1.6
يمكن استخدام رموز لويس للإشارة إلى تكوين الروابط التساهمية، والتي تظهر في هياكل لويس - وهي الرسومات التي تصف الترابط في الجزيئات والأيونات متعددة الذر…
هياكل لويس هي تمثيلات مبسطة للروابط الكيميائية بين الذرات. خذ بعين الاعتبار الإيثين ، حيث تحيط كل منهما ذرتان كربنيتان بأربعة إلكترونات تكافؤ بأربع ذرات هيدروجين لكل منهما إلكترون تكافؤ واحد. ومن ثم ، يحتوي الإيثين على إجمالي اثني عشر إلكترونا تكافؤا.
يتطلب الأمر أربعة وعشرين إلكترونا لإرضاء الثمانيات لذرتين كربنيتين والثنائيات لأربع ذرات هيدروجين. وبالتالي ، يجب تقاسم اثني عشر إلكترونا بين الذرات. مع توفر اثني عشر إلكترونا فقط ، يجب أن تكون جميعها إلكترونات مترابطة للسماح لجميع الذرات بالوصول إلى تكوين إلكتروني مستقر.
في بعض الأحيان ، لا تظهر الذرات في الهياكل متعددة الذرات العدد القياسي لإلكترونات التكافؤ. في مثل هذه الحالات ، ترتبط الشحنة الرسمية غير الصفرية ، F ، بالذرة الشاذة. الشحنة الرسمية تساوي عدد إلكترونات التكافؤ على الذرة المحايدة مطروحا منها عدد الروابط والإلكترونات غير المشتركة على تلك الذرة.
على سبيل المثال ، في أيون الأمونيوم ، تحتوي كل ذرة هيدروجين على إلكترون تكافؤ واحد في شكله المحايد ويتم ربطها برابطة واحدة ، مما ينتج عنه شحنة رسمية تساوي صفرا.
هذا يترك ذرة النيتروجين بأربعة إلكترونات تكافؤ بدلا من إلكترونات التكافؤ الخمسة المعتادة. نظرا لأنه يفتقد إلكترونا واحدا ، فإنه يحمل شحنة رسمية بمقدار واحد زائد. وبالتالي ، فإن الشحنة الإجمالية على أيون الأمونيوم هي واحد زائد.
تقلل التكوينات المستقرة بشكل عام من الرسوم الرسمية. بالنسبة لبعض العناصر الأكبر حجما ، يمكن توسيع الثماني بتات لمشاركة أكثر من ثمانية إلكترونات للوصول إلى تكوين به شحنات رسمية أقل.
على سبيل المثال ، يمكن لذرة الكبريت في ثالث أكسيد الكبريت أن تشكل روابط مفردة ومزدوجة مع ذرات الأكسجين المحيطة. ومع ذلك ، يفضل ترتيب الرابطة المزدوجة ، لأنه يقلل من الشحنة الرسمية الإجمالية على الذرة.
تشمل الاستثناءات الأخرى لقاعدة الثماني بتات المركبات الحاملة للبورون ، والتي تهدف إلى ستة إلكترونات مشتركة ، بدلا من ثمانية ، لأن تحقيق ثماني بتات يتطلب شحنة رسمية.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What are Lewis structures and why are they useful in chemistry?
Lewis structures are simplified representations of chemical bonds between atoms that show how valence electrons are distributed in molecules. They help visualize bonding patterns and electron arrangement, making it easier to understand molecular stability and reactivity. For example, in ethene, the Lewis structure reveals that all twelve available valence electrons must be shared as bonding electrons to satisfy the octet rule for carbon and the duet rule for hydrogen.
Q2: How do you calculate formal charge on an atom?
Formal charge equals the number of valence electrons in a neutral atom minus the number of lone pair electrons minus the number of bonds on that atom. For instance, in the ammonium ion, nitrogen has four valence electrons instead of its usual five, resulting in a formal charge of +1. This calculation helps identify which Lewis structure arrangement is most stable, as stable configurations generally minimize formal charges.
Q3: What is the difference between single, double, and triple bonds?
A single bond forms when one pair of electrons is shared between two atoms, as in chlorine molecules. A double bond involves two shared electron pairs, as between carbon and oxygen in formaldehyde. A triple bond consists of three shared electron pairs, as in carbon monoxide. Atoms form multiple bonds to achieve stable octets with fewer formal charges.
Q4: What are lone pairs and how do they appear in Lewis structures?
Lone pairs are electrons not used in bonding that belong to a single atom. In Lewis structures, they are typically shown as dots or pairs of dots around the atom symbol. For example, each chlorine atom in a Cl-Cl molecule has three lone pairs plus one shared pair in the single bond, giving each atom eight valence electrons and satisfying the octet rule.
Q5: Why do some atoms expand their octets beyond eight electrons?
Larger elements like sulfur can expand their octets to share more than eight electrons, reducing overall formal charges on the atom. In sulfur trioxide, sulfur forms both single and double bonds with oxygen atoms. The double bond arrangement is preferred because it minimizes formal charges, creating a more stable Lewis structure than configurations that strictly follow the traditional octet rule.
Q6: What is the relationship between valence electrons and bonding?
The number of valence electrons determines how many bonds an atom can form to reach a stable configuration. Group 17 elements need one electron and form one bond; group 16 elements need two electrons and form two bonds; carbon needs four electrons and forms four bonds. Understanding valence electrons allows prediction of bonding patterns and the number of bonds in molecules using the periodic table.
Q7: Why is formal charge a useful tool even though it doesn't represent actual charge?
Formal charge is a bookkeeping procedure that helps identify the most stable Lewis structure by comparing different bonding arrangements. The sum of formal charges in a neutral molecule must equal zero, and in ions must equal the ion's charge. This verification method ensures Lewis structures are drawn correctly and helps predict which resonance structures contribute most to the actual bonding in molecules.