Cách vẽ các cấu trúc Lewis ngoại trừ quy tắc bát tử

Cấu trúc Lewis là biểu diễn của các hợp chất hóa học dựa trên sự phân bố các electron hóa trị của các nguyên tử khác nhau tạo nên chúng. Các cấu trúc này dùng để dự đoán và giải thích cấu trúc của các hợp chất khác nhau, cũng như dạng hình học phân tử của chúng, dẫn đến những dự đoán quan trọng về độ phân cực, độ hòa tan, điểm nóng chảy và điểm sôi cũng như các tính chất quan trọng khác.

Trong một bài báo trước, chúng ta đã đề cập đến quy trình chi tiết để vẽ cấu trúc Lewis của các hợp chất có nguyên tử thỏa mãn quy tắc bát tử. Bài viết này tìm cách chỉ ra cách vẽ các cấu trúc Lewis trong các hợp chất không tuân theo quy tắc này vì một trong ba lý do khác nhau:

• Chúng có số electron lẻ.
• Họ có một octet không đầy đủ.
• Họ có một octet mở rộng.

Đánh giá quy trình vẽ cấu trúc Lewis

Như chúng ta đã thấy trong bài viết đầu tiên về cấu trúc Lewis, quy trình vẽ chúng bao gồm sáu bước. Dưới đây là một bản tóm tắt ngắn về các bước này và hầu hết được áp dụng với một số sửa đổi trong trường hợp hợp chất không tuân theo quy tắc bát tử.

• Bước 1: Đếm tổng số electron hóa trị. Bước này bao gồm việc nhân số lượng nguyên tử của từng loại với số lượng electron hóa trị trong nhóm của nó trên bảng tuần hoàn, sau đó trừ đi tổng điện tích của các loại hóa chất (trong trường hợp là ion).
• Bước 2: Viết công thức cấu tạo cơ bản của phân tử. Điều này có nghĩa là phân vùng các nguyên tử để gán kết nối giữa chúng. Điểm chung là nguyên tử có độ âm điện nhỏ nhất luôn nằm ở trung tâm (trừ khi đó là hydro) trong khi nguyên tử có độ âm điện lớn nhất nằm ở ngoại vi.
• Bước 3: Vẽ các liên kết cộng hóa trị đơn giữa tất cả các nguyên tử được liên kết với nhau. Nếu là hợp chất cộng hóa trị thì tất cả các nguyên tử phải có ít nhất một liên kết cộng hóa trị đơn với nguyên tử lân cận.
• Bước 4: Điền vào các octet với các electron hóa trị còn lại, bắt đầu với độ âm điện lớn nhất. Bước này tìm cách thỏa mãn quy tắc bát tử trước tiên đối với các nguyên tử có xu hướng giữ lại các electron lớn nhất là những nguyên tử có độ âm điện cao nhất.
• Bước 5: Hoàn thành bộ tám của nguyên tử trung tâm bằng cách hình thành liên kết pi nếu cần. Chỉ khi quy tắc bát tử được thỏa mãn đối với các nguyên tử có độ âm điện thì nó mới được coi là hoàn thành đối với các nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn. Nếu không còn electron để chia sẻ, thì điều này đạt được bằng cách chia sẻ một cặp electron từ nguyên tử lân cận với nguyên tử trung tâm.
• Bước 6: Tính phí chính thức. Một trong những tiêu chí ổn định quan trọng của cấu trúc Lewis là sự phân bố điện tích chính thức. Vì lý do này, luôn luôn nên xác định và rút ra cấu trúc điện tích hình thức của mỗi nguyên tử. Ngoài ra, tổng của tất cả các điện tích chính thức phải bằng điện tích thực của phân tử hoặc ion được đề cập, vì vậy đây là một cách thuận tiện để xác minh rằng cấu trúc có số lượng electron hóa trị chính xác. Công thức tính điện tích chính thức là CF=electron hóa trị – electron không dùng chung -1/2 electron dùng chung.

Ngoại lệ đối với quy tắc bát tử

Như có thể thấy trong phần trước, khi vẽ cấu trúc Lewis, tiêu chí chính cần tính đến khi phân phối các electron hóa trị là độ âm điện và quy tắc bát tử, được xác minh trong bước 4 và 5. Tuy nhiên, có những tình huống trong đó điều này là không thể, chẳng hạn như khi tổng số electron là số lẻ, khiến cho tất cả các nguyên tử không thể được bao quanh bởi 8 electron.

Một tình huống tương tự khác xảy ra khi số lượng electron hóa trị đơn giản là không đủ để hoàn thành bộ tám của tất cả các nguyên tử. Mặt khác, có những trường hợp có quá nhiều electron hóa trị và không thể vẽ một cấu trúc nhất quán mà không vi phạm quy tắc bát tử.

Dưới đây là ba ví dụ về cấu trúc Lewis trong đó quy tắc bát tử không được thỏa mãn và cách tiến hành trong những trường hợp như vậy.

số electron lẻ

Tình huống đơn giản nhất trong đó người ta thừa nhận rằng quy tắc bát tử không thể thực hiện được xảy ra khi có một số lẻ các electron. Một ví dụ về các hợp chất này là oxit nitric (NO) và nitơ dioxit (NO ₂ ). Hãy xem cấu trúc Lewis của phần thứ hai sẽ được vẽ như thế nào theo các bước được mô tả ở trên:

Bước 1:

Nitơ có 5 electron hóa trị và oxy có 6 nên tổng số electron hóa trị là 1 x ( 5 ) + 2 x ( 6 ) = 17 eV

Như có thể thấy, số lượng electron là số lẻ, do đó không thể hoàn thành bộ tám với ba nguyên tử của phân tử.

Bước 2:

Nitơ có độ âm điện nhỏ hơn oxy, do đó có thể xem xét cấu trúc trong đó nitơ ở trung tâm được bao quanh bởi hai nguyên tử oxy:

Bước 3:

Bây giờ chúng tôi đặt các liên kết đơn giữa mỗi oxy và nitơ.

Bước 4:

Cho đến nay, chúng tôi chỉ rút ra 4 electron hóa trị được tìm thấy trong hai liên kết sigma. Điều này có nghĩa là chúng ta vẫn còn 13 electron để chia sẻ giữa ba nguyên tử. Đầu tiên, chúng tôi hoàn thành bộ tám của hai oxy, mang 12 electron, vì vậy cái cuối cùng được đặt trên nitơ.

Bước 5:

Nitơ chỉ có 5 electron xung quanh nó, vì vậy nó có một octet rất không hoàn chỉnh. Bước tiếp theo là để một trong hai oxi nhường một cặp electron để tạo thành liên kết pi , do đó góp thêm hai electron. Điều này mang lại cho nitơ 7 electron, trong khi cả hai oxy đều có octet đầy đủ.

Có hai cấu trúc bổ sung trong đó oxy liên kết đơn từ bỏ một trong các electron của nó để hình thành, cùng với electron nitơ chưa ghép cặp, liên kết pi thứ hai giữa hai nguyên tử này. Tuy nhiên, những cấu trúc này có electron chưa ghép cặp và octet không hoàn chỉnh trên các nguyên tử oxy thay vì nitơ, điều này không thuận lợi.

Bước 6:

Việc tính toán điện tích chính thức được thực hiện cho mỗi nguyên tử có môi trường điện tử khác nhau, trong trường hợp này là cho cả ba nguyên tử:

CF _{Oxy liên kết đơn} = 6 – 6 – ½ x 2 = -1

CF _{Liên kết đôi oxy} = 6 – 4 – ½ x 4 = 0

CF _Nitơ = 5 – 1 – ½ x 6 = +1

Hình dưới đây cho thấy hai cấu trúc Lewis cuối cùng của nitơ điôxit.

octet không hoàn chỉnh

Nhiều hợp chất có một nguyên tử không hoàn thành bộ tám vì không có đủ electron hoặc vì việc hoàn thành nó không thuận lợi vì nó sẽ cung cấp điện tích dương cho một nguyên tử có độ âm điện cao. Ví dụ điển hình của trường hợp thứ nhất là boran (BH ₃ ) và trường hợp thứ hai là bo triflorua (BF ₃ ).

Hãy xem cấu trúc Lewis thứ hai được xây dựng như thế nào để minh họa các cấu trúc có một octet không đầy đủ mặc dù có đủ electron để hoàn thành chúng.

Bước 1:

Flo có 7 electron hóa trị và bo có 3 nên tổng số electron hóa trị là 3 x ( 7 ) + 1 x ( 3 ) = 24 eV

Bước 2:

Bo có độ âm điện nhỏ hơn flo, vì vậy một cấu trúc được đề xuất trong đó bo nằm ở trung tâm được bao quanh bởi ba nguyên tử flo:

Bước 3:

Bây giờ chúng tôi đặt các liên kết đơn giữa mỗi flo và boron.

Bước 4:

Chúng ta vẫn còn 18 electron hóa trị để chia sẻ (vì 6 trong số chúng ở dạng liên kết đơn). Chúng tôi sử dụng những thứ này để hoàn thành bộ tám tám cho ba nguyên tử flo có độ âm điện lớn nhất.

Bước 5:

Như có thể thấy, các nguyên tử flo đều có octet đầy đủ nhưng bo thì không. Trong bước này, chúng ta nên lấy một cặp electron không dùng chung từ bất kỳ nguyên tử nào trong số ba nguyên tử flo để tạo thành liên kết pi. Điều này sẽ dẫn đến ba cấu trúc cộng hưởng sẽ là:

Trong cả ba cấu trúc cộng hưởng, octet được thỏa mãn cho tất cả các nguyên tử có mặt, đây là mong muốn và là mục đích của bước 5. Tuy nhiên, trong bước tiếp theo, một vấn đề đáng kể phát sinh mà chúng tôi chưa giải quyết.

Bước 6:

Có ba loại nguyên tử khác nhau với các môi trường điện tử khác nhau, hai trong số đó là flo và loại thứ ba là nguyên tử boron:

CF _{Flo liên kết đơn} = 7 – 6 – ½ x 1 = 0

CF _{Liên kết đôi Flo} = 7 – 4 – ½ x 4 = +1

CF _Bo = 3 – 0 – ½ x 8 = -1

Hình dưới đây cho thấy ba cấu trúc cộng hưởng với các điện tích chính thức.

Vấn đề với những cấu trúc này là chúng đều có nguyên tử flo mang điện tích dương một phần trong khi bo mang điện tích âm. Xét rằng flo là nguyên tố có độ âm điện lớn nhất trong bảng tuần hoàn, boron rất khó có thể loại bỏ đủ mật độ electron để flo mang điện tích dương.

Vì lý do này, không cấu trúc nào trong số ba cấu trúc cộng hưởng này có bất kỳ cơ hội nào đại diện đầy đủ cho BF ₃ . Do đó, nhiều khả năng cấu trúc chính xác là cấu trúc mà chúng ta đã vẽ ở bước 3, có một boron với octet không hoàn chỉnh.

octet mở rộng

Cũng giống như có những trường hợp trong đó sự khác biệt về độ âm điện và điện tích hình thức làm cho các cấu trúc có octet không đầy đủ được ưu tiên hơn những cấu trúc tuân theo quy tắc này, điều tương tự cũng có thể xảy ra theo hướng ngược lại. Đôi khi, trong một hợp chất, tất cả các nguyên tử tuân theo quy tắc bát tử sau bước 3, nhưng khi tính toán các điện tích chính thức, chúng ta thấy một sự phân tách điện tích lớn có thể được làm nhẹ bằng cách hình thành các liên kết pi bổ sung, do đó bao quanh hợp chất. nhiều hơn 8 electron.

Kiểu vi phạm quy tắc bát tử này chỉ có thể xảy ra ở các nguyên tố từ chu kỳ thứ ba trở đi, vì cách duy nhất để mở rộng bát tử của nó là nếu nguyên tử vẫn còn quỹ đạo nguyên tử trống trong đó nó có thể chứa thêm các electron. Điều này chỉ xảy ra đối với các nguyên tử đã bỏ trống quỹ đạo d trong lớp vỏ hóa trị của chúng, và theo các quy tắc về số lượng tử , điều này chỉ có thể xảy ra đối với các nguyên tố có lớp vỏ hóa trị ở mức năng lượng thứ ba hoặc cao hơn.

Một ví dụ điển hình của tình trạng này là ion sulfat (SO ₄ ^2- ). Trong trường hợp này, cả oxy và lưu huỳnh đều có 6 electron hóa trị, vì vậy tổng số electron là 5 x ( 6 ) – (–2) = 32 eV , trong đó điện tích của ion bị trừ đi, là – 2.

Nếu chúng ta làm theo 6 bước để xây dựng cấu trúc của ion này, chúng ta sẽ nhận được kết quả như sau:

Mặc dù thực tế là trong cấu trúc này, tất cả các nguyên tử đều tuân theo quy tắc bát tử, nhưng vấn đề quan trọng nhất là có sự phân tách quá lớn của các điện tích hình thức. Trên thực tế, không chỉ tất cả các nguyên tử đều có điện tích chính thức khác không, mà cả nguyên tử lưu huỳnh trung tâm cũng có điện tích +2. Tất cả điều này làm cho cấu trúc này không ổn định đáng kể.

Tuy nhiên, vấn đề này có thể được giải quyết dễ dàng bằng cách xem xét rằng lưu huỳnh, vì nó thuộc chu kỳ thứ ba, có khả năng mở rộng octet của nó bằng các quỹ đạo 3d trống của nó. Ngày nay, người ta chấp nhận rằng cấu trúc thực tế của ion sunfat là sự lai cộng hưởng giữa tất cả các cấu trúc Lewis khác nhau có thể được xác định trong đó lưu huỳnh tạo thành hai liên kết đôi và hai liên kết đơn với các nguyên tử oxy, như thể hiện trong các cấu trúc sau:

Người giới thiệu

Nâu, T. (2021). Hóa học: Khoa học Trung tâm (tái bản lần thứ 11). Luân Đôn, Anh: Giáo dục Pearson.

Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Hóa học (tái bản lần thứ 10). Thành phố New York, NY: MCGRAW-HILL.

Các ngoại lệ đối với Quy tắc Octet. (2021, ngày 16 tháng 6). Lấy từ https://chem.libretexts.org/@go/page/25290

Đòn bẩy, ABP (1972). Cấu trúc Lewis và quy tắc bát tử. Một thủ tục tự động để viết các hình thức kinh điển. Tạp chí Giáo dục Hóa học , 49 (12), 819. Lấy từ https://sci-hub.do/https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed049p819

quang thông. (nd). Ngoại lệ đối với Quy tắc Octet | Hóa học cho người không chuyên. Lấy từ https://courses.lumenlearning.com/cheminter/chapter/Exceptionions-to-the-octet-rule/

Mott, V. (nd). Phân tử electron lẻ | Nhập môn Hóa học. Lấy từ https://courses.lumenlearning.com/introchem/chapter/odd-electron-molecules/