

โครงสร้างของลูอิสเป็นตัวแทนของสารประกอบทางเคมีตามการกระจายของเวเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมต่างๆ ที่ประกอบกันขึ้น โครงสร้างเหล่านี้ใช้ในการทำนายและอธิบายโครงสร้างของสารประกอบต่างๆ ตลอดจนรูปทรงเรขาคณิตของโมเลกุล ซึ่งนำไปสู่การทำนายที่สำคัญเกี่ยวกับความเป็นขั้ว ความสามารถในการละลาย จุดหลอมเหลวและจุดเดือด และคุณสมบัติที่สำคัญอื่นๆ

เราได้กล่าวถึงขั้นตอนโดยละเอียดสำหรับการวาดโครงสร้าง Lewis ของสารประกอบที่อะตอมเป็นไปตามกฎออกเตตแล้วในบทความที่แล้ว บทความนี้พยายามที่จะแสดงวิธีการวาดโครงสร้างของลูอิสในสารประกอบที่ไม่เป็นไปตามกฎนี้ด้วยเหตุผลสามข้อที่แตกต่างกัน:

• มีอิเล็กตรอนเป็นเลขคี่
• พวกมันมีออคเต็ตที่ไม่สมบูรณ์
• พวกมันมีออคเต็ตที่ขยายออก

ทบทวนขั้นตอนการวาดโครงสร้าง Lewis

ดังที่เราเห็นในบทความแรกของเราเกี่ยวกับโครงสร้างของ Lewis ขั้นตอนการวาดประกอบด้วยหกขั้นตอน บทสรุปสั้นๆ ของขั้นตอนเหล่านี้ดังต่อไปนี้ และส่วนใหญ่จะนำไปใช้กับการปรับเปลี่ยนบางอย่าง ในกรณีที่สารประกอบไม่เป็นไปตามกฎออกเตต

• ขั้นตอนที่ 1: นับจำนวนเวเลนต์อิเล็กตรอนทั้งหมด ขั้นตอนนี้เกี่ยวข้องกับการคูณจำนวนอะตอมของแต่ละชนิดด้วยจำนวนเวเลนต์อิเล็กตรอนในกลุ่มของอะตอมในตารางธาตุ แล้วลบประจุทั้งหมดของชนิดสารเคมี (ในกรณีของไอออน)
• ขั้นตอนที่ 2: เขียนโครงสร้างพื้นฐานของโมเลกุล ซึ่งหมายถึงการแบ่งพาร์ติชันอะตอมเพื่อกำหนดการเชื่อมต่อระหว่างกัน สิ่งที่พบได้บ่อยคืออะตอมที่มีประจุไฟฟ้าลบน้อยที่สุดจะอยู่ตรงกลางเสมอ (เว้นแต่จะเป็นไฮโดรเจน) ในขณะที่อะตอมที่มีประจุไฟฟ้าลบมากที่สุดจะอยู่รอบนอก
• ขั้นตอนที่ 3: วาดพันธะโควาเลนต์เดี่ยวระหว่างอะตอมทั้งหมดที่เชื่อมโยงเข้าด้วยกัน ถ้าเป็นสารประกอบโควาเลนต์ อะตอมทั้งหมดต้องมีพันธะโควาเลนต์เดี่ยวกับอะตอมข้างเคียงอย่างน้อยหนึ่งพันธะ
• ขั้นตอนที่ 4: เติมเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่เหลือลงในออคเตต โดยเริ่มจากอิเล็กตรอนที่มีประจุลบมากที่สุด ขั้นตอนนี้พยายามที่จะตอบสนองกฎออกเตตก่อนสำหรับอะตอมที่มีแนวโน้มมากที่สุดที่จะรักษาอิเล็กตรอนไว้ ซึ่งเป็นอะตอมที่มีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี้สูงสุด
• ขั้นตอนที่ 5: ทำออคเต็ตของอะตอมกลางให้สมบูรณ์โดยสร้างพันธะ pi หากจำเป็น เมื่อกฎออกเตตได้รับการพึงพอใจสำหรับอะตอมที่มีประจุไฟฟ้าลบเท่านั้นจึงจะถือว่าสมบูรณ์สำหรับอะตอมที่มีประจุไฟฟ้าลบน้อยกว่า หากไม่มีอิเล็กตรอนให้แบ่งปันอีกต่อไป สามารถทำได้โดยการแบ่งปันอิเล็กตรอนคู่หนึ่งจากอะตอมข้างเคียงกับอะตอมกลาง
• ขั้นตอนที่ 6: คำนวณค่าใช้จ่ายอย่างเป็นทางการ หนึ่งในเกณฑ์ความมั่นคงที่สำคัญของโครงสร้าง Lewis คือการกระจายค่าใช้จ่ายอย่างเป็นทางการ ด้วยเหตุนี้จึงแนะนำให้กำหนดและวาดโครงสร้างที่เป็นประจุอย่างเป็นทางการของแต่ละอะตอม นอกจากนี้ ผลรวมของประจุที่เป็นทางการทั้งหมดจะต้องเท่ากับประจุสุทธิของโมเลกุลหรือไอออนที่เป็นปัญหา ดังนั้นจึงเป็นวิธีที่สะดวกในการตรวจสอบว่าโครงสร้างมีจำนวนเวเลนต์อิเล็กตรอนที่ถูกต้องหรือไม่ สูตรคำนวณประจุไฟฟ้าอย่างเป็นทางการคือ CF=เวเลนซ์อิเล็กตรอน – อิเล็กตรอนที่ไม่แบ่งใช้ -1/2 อิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกัน

ข้อยกเว้นของกฎออกเตต

ดังที่เห็นในหัวข้อที่แล้ว เมื่อวาดโครงสร้างลิวอิส เกณฑ์หลักที่ต้องพิจารณาเมื่อกระจายเวเลนซ์อิเล็กตรอนคืออิเล็กโทรเนกาติวิตีและกฎออกเตต ซึ่งได้รับการตรวจสอบในขั้นตอนที่ 4 และ 5 อย่างไรก็ตาม มีบางสถานการณ์ที่ สิ่งนี้เป็นไปไม่ได้ เช่น เมื่อจำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมดเป็นเลขคี่ ซึ่งทำให้เป็นไปไม่ได้ที่อะตอมทั้งหมดจะถูกล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอน 8 ตัว

อีกสถานการณ์หนึ่งที่คล้ายคลึงกันเกิดขึ้นเมื่อจำนวนของเวเลนซ์อิเล็กตรอนไม่เพียงพอที่จะทำให้อะตอมของอะตอมทั้งหมดสมบูรณ์ ในทางกลับกัน มีบางสถานการณ์ที่มีเวเลนต์อิเล็กตรอนมากเกินไปและไม่สามารถวาดโครงสร้างที่เชื่อมโยงกันได้โดยไม่ละเมิดกฎออกเตต

ด้านล่างนี้คือสามตัวอย่างโครงสร้างของลูอิสที่ไม่เป็นไปตามกฎออกเตต และวิธีดำเนินการในกรณีดังกล่าว

อิเล็กตรอนเป็นเลขคี่

สถานการณ์ที่ง่ายที่สุดที่รู้ว่ากฎออกเตตไม่สามารถทำได้เกิดขึ้นเมื่อมีอิเล็กตรอนเป็นจำนวนคี่ ตัวอย่างของสารประกอบเหล่านี้ ได้แก่ ไนตริกออกไซด์ (NO) และไนโตรเจนไดออกไซด์ (NO ₂ ) มาดูกันว่าโครงสร้าง Lewis ของวินาทีจะถูกวาดอย่างไรตามขั้นตอนที่อธิบายไว้ข้างต้น:

ขั้นตอนที่ 1:

ไนโตรเจนมีเวเลนต์อิเล็กตรอน 5 ตัว และออกซิเจนมี 6 ตัว ดังนั้นจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนทั้งหมดคือ1 x ( 5 ) + 2 x ( 6 ) = 17 eV

อย่างที่คุณเห็น จำนวนอิเล็กตรอนเป็นเลขคี่ ดังนั้นจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะเติมออคเตตให้สมบูรณ์ด้วยอะตอมทั้งสามของโมเลกุล

ขั้นตอนที่ 2:

ไนโตรเจนมีอิเล็กโทรเนกาติตีน้อยกว่าออกซิเจน ดังนั้นจึงสามารถพิจารณาโครงสร้างที่มีไนโตรเจนอยู่ตรงกลางล้อมรอบด้วยอะตอมออกซิเจนสองอะตอม:

ขั้นตอนที่ 3:

ตอนนี้เราวางพันธะเดี่ยวระหว่างออกซิเจนและไนโตรเจน

ขั้นตอนที่ 4:

จนถึงตอนนี้เราได้ดึงเวเลนต์อิเล็กตรอนเพียง 4 ตัวซึ่งพบในพันธะซิกมาสองตัว ซึ่งหมายความว่าเรายังมีอิเล็กตรอน 13 ตัวที่จะแบ่งปันระหว่างอะตอมทั้งสาม ก่อนอื่น เราทำออคเต็ตของออกซิเจนสองตัวซึ่งมีอิเล็กตรอน 12 ตัวให้สมบูรณ์ ดังนั้นตัวสุดท้ายจึงวางบนไนโตรเจน

ขั้นตอนที่ 5:

ไนโตรเจนมีอิเล็กตรอนเพียง 5 ตัวล้อมรอบ ดังนั้นจึงมีออคเตตที่ไม่สมบูรณ์มาก ขั้นตอนต่อไปคือให้ออกซิเจนหนึ่งในสองชนิดปล่อยอิเล็กตรอนคู่หนึ่งเพื่อสร้างพันธะไพซึ่งจะทำให้มีอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นอีกสองตัว สิ่งนี้ทำให้ไนโตรเจนมีอิเล็กตรอน 7 ตัวในขณะที่ออกซิเจนทั้งสองมีออคเตตเต็ม

มีโครงสร้างเพิ่มเติมอีก 2 โครงสร้างที่ออกซิเจนพันธะเดี่ยวทำให้อิเล็กตรอนตัวหนึ่งก่อตัวขึ้น ร่วมกับอิเล็กตรอนไนโตรเจนที่ไม่มีการจับคู่ ซึ่งเป็นพันธะพายที่สองระหว่างอะตอมทั้งสองนี้ อย่างไรก็ตาม โครงสร้างเหล่านี้มีอิเล็กตรอนที่ไม่เข้าคู่และออกเตตที่ไม่สมบูรณ์บนอะตอมของออกซิเจนแทนที่จะเป็นไนโตรเจน ซึ่งไม่เอื้ออำนวย

ขั้นตอนที่ 6:

การคำนวณประจุอย่างเป็นทางการนั้นดำเนินการสำหรับแต่ละอะตอมที่มีสภาพแวดล้อมทางอิเล็กทรอนิกส์ที่แตกต่างกัน ในกรณีนี้ สำหรับอะตอมทั้งสาม:

CF _{ออกซิเจนพันธะเดี่ยว} = 6 – 6 – ½ x 2 = -1

CF _{พันธะคู่ของออกซิเจน} = 6 – 4 – ½ x 4 = 0

_{ไนโตรเจน} CF = 5 – 1 – ½ x 6 = +1

รูปต่อไปนี้แสดงโครงสร้าง Lewis สองตัวสุดท้ายของไนโตรเจนไดออกไซด์

ออกเตตที่ไม่สมบูรณ์

สารประกอบจำนวนมากมีอะตอมที่ออกเตตไม่ครบ อาจเป็นเพราะมีอิเล็กตรอนไม่เพียงพอหรือเพราะการทำให้สมบูรณ์ไม่เป็นผลดีเนื่องจากจะทำให้เกิดประจุบวกบนอะตอมที่มีอิเล็กโทรเนกาตีฟสูง ตัวอย่างทั่วไปของกรณีแรกคือโบรอน (BH ₃ ) และตัวอย่างที่สองคือโบรอนไตรฟลูออไรด์ (BF ₃ )

มาดูกันว่าโครงสร้าง Lewis ของส่วนที่สองถูกสร้างขึ้นอย่างไรเพื่อแสดงให้เห็นโครงสร้างที่มีออคเตตที่ไม่สมบูรณ์แม้จะมีอิเล็กตรอนเพียงพอที่จะทำให้สมบูรณ์

ขั้นตอนที่ 1:

ฟลูออรีนมีเวเลนต์อิเล็กตรอน 7 ตัว และโบรอนมี 3 ตัว ดังนั้นจำนวนเวเลนต์อิเล็กตรอนทั้งหมดคือ3 x ( 7 ) + 1 x ( 3 ) = 24 eV

ขั้นตอนที่ 2:

โบรอนมีอิเล็กโทรเนกาติตีน้อยกว่าฟลูออรีน ดังนั้นจึงเสนอโครงสร้างที่โบรอนอยู่ตรงกลางล้อมรอบด้วยอะตอมฟลูออรีนสามอะตอม:

ขั้นตอนที่ 3:

ตอนนี้เราสร้างพันธะเดี่ยวระหว่างฟลูออรีนและโบรอนแต่ละชนิด

ขั้นตอนที่ 4:

เรายังมีเวเลนต์อิเล็กตรอนเหลืออยู่ 18 ตัวที่จะแบ่งปัน (เนื่องจาก 6 ตัวอยู่ในพันธะเดี่ยว) เราใช้สิ่งเหล่านี้เพื่อทำให้อะตอมของฟลูออรีนสมบูรณ์ 3 อะตอมที่มีอิเล็กโทรเนกาติตีมากที่สุด

ขั้นตอนที่ 5:

อย่างที่คุณเห็น อะตอมของฟลูออรีนทั้งหมดมีออกเตตเต็มที่ แต่โบรอนไม่มี ในขั้นตอนนี้ เราควรนำอิเล็กตรอนคู่ที่ไม่แบ่งปันจากอะตอมฟลูออรีนใดๆ ในสามอะตอมมาสร้างพันธะไพ ซึ่งจะส่งผลให้โครงสร้างเสียงสะท้อนสามแบบคือ:

ในโครงสร้างเรโซแนนซ์ทั้งสาม ออกเตตเป็นที่พอใจสำหรับอะตอมทั้งหมดที่มีอยู่ ซึ่งเป็นที่ต้องการและเป็นจุดประสงค์ของขั้นตอนที่ 5 อย่างไรก็ตาม ในขั้นตอนต่อไป มีปัญหามากมายเกิดขึ้นซึ่งเรายังไม่ได้แก้ไข

ขั้นตอนที่ 6:

มีอะตอมสามประเภทที่แตกต่างกันซึ่งมีสภาพแวดล้อมทางอิเล็กทรอนิกส์ต่างกัน ฟลูออรีนสองประเภทและอะตอมโบรอนที่สาม:

CF _{ฟลูออรีนพันธะเดี่ยว} = 7 – 6 – ½ x 1 = 0

CF _{ฟลูออรีนพันธะคู่} = 7 – 4 – ½ x 4 = +1

CF _{โบรอน} = 3 – 0 – ½ x 8 = -1

รูปต่อไปนี้แสดงโครงสร้างการสั่นพ้องทั้งสามด้วยประจุที่เป็นทางการ

ปัญหาของโครงสร้างเหล่านี้คือพวกมันทั้งหมดมีอะตอมของฟลูออรีนที่มีประจุบวกบางส่วนในขณะที่โบรอนมีประจุลบ เมื่อพิจารณาว่าฟลูออรีนเป็นธาตุที่มีประจุไฟฟ้าลบมากที่สุดในตารางธาตุ จึงเป็นเรื่องยากมากที่โบรอนจะสามารถกำจัดความหนาแน่นของอิเล็กตรอนได้มากพอที่จะเหลือฟลูออรีนที่มีประจุบวก

ด้วยเหตุนี้ โครงสร้างเรโซแนนซ์ทั้งสามนี้จึงไม่มีโอกาสที่จะเป็นตัวแทนของ BF ₃ อย่าง เพียงพอ ดังนั้น จึงเป็นไปได้มากว่าโครงสร้างที่ถูกต้องคือโครงสร้างที่เราวาดไว้ในขั้นตอนที่ 3 ซึ่งมีโบรอนที่มีออคเตตไม่สมบูรณ์

octets ขยาย

เช่นเดียวกับที่มีบางกรณีที่ความแตกต่างของอิเลคโตรเนกาติวิตีและประจุไฟฟ้าที่เป็นทางการทำให้โครงสร้างที่มีออคเตตไม่สมบูรณ์นั้นดีกว่าสิ่งที่เป็นไปตามกฎนี้ สิ่งเดียวกันนี้สามารถเกิดขึ้นได้ในทิศทางตรงกันข้าม บางครั้งมันเกิดขึ้นที่ในสารประกอบ อะตอมทั้งหมด เป็นไปตามกฎออกเตตหลังจากขั้นตอนที่ 3 แต่เมื่อคำนวณประจุอย่างเป็นทางการเราจะเห็นการแยกประจุขนาดใหญ่ซึ่งสามารถทำให้เบาลงได้โดยการสร้างพันธะ pi เพิ่มเติม ซึ่งล้อมรอบสารประกอบ อะตอมกลางด้วย อิเล็กตรอนมากกว่า 8 ตัว

การละเมิดกฎออกเตตประเภทนี้สามารถเกิดขึ้นได้เฉพาะในธาตุตั้งแต่คาบที่สามเป็นต้นไป เนื่องจากวิธีเดียวที่จะขยายออกเตตได้คือหากอะตอมยังมีออร์บิทัลอะตอมว่างซึ่งสามารถรองรับอิเล็กตรอนเพิ่มเติมได้ สิ่งนี้จะเกิดขึ้นเฉพาะกับอะตอมที่มีวงโคจร d ว่างในเวเลนซ์เชลล์ และตามกฎของเลขควอนตัมสิ่งนี้เป็นไปได้สำหรับธาตุที่มีเวเลนซ์เชลล์อยู่ในระดับพลังงานที่สามหรือสูงกว่าเท่านั้น

ตัวอย่างทั่วไปของสถานการณ์นี้คือ ซัลเฟตไอออน (SO ₄ ^2- ) ในกรณีนี้ ทั้งออกซิเจนและกำมะถันต่างมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 6 ตัว ดังนั้นจำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมดคือ5 x ( 6 ) – (–2) = 32 eVโดยที่ประจุของไอออนถูกหักออก ซึ่งก็คือ – 2

ถ้าเราทำตาม 6 ขั้นตอนในจดหมายเพื่อสร้างโครงสร้างของไอออนนี้ เราจะได้สิ่งต่อไปนี้:

แม้จะมีความจริงที่ว่าในโครงสร้างนี้อะตอมทั้งหมดเป็นไปตามกฎออกเตต แต่ปัญหาที่สำคัญที่สุดคือมีการแยกประจุอย่างเป็นทางการมากเกินไป ในความเป็นจริง ไม่เพียงแต่อะตอมทั้งหมดมีประจุอย่างเป็นทางการที่ไม่เป็นศูนย์เท่านั้น แต่อะตอมของกำมะถันส่วนกลางก็มีประจุ +2 ด้วย ทั้งหมดนี้ทำให้โครงสร้างนี้ไม่เสถียรอย่างมาก

อย่างไรก็ตาม ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้อย่างง่ายดายโดยพิจารณาว่ากำมะถันซึ่งอยู่ในคาบที่สามนั้นมีความเป็นไปได้ที่จะขยายออคเตตโดยใช้ออร์บิทัล 3 มิติที่ว่างเปล่า ปัจจุบัน เป็นที่ยอมรับกันว่าโครงสร้างที่แท้จริงของซัลเฟตไอออนเป็นลูกผสมเรโซแนนซ์ระหว่างโครงสร้างลิวอิสที่แตกต่างกันทั้งหมด ซึ่งวางตำแหน่งได้ซึ่งกำมะถันสร้างพันธะคู่และพันธะเดี่ยวสองพันธะกับอะตอมออกซิเจน ดังที่แสดงในโครงสร้างต่อไปนี้:

อ้างอิง

บราวน์ ที. (2564). เคมี: วิทยาศาสตร์กลาง (ฉบับที่ 11) ลอนดอน ประเทศอังกฤษ: เพียร์สัน เอดูเคชั่น.

Chang, R., Manzo, Á. ร. โลเปซ PS และเฮอร์รานซ์ ZR (2020) เคมี (ฉบับที่ 10) นครนิวยอร์ก รัฐนิวยอร์ก: MCGRAW-HILL

ข้อยกเว้นของกฎออกเตต (2564, 16 มิถุนายน). สืบค้นจากhttps://chem.libretexts.org/@go/page/25290

คันโยก, ABP (1972). โครงสร้างลูอิสและกฎออกเตต ขั้นตอนอัตโนมัติสำหรับการเขียนแบบฟอร์มบัญญัติ Journal of Chemical Education , 49 (12), 819. สืบค้นจากhttps://sci-hub.do/https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed049p819

ลูเมน (น). ข้อยกเว้นของกฎออกเตต | เคมีสำหรับผู้ที่ไม่ใช่วิชาเอก สืบค้นจากhttps://courses.lumenlearning.com/cheminter/chapter/exceptions-to-the-octet-rule/

Mott, V. (น.). โมเลกุลอิเล็กตรอนคี่ | เคมีเบื้องต้น. สืบค้นจากhttps://courses.lumenlearning.com/introchem/chapter/odd-electron-molecules/