1.6
ניתן להשתמש בסימנים של לואיס כדי לציין את היווצרותם של קשרים קוולנטיים, המוצגים במבני לואיס - רישומים המתארים את הקשר במולקולות וביונים רב-אטומיים. ני…
מבני לואיס הם ייצוגים פשוטים של קשרים כימיים בין אטומים. ניקח לדוגמה אתן, שבו שני אטומי פחמן בעלי ארבעה אלקטרונים ערכיים מוקפים כל אחד בארבעה אטומי מימן בעלי אלקטרון ערכיות אחד כל אחד. לפיכך, לאתן יש בסך הכל שנים עשר אלקטרונים ערכיים.
נדרשים עשרים וארבעה אלקטרונים כדי לספק את השמיניות לשני אטומי פחמן ואת הדואטים לארבעה אטומי מימן. לפיכך, שנים עשר אלקטרונים חייבים להיות משותפים בין האטומים. עם רק שנים עשר אלקטרונים זמינים, כולם חייבים להיות אלקטרונים קושרים כדי לאפשר לכל האטומים להגיע לתצורה אלקטרונית יציבה.
לפעמים, אטומים במבנים פוליאטומיים אינם מציגים את המספר הסטנדרטי של אלקטרונים ערכיים. במקרים כאלה, מטען פורמלי שאינו אפס, F, קשור לאטום החריג. המטען הצורני שווה למספר אלקטרונים ערכיים על האטום הנייטרלי פחות מספר הקשרים והאלקטרונים הבלתי משותפים על אותו אטום.
לדוגמה, ביון האמוניום, לכל אטום מימן יש אלקטרון ערכיות אחד בצורתו הניטרלית והוא קשור בקשר יחיד, המניב מטען פורמלי של אפס.
זה משאיר את אטום החנקן עם ארבעה אלקטרונים ערכיים במקום חמשת אלקטרונים הערכיות הרגילים שלו. מכיוון שחסר לו אלקטרון אחד, הוא נושא מטען פורמלי של אחד פלוס. לפיכך, המטען הכולל על יון האמוניום הוא אחד פלוס.
תצורות יציבות בדרך כלל ממזערות חיובים רשמיים. עבור יסודות גדולים יותר, ניתן להרחיב את השמינייה כך שתחלוק יותר משמונה אלקטרונים כדי להגיע לתצורה עם פחות מטענים צורניים.
לדוגמה, אטום הגופרית בתלת-תחמוצת הגופרית יכול ליצור קשרים יחידים וכפולים עם אטומי החמצן שמסביב. עם זאת, הסדר הקשר הכפול עדיף, שכן הוא מפחית את המטען הפורמלי הכולל על האטום.
חריגים אחרים לכלל השמינייה כוללים תרכובות נושאות בור, שמטרתן שישה אלקטרונים משותפים, ולא שמונה, מכיוון שהשגת שמינייה דורשת מטען פורמלי.
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.