Οι χημικοί δεσμοί και οι
δομές Lewis Gilbert Newton Lewis American physical chemist 1875-1946
Επιμέλεια: Διογένης Κοσμόπουλος 2ο ΓΕΛ Αργυρούπολης. 1
Γιατί γίνονται χημικοί δεσμοί; Ο σχηματισμός χημικού δεσμού οδηγεί το σύστημα σε σταθερότερη κατάσταση, με ταυτόχρονη μείωση της ενέργειας του συστήματος.
Σε ορισμένες περιπτώσεις, είναι δυνατόν να αυξάνεται η ενέργεια του συστήματος, όταν το σύστημα οδηγείται σε μεγαλύτερη αταξία (εντροπία).
2
δεσμών. Τα άτομα συμμετέχουν στις χημικές μεταβολές με αποτέλεσμα να σχηματίζονται: μόρια στοιχείων (Η2 ,O2) μόρια χημικών ενώσεων (H2O, Η2SO4) μονατομικά ιόντα (Cl-, S-2, K+) πολυατομικά ιόντα (NO3-, NH4+)
3
Τα ηλεκτρόνια σθένους. Στο σχηματισμό χημικού δεσμού συμμετέχουν τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στιβάδας που ονομάζονται ηλεκτρόνια σθένους. Το πλήθος των ηλεκτρονίων σθένους καθορίζεται από την ηλεκτρονική δομή του ατόμου και ταυτίζεται με την Α ομάδα του περιοδικού πίνακα. π.χ. Το μαγνήσιο (Mg) με ατομικό αριθμό Ζ=12 έχει δομή ανά στιβάδα: Κ2L8M2 άρα έχει 2 ηλεκτρόνια σθένους και ανήκει στην ΙIΑ ομάδα του περιοδικού πίνακα.
Το θείο(S) με ατομικό αριθμό Ζ=16 έχει δομή ανά στιβάδα: Κ2L8M6 άρα έχει 6 ηλεκτρόνια σθένους και ανήκει στην VIΑ ομάδα του περιοδικού πίνακα.
4
Lewis Οι δομές Lewis είναι μοντέλα που μας δίνουν την κατανομή των ηλεκτρονίων μόνο της εξωτερικής στιβάδας των ατόμων . Στα μοντέλα, το κάθε άτομο στοιχείου αντιπροσωπεύεται από το σύμβολο του και περιβάλλεται από τα σημεία (κουκίδες) που αντιπροσωπεύουν τα ηλεκτρόνια. Όταν τα ηλεκτρόνια σθένους ενός ελεύθερου ατόμου είναι μέχρι τέσσερα τότε είναι μονήρη (μοναχικά) ηλεκτρόνια, ενώ τα περισσότερα από τέσσερα ηλεκτρόνια σχηματίζουν ζεύγη ηλεκτρονίων. 5
Μοντέλα ατομικών δομών Lewis ομάδες 1A
2A
3A
4A
5A
6A
7A
H
8A
He
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
K
Ca
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
s1
s2
s2p1
s2p2
s2p3
s2p4
s2p5
s2p6
ηλεκτρόνιο σθένους 6
Τα μοντέλα Lewis εναρμονίζονται με σύγχρονη ηλεκτρονική δομή; Στο άτομο του άνθρακα με δομή 1s2, 2s2, 2p2, τα 4 ηλεκτρόνια σθένους έχουν την παρακάτω διαμόρφωση, απ’ όπου φαίνεται ότι έχουν 2 μονήρη ηλεκτρόνια :
2s2
2px1
2py1
2pz0
Όμως στη δομή Lewis έχουμε 4 μονήρη ηλεκτρόνια σθένους.
C Η παραφωνία αυτή (και όχι μόνο) αντιμετωπίστηκε με την θεωρία των υβριδικών τροχιακών.
7
Κανόνας οκτάδας στο σχηματισμό των δεσμών. Τα άτομα κατά τον σχηματισμό δεσμών, μεταφέρουν ή συνεισφέρουν τα ηλεκτρόνια σθένους έτσι ώστε να τείνουν να αποκτήσουν ηλεκτρονική δομή όμοια με εκείνη των ευγενών αερίων, δηλαδή 8 ηλεκτρόνια στην εξωτερική στιβάδα πλην της στιβάδας Κ που συμπληρώνεται με 2 ηλεκτρόνια.
8
Τύποι δεσμών ιοντικός
μεταφορά e
ομοιοπολικός
ημιπολικός
αμοιβαία συνεισφορά e
μονομερής εισφορά e
κοινά ζεύγη e
Ανεξάρτητα ιόντα
μη πολικό μόριο
πολικό μόριο
9
Μέθοδος εύρεσης δομών Lewis. •Με την μέθοδο αυτή ακολουθούμε συγκεκριμένα βήματα που δίνουν εύκολα και γρήγορα την δομή Lewis στα περισσότερα μόρια ή πολυατομικά ιόντα. •Η μέθοδος μειονεκτεί στο ότι δεν διακρίνουμε άμεσα την τυχόν ύπαρξη των ημιπολικών δεσμών. Τα βήματα αυτά (με ταυτόχρονη παρουσίαση ως παραδείγματος το CO2) είναι τα εξής: 10
1 ο ,2 o 1. Από την ηλεκτρονική δομή ή την Α ομάδα του περιοδικού πίνακα καθορίζουμε τα ηλεκτρόνια σθένους στο κάθε άτομο . To άτομο 6C έχει δομή 1s22s22p2 ,άρα έχει 4 ηλεκτρόνια σθένους. To άτομο 8O έχει 1s22s22p4 , άρα έχει 6 ηλεκτρόνια σθένους.
2. Υπολογίζουμε το συνολικό αριθμό ηλεκτρονίων σθένους. Αν έχουμε ανιόν ή κατιόν προσθέτουμε ή αφαιρούμε αντίστοιχα αριθμό e ίσο με το φορτίο του ιόντος. 1C 4e 2Ο 12e
σύνολο 16e 11
3ο 3. Βρίσκουμε το κεντρικό άτομο που είναι συνήθως το άτομο με την μικρότερη ηλεκτραρνητικότητα (πλην του Η). Ενώνουμε με απλούς δεσμούς το κεντρικό άτομο με τα άλλα άτομα σχηματίζοντας τον σκελετό του μορίου.
•
Αν υπάρχουν άτομα Η η αλογόνων τοποθετούνται ως εξωτερικά περιφερειακά άτομα στον σκελετό του μορίου ή του πολυατομικού ιόντος.
12
4ο 4. Υπολογίζουμε τα μη δεσμικά ηλεκτρόνια και συμπληρώνουμε με αυτά τις εξωτερικές στιβάδες με 8e αρχίζοντας από τα περιφερειακά άτομα. Συνολικά είχαμε 16e, έχουμε 2⋅ 2 = 4 δεσμικά e. Έτσι έχουμε ακόμα 16e - 4e = 12e
O C O •
Αν περισσέψουν e συμπληρώνουμε την οκτάδα του κεντρικού ατόμου. 13
5ο 5. Ελέγχουμε αν το κεντρικό άτομο απόκτησε δομή «8e» σθένους. Αν όχι, χρησιμοποιούμε κατάλληλο πλήθος μη δεσμικών ζευγών ηλεκτρονίων για να σχηματίσουμε πολλαπλούς δεσμούς ώστε το κεντρικό άτομο να αποκτήσει δομή «8e»
O C O
O C O
14
Lewis. 1. Υπολογίζουμε τον συνολικό αριθμό e σθένους.
2. Σχεδιάζουμε με απλούς δεσμούς τον σκελετό του μορίου.
3. Συμπληρώνουμε με τα μη δεσμικά ηλεκτρόνια τις στιβάδες σθένους ξεκινώντας από τα περιφερειακά άτομα.
6. προσπαθούμε ξανά.
4. Ελέγχουμε αν αποκτήθηκαν οι δομές των ευγενών αερίων (προσθέτουμε πολλαπλούς δεσμούς αν είναι απαραίτητο) 5. Ελέγχουμε αν είναι αποδεκτή η τελική μορφή.
αν δεν είναι
15
Παράδειγμα εύρεσης δομής Lewis στο όξινο φωσφορικό ( HΡO 4 -2 ) ιόν. (1/4) Ρ: Κ2L8M5 Υπολογίζουμε τον συνολικό αριθμό e σθένους.
Η: Κ1
Ο: Κ2L6 1e+5e+4⋅ 6e+2e = 32e ηλεκτρικό φορτίο ιόντος
16
Παράδειγμα εύρεσης δομής Lewis στο όξινο φωσφορικό ( HΡO 4 -2 ) ιόν. (2/4)
-2 Σχεδιάζουμε με απλούς δεσμούς τον σκελετό του ιόντος.
17
Παράδειγμα εύρεσης δομής Lewis στο όξινο φωσφορικό ( HΡO 4 -2 ) ιόν. (3/4) σύνολο e
μη δεσμικά e = 32e-5⋅ 2e = 22e δεσμικά e -2
••
••
••
••
••
••
••
••
Συμπληρώνουμε με τα μη δεσμικά ηλεκτρόνια τις στιβάδες σθένους ξεκινώντας από τα περιφερειακά άτομα.
••
••
••
18
Παράδειγμα εύρεσης δομής Lewis στο όξινο φωσφορικό ( HΡO 4 -2 ) ιόν. (4/4) Ελέγχουμε αν αποκτήθηκαν οι δομές των ευγενών αερίων.
••
••
••
••
••
••
••
Ελέγχουμε αν είναι αποδεκτή η τελική μορφή.
-2
••
••
Προσθέτουμε πολλαπλούς δεσμούς αν είναι απαραίτητο.
••
••
19
Παράδειγμα εύρεσης δομής Lewis στο νιτρικό (ΝO 3 -1 ) ιόν. (1/4) Ν: Κ2L8M5 Υπολογίζουμε τον συνολικό αριθμό e σθένους.
Ο: Κ2L6 5e+3⋅ 6e+1e = 24e ηλεκτρικό φορτίο ιόντος
20
Παράδειγμα εύρεσης δομής Lewis στο νιτρικό (ΝO 3 -1 ) ιόν. (2/4)
-1 Σχεδιάζουμε με απλούς δεσμούς τον σκελετό του ιόντος.
21
Παράδειγμα εύρεσης δομής Lewis στο νιτρικό (ΝO 3 -1 ) ιόν. (3/4) σύνολο e
δεσμικά e
-1
•• ••
••
••
••
••
••
••
Συμπληρώνουμε με τα μη δεσμικά ηλεκτρόνια τις στιβάδες σθένους ξεκινώντας από τα περιφερειακά άτομα.
μη δεσμικά e = 24e - 3⋅ 2e = 18e
••
22
Παράδειγμα εύρεσης δομής Lewis στο νιτρικό (ΝO 3 -1 ) ιόν. (4/4) Ελέγχουμε αν αποκτήθηκαν οι δομές των ευγενών αερίων.
••
•• ••
••
••
-1 ••
••
••
••
••
••
-1
••
•• ••
••
Προσθέτουμε πολλαπλούς δεσμούς αν είναι απαραίτητο.
••
••
Ελέγχουμε αν είναι αποδεκτή η τελική μορφή. 23
Όταν ο κανόνας «οκτάδας» αποτυγχάνει. Πολύ λίγα ηλεκτρόνια.
Πάρα πολλά ηλεκτρόνια.
24