1.6: Структури Льюїса та офіційні звинувачення (огляд)

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22791

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Мета навчання

Малюйте, інтерпретуйте та перетворюйте між структурами Льюїса (Kekule), конденсованих та ліній зв'язку

Примітка: Огляд загальної хімії в розділах 1.3 - 1.6 інтегрований у вищезазначену ціль навчання з органічної хімії в розділах 1.7 та 1.8.

Льюїс Структури

Структури Льюїса, також відомі як діаграми точки Льюїса, показують зв'язок між атомами молекули та самотніми парами електронів у молекулі. Хоча спочатку може бути корисно писати окремі спільні електрони, цей підхід швидко стає незручним.

Одна лінія використовується для представлення однієї пари спільних електронів. Лінійні зображення використовуються лише для спільних електронів. Самотня пара (нерозділених) електрони все ще показані як окремі електрони. Подвійні та потрійні зв'язки також можуть бути пов'язані з лініями, як показано нижче.

2 спільних електрони утворюють єдиний зв'язок, показаний як «:» або «—»

4 спільних електрони утворюють подвійний зв'язок, показаний як ':' або '='

6 спільних електронів утворюються при потрійному зв'язку, показаному як ': ::' або Вейд 1.6 triple.svg

Нерозділені електрони також називаються «Самотніми парами» і відображаються як «:»

кілька bonds.jpg

Малювання самотніх пар

Оскільки електрони одинокої пари часто НЕ відображаються в хімічних структурах, важливо подумки додати самотні пари. На початку може бути корисно фізично додати самотні пари електронів.

самотні пари Льюїс struct.jpg

Шаблони склеювання

Для органічної хімії загальні схеми зв'язку вуглецю, кисню та азоту мають корисне застосування при оцінці хімічних структур та реакційної здатності.

нейтральне склеювання patterns.jpg

Офіційні збори

Органічні молекули також можуть мати позитивні або негативні заряди, пов'язані з ними. Під час хімічних реакцій зазвичай є реагент заряду, проміжні продукти та/або продукти. Розпізнавання та розрізнення нейтральних та заряджених моделей зв'язку буде корисним у вивченні механізмів реакції. Розглянемо структуру Льюїса метанолу, CH ₃ OH (метанол - це так званий «деревний спирт», який недобросовісні бутлеггери іноді продавали під час заборони днів у 1920-х, часто викликаючи людей, які пили його, осліпнуть). Сам метанол є нейтральною молекулою, але може втратити протон, щоб стати молекулярним аніоном (CH ₃ O ^-), або отримати протон, щоб стати молекулярним катіоном (CH ₃ OH ₂ ⁺⁾.

альт

Молекулярний аніон і катіон мають загальні заряди -1 і +1 відповідно. Але ми можемо бути більш конкретними, ніж це - ми також можемо констатувати для кожного молекулярного іона, що формальний заряд розташований саме на атомі кисню, а не на вуглеці або будь-якому з атомів водню.

З'ясування формального заряду на різних атомах молекули є простим процесом - це просто питання складання валентних електронів.

Незв'язаний атом кисню має 6 валентних електронів. Однак, коли він пов'язаний як частина молекули метанолу, атом кисню оточений 8 валентними електронами: 4 незв'язними електронами (дві «одинокі пари») та 2 електрони в кожній з двох його ковалентних зв'язків (один до вуглецю, один до водню). У офіційній конвенції про заряди ми говоримо, що кисень «володіє» усіма 4 незв'язними електронами. Однак він «володіє» лише одним електроном від кожної з двох ковалентних зв'язків, оскільки ковалентні зв'язки передбачають спільне використання електронів між атомами. Тому атом кисню в метанолі володіє 2 + 2 + (½ х 4) = 6 валентних електронів.

альт

Формальний заряд на атомі обчислюється як кількість валентних електронів, що належать ізольованому атому, мінус кількість валентних електронів, що належать зв'язаному атому в молекулі:

Визначення формального заряду на атомі

формальна плата =

(кількість валентних електронів, що належать ізольованому атому)

- (кількість валентних електронів, що належать зв'язаному атому)

або.

формальна плата =

(кількість валентних електронів, що належать ізольованому атому)

- (кількість незв'язних електронів на зв'язаному атомі)

- (½ числа зв'язкових електронів на зв'язаному атомі)

Використовуючи цю формулу атома кисню метанолу, ми маємо:

формальний заряд на кисень =

(6 валентних електронів на ізольованому атомі)

- (4 незв'язних електронів)

- (½ х 4 склеювальних електронів)

= 6 - 4 - 2 = 0. Таким чином, кисень в метанолі має формальний заряд нуля (іншими словами, він не має формального заряду).

Як щодо атома вуглецю в метанолі? Ізольований вуглець володіє 4 валентними електронами. Зв'язаний вуглець в метанолі володіє (½ х 8) = 4 валентних електронів:

альт

формальний заряд на вуглець =

(4 валентний електрон на ізольованому атомі)

- (0 незв'язних електронів)

- (½ х 8 склеювальних електронів)

= 4 - 0 - 4 = 0. Так що формальний заряд на вуглець дорівнює нулю.

Для кожного з воднів в метанолі ми також отримуємо формальний заряд в нуль:

формальний заряд на водні =

(1 валентний електрон на ізольованому атомі)

- (0 незв'язних електронів)

- (½ х 2 склеювальних електронів)

= 1 - 0 - 1 = 0

Тепер розглянемо катіонну форму метанолу, СН ₃ ОН ₂ ⁺. Картина зв'язку не змінилася ні для вуглецю, ні для будь-якого з атомів водню, тому ми зупинимося на атомі кисню.

альт

Кисень володіє 2 незв'язними електронами та 3 вибори зв'язку, тому формальні розрахунки заряду стають:

формальний заряд на кисень =

(6 валентних електронів в ізольованому атомі)

- (2 незв'язних електронів)

- (½ х 6 склеювальних електронів)

= 6 - 2 - 3 = 1. Формальний заряд +1 розташований на атомі кисню.

Для метоксиду, аніонної форми метанолу, розрахунок для атома кисню становить:

формальний заряд на кисень =

(6 валентних електронів в ізольованому атомі)

- (6 незв'язних електронів)

- (½ х 2 склеювальних електронів)

= 6 - 6 - 1 = -1. Формальний заряд -1 знаходиться на атомі кисню.

альт

Дуже важливе правило, яке слід пам'ятати, полягає в тому, що сума формальних зарядів на всіх атомах молекули повинна дорівнювати чистому заряду на всю молекулу.

При малюванні структур органічних молекул дуже важливо показати всі ненульові формальні заряди, будучи зрозумілим про те, де знаходяться заряди. Структура, в якій відсутні ненульові формальні збори, неправильно намальована, і, ймовірно, буде позначена як така на іспиті!

У цей момент, думаючи про те, що ви дізналися в загальній хімії, ви, мабуть, запитуєте: «А як щодо диполів? Хіба атом кисню в O-H зв'язку не «володіє» більшою щільністю електронів, ніж водень, через його більшу електронегативність?» Це абсолютно правильно, і ми розглянемо концепцію диполів зв'язку пізніше. Однак для обчислення формальних зарядів диполі зв'язку не мають значення - ми завжди вважаємо, що два електрони в зв'язку поділяються однаково, навіть якщо це не є точним відображенням хімічної реальності. Формальні заряди якраз такі - формальність, метод електронного обліку, який прив'язаний до системи Льюїса для малювання структур органічних сполук і іонів. Пізніше ми побачимо, як концепція формального заряду може допомогти нам візуалізувати, як реагують органічні молекули.

Нарешті, не заманюйте думати, що тільки тому, що чистий заряд на структурі дорівнює нулю, немає атомів з формальними зарядами: один атом може мати позитивний формальний заряд, а інший негативний формальний заряд, а чистий заряд все одно буде нульовим. Цвіттеріони, такі як амінокислоти, мають як позитивні, так і негативні формальні заряди на різних атомах:

альт

Незважаючи на те, що чистий заряд на гліцині дорівнює нулю, все одно необхідно показати розташування позитивних і негативних формальних зарядів.

Вправа 1.4

Заповніть всі відсутні одиночні пари електронів і формальні заряди в структурах нижче. Припустимо, що всі атоми мають повну валентну оболонку електронів. Чисті заряди показані поза дужками.

альт

Рішення вправ