Как нарисовать структуру Льюиса (исключение из правила октетов)

Тодд Хелменстайн — писатель и иллюстратор, преподающий физику и математику в колледже. Он имеет степень бакалавра в области физики и математики.

Структуры точек Льюиса полезны для предсказания геометрии молекулы. Иногда один из атомов в молекуле не следует правилу октета для расположения электронных пар вокруг атома. В этом примере используются шаги, описанные в разделе Как нарисовать структуру Льюиса, чтобы нарисовать структуру Льюиса молекулы, где один атом является исключением из правила октетов.

Обзор подсчета электронов

Общее количество электронов, показанное в структуре Льюиса, представляет собой сумму валентных электронов каждого атома. Помните: невалентные электроны не показаны. После того, как количество валентных электронов было определено, вот список шагов, обычно выполняемых для размещения точек вокруг атомов:

1. Соедините атомы одинарными химическими связями.
2. Количество электронов, которое необходимо разместить, равно т-2н, куда т — общее количество электронов и н — количество одинарных связей. Разместите эти электроны как неподеленные пары, начиная с внешних электронов (кроме водорода), пока у каждого внешнего электрона не будет 8 электронов. Сначала поместите неподеленные пары на большинство электроотрицательных атомов.
3. После размещения одиночных пар в центральных атомах может отсутствовать октет. Эти атомы образуют двойную связь. Переместите одинокую пару, чтобы сформировать вторую связь.
   Вопрос:
   Нарисуйте структуру Льюиса молекулы с молекулярной формулой ICl.₃.
   Решение:
   Шаг 1: Найдите общее количество валентных электронов.
   Йод имеет 7 валентных электронов
   У хлора 7 валентных электронов
   Всего валентных электронов = 1 йод (7) + 3 хлора (3 x 7)
   Всего валентных электронов = 7 + 21
   Всего валентных электронов = 28
   Шаг 2: Найдите количество электронов, необходимое для того, чтобы сделать атомы «счастливыми».
   Йоду нужно 8 валентных электронов
   Хлору нужно 8 валентных электронов
   Общее количество валентных электронов, которые будут «счастливыми» = 1 йод (8) + 3 хлора (3 x 8)
   Всего валентных электронов, чтобы быть «счастливыми» = 8 + 24
   Всего валентных электронов, чтобы быть «счастливыми» = 32
   Шаг 3: Определите количество связей в молекуле.
   количество облигаций = (Шаг 2 — Шаг 1)/2
   количество связей = (32 — 28)/2
   количество связей = 4/2
   количество связей = 2
   Вот как определить исключение из правила октетов. Связей не хватает на количество атомов в молекуле. ICl₃ должно иметь три связи, чтобы связать четыре атома вместе. Шаг 4: Выберите центральный атом.
   Галогены часто являются внешними атомами молекулы. В этом случае все атомы являются галогенами. Йод является наименее электроотрицательным из двух элементов.Используйте йод в качестве центрального атома.
   Шаг 5: Нарисуйте скелетную структуру.
   Поскольку у нас недостаточно связей, чтобы соединить все четыре атома вместе, соединим центральный атом с тремя другими тремя одинарными связями.
   Шаг 6: Поместите электроны вокруг внешних атомов.
   Заполните октеты вокруг атомов хлора. Каждый хлор должен получить шесть электронов, чтобы завершить свои октеты.
   Шаг 7: Поместите оставшиеся электроны вокруг центрального атома.
   Поместите оставшиеся четыре электрона вокруг атома йода, чтобы завершить структуру. Завершенная структура появляется в начале примера.

Ограничения структур Льюиса

Структуры Льюиса впервые стали использоваться в начале двадцатого века, когда химическая связь была плохо изучена. Электронно-точечные диаграммы помогают проиллюстрировать электронную структуру молекул и химическую реакционную способность. Их использование по-прежнему популярно среди преподавателей химии, представляющих модель химических связей валентной связи, и они часто используются в органической химии, где модель валентной связи в значительной степени подходит.

Однако в областях неорганической химии и металлоорганической химии делокализованные молекулярные орбитали являются обычным явлением, и структуры Льюиса не могут точно предсказать поведение. Хотя можно нарисовать структуру Льюиса для молекулы, о которой эмпирически известно, что она содержит неспаренные электроны, использование таких структур приводит к ошибкам в оценке длины связи, магнитных свойств и ароматичности. Примеры этих молекул включают молекулярный кислород ( O₂), оксид азота (NO) и диоксид хлора (ClO₂).

Хотя структуры Льюиса имеют некоторую ценность, читателю рекомендуется, чтобы теория валентных связей и теория молекулярных орбиталей лучше описывали поведение электронов валентной оболочки.