1.6
Symboli Lewisa można użyć do wskazania tworzenia wiązań kowalencyjnych, które pokazano na strukturach Lewisa - rysunkach opisujących wiązania w cząste…
Struktury Lewisa są uproszczonymi reprezentacjami wiązań chemicznych między atomami. Weźmy pod uwagę eten, w którym dwa atomy węgla z czterema elektronami walencyjnymi każdy są otoczone czterema atomami wodoru, z których każdy ma jeden elektron walencyjny. Stąd eten ma w sumie dwanaście elektronów walencyjnych.
Potrzeba dwudziestu czterech elektronów, aby zaspokoić oktety dla dwóch atomów węgla i duety dla czterech atomów wodoru. W ten sposób dwanaście elektronów musi być współdzielonych między atomami. Mając do dyspozycji tylko dwanaście elektronów, wszystkie muszą wiązać elektrony, aby umożliwić wszystkim atomom osiągnięcie stabilnej konfiguracji elektronicznej.
Czasami atomy w strukturach wieloatomowych nie wykazują standardowej liczby elektronów walencyjnych. W takich przypadkach niezerowy ładunek formalny, F, jest związany z anomalnym atomem. Ładunek formalny jest równy liczbie elektronów walencyjnych na atomie neutralnym pomniejszonej o liczbę wiązań i niewspółdzielonych elektronów na tym atomie.
Na przykład w jonie amonowym każdy atom wodoru ma jeden elektron walencyjny w postaci obojętnej i jest połączony pojedynczym wiązaniem, co daje ładunek formalny równy zero.
To pozostawia atom azotu z czterema elektronami walencyjnymi zamiast zwykłych pięciu elektronów walencyjnych. Ponieważ brakuje mu jednego elektronu, nosi formalny ładunek jeden z plusem. Zatem całkowity ładunek jonu amonowego jest jeden plus.
Stabilne konfiguracje na ogół minimalizują opłaty formalne. W przypadku niektórych większych pierwiastków oktet może zostać rozszerzony do więcej niż ośmiu elektronów, aby osiągnąć konfigurację z mniejszą liczbą ładunków formalnych.
Na przykład atom siarki w trójtlenku siarki może tworzyć zarówno pojedyncze, jak i podwójne wiązania z otaczającymi atomami tlenu. Jednak preferowany jest układ podwójnych wiązań, ponieważ zmniejsza ogólny ładunek formalny atomu.
Inne wyjątki od reguły oktetu obejmują związki zawierające bor, których celem jest sześć wspólnych elektronów, a nie osiem, ponieważ osiągnięcie oktetu wymaga formalnego ładunku.
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.