Công thức Lewis. Liên kết hóa học

Một cặp electron liên kết trong công thức Lewis giống như một dấu gạch ngang trong công thức cấu trúc.

Liên kết đôi và liên kết ba có một tên chung - bội số thông tin liên lạc. Người ta cho rằng một phân tử nitơ có trật tự giao tiếp, bằng ba. Trong phân tử oxy, bậc liên kết là hai. Thứ tự liên kết trong phân tử hydro và clo là như nhau. Hydro và clo không còn là bội số nữa mà là một liên kết đơn giản.

Thứ tự liên kết là số cặp chia sẻ chung giữa hai nguyên tử liên kết. Thứ tự kết nối cao hơn ba không xảy ra.

Bảng 3-1. Độ dài và độ bền của liên kết giữa các nguyên tử nitơ trong các hợp chất khác nhau.

** Chúng ta hãy xem xét dữ liệu về độ dài và độ bền liên kết giữa các nguyên tử nitơ trong các hợp chất khác nhau của nó. Trong Bảng 3-1, độ dài liên kết được tính theo đơn vị đặc biệt - angstrom (1A = 10 -8 cm). Độ bền tương đối của liên kết có thể được ước tính bằng năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết giữa các nguyên tử nitơ trong các hợp chất khác nhau. Năng lượng này được cung cấp cho cùng số lượng phân tử của các hợp chất đó. Độ bội số liên kết càng cao thì nó càng ngắn và mạnh hơn.

Bậc liên kết càng cao thì các nguyên tử liên kết với nhau càng chặt và bản thân liên kết càng ngắn.

Nhiệm vụ.

3.1. Dựa vào cấu tạo của nguyên tử 6 C, 1 H và quy tắc bát tử, hãy lập công thức Lewis cho hợp chất của hai nguyên tố này, trong đó có 1 nguyên tử cacbon. Hãy vẽ công thức cấu tạo của nó.

3.2. Viết (chỉ độ lớn và dấu của điện tích) ký hiệu của các ion natri, oxy, flo, magie, nhôm, lớp vỏ electron của chúng giống lớp vỏ electron của khí hiếm neon.

3.3. Viết công thức điện tử của các mức điện tử lớp ngoài của 13 nguyên tử Al và 17 Cl. Một nguyên tử nhôm và ba nguyên tử clo tạo thành một hợp chất trong đó các nguyên tử của các nguyên tố này thu được các lớp khí trơ hoàn chỉnh. Những khí trơ này là gì? Viết công thức Lewis của hợp chất giữa nhôm và clo. Hãy vẽ công thức cấu tạo của nó.

3.4.Tạo công thức Lewis cho hợp chất chứa một nguyên tử 20 Ca và hai nguyên tử 9 F trong hợp chất này có bao nhiêu cặp electron liên kết (dùng chung) và không liên kết (đơn độc)? Công thức cấu tạo của nó là gì?

3.5. Dựa vào cấu trúc điện tử của nguyên tử và quy tắc bát tử, soạn công thức Lewis cho các hợp chất gồm: a) hai nguyên tử 6 C và bốn nguyên tử 1 H; b) Từ hai nguyên tử 6 C và hai nguyên tử 1 H, số liên kết giữa các nguyên tử cacbon trong hai hợp chất này là bao nhiêu? Vẽ công thức cấu tạo của chúng (công thức đầu tiên được gọi là ethylene, công thức thứ hai là acetylene).

3.6. Sử dụng các công thức cấu trúc, tạo ra các công thức Lewis chỉ ra tất cả các cặp electron đơn độc.

Liên kết cộng hóa trị dựa trên nguyên lý chia sẻ điện tử, như mong muốn lấp đầy các mức năng lượng hóa trị.

1. Hydro - H2

Thông thường trong tự nhiên, hydro không tồn tại ở dạng nguyên tử riêng biệt mà là phân tử hai nguyên tử - H2.

Hydro có một electron hóa trị và cần một electron khác để lấp đầy mức năng lượng đầu tiên (công thức điện tử của nguyên tử hydro = 1s 1; xem Cấu trúc điện tử của nguyên tử). Một nguyên tử hydro có thể “mượn” một electron bị thiếu từ một nguyên tử hydro khác. Tuy nhiên, trong trường hợp này, nguyên tử hydro, vốn đã nhường electron duy nhất của nó, sẽ càng trở nên không ổn định hơn. Vì vậy, phương án này không khả thi.

Cách duy nhất có thể để kết hợp H 2 là chia sẻ electron. Hai electron dường như “thuộc về” cả hai nguyên tử hydro. Sự hình thành liên kết hóa học giữa các nguyên tử hydro là kết quả của sự chồng chéo của các quỹ đạo điện tử, xảy ra khi các nguyên tử tiến lại gần nhau. Kiểu giao tiếp này được gọi là liên kết cộng hóa trị.


Công thức chấm điện tử: H + ·H → H:H

Công thức cấu trúc Lewis: H + ·H → H—H

Mỗi nguyên tử hydro trong phân tử tạo thành cấu hình của một nguyên tử helium (xem Lý thuyết Hóa trị Điện tử).

Sự hình thành liên kết hóa học mạnh trong phân tử hydro được thực hiện do sự chồng chéo của các quỹ đạo s của các nguyên tử, do đó mật độ electron tăng lên được tạo ra giữa hạt nhân của các nguyên tử hydro, do đó các electron của hydro phân tử chịu lực hút giữa hai hạt nhân cùng một lúc.

Theo lý thuyết về cấu trúc điện tử của nguyên tử, nguyên tử của các nguyên tố hóa học trong phân tử có xu hướng thu được cấu hình điện tử ổn định của khí trơ gần nhất. Ví dụ, khi các nguyên tử flo hợp nhất thành một phân tử, cấu hình neon được hình thành:


Ngoài hydro, trong tự nhiên còn có thêm 6 nguyên tố (chất đơn giản) có phân tử hai nguyên tử: O 2, N 2, F 2, Cl 2, Br 2, I 2.

Liên kết ion (IC) được hình thành giữa kim loại và phi kim.

Một liên kết cộng hóa trị (CB) được hình thành giữa hai phi kim loại.

Các kết nối này có các thuộc tính khác nhau:

  • ở nhiệt độ phòng, hợp chất IC thường ở dạng rắn; các hợp chất có CS có thể ở trạng thái rắn, lỏng và khí;
  • Điểm nóng chảy của các hợp chất ion thường cao hơn nhiều so với các hợp chất cộng hóa trị;
  • IS - chất điện giải (dẫn dòng điện); CS - chất không điện giải.

Cần phải nói rằng liên kết cộng hóa trị cũng có thể phát sinh giữa các nguyên tử khác nhau. Ví dụ, trong phân tử hydro florua (HF), một nguyên tử hydro nằm trong quỹ đạo s chồng lên nhau với một nguyên tử flo chưa ghép cặp, nằm trong quỹ đạo p, do đó, trong phân tử HF, nguyên tử hydro nhận được cấu hình điện tử He và nguyên tử flo nhận được cấu hình Ne.


Do các nguyên tử hydro và flo tương tác có điện tích âm điện khác nhau nên cặp electron dùng chung thu được sẽ được chuyển sang nguyên tử flo có độ âm điện lớn hơn, tạo thành liên kết cộng hóa trị có cực(trong phân tử các chất đơn giản liên kết cộng hóa trị không phân cực).

Sự hình thành liên kết cộng hóa trị do cặp electron dùng chung của hai nguyên tử đã được thảo luận ở trên. Có một cơ chế khác hình thành liên kết cộng hóa trị, được gọi là phối hợp hoặc người cho-chấp nhận.

Với cơ chế cho-chấp của sự hình thành liên kết cộng hóa trị, một liên kết hóa học được hình thành do một cặp electron (cặp electron đơn độc) được cung cấp bởi một trong các nguyên tử (cho), trong khi nguyên tử còn lại (chất nhận) cung cấp quỹ đạo tự do của nó cho việc này. cặp electron.

2. Nhiều kết nối

Ở trên chúng ta đã thảo luận về liên kết cộng hóa trị sử dụng một electron - liên kết đơn. Có những phân tử có một số cặp electron chung tạo thành liên kết bội.

Oxy (O2) thuộc nhóm VIA và có 6 electron hóa trị. Để hoàn thành mức năng lượng bên ngoài, nó cần nhận 2 electron. Một nguyên tử oxy chia sẻ hai electron của nó với hai electron của một nguyên tử oxy khác, tạo ra liên kết đôi.

Nitơ (N 2) thuộc nhóm VA và có 5 electron hóa trị. Để hoàn thành mức năng lượng bên ngoài, nó cần nhận 3 electron. Một nguyên tử nitơ chia sẻ ba electron của nó với ba electron của một nguyên tử nitơ khác, tạo ra liên kết ba.

Liên kết ba này mạnh hơn nhiều so với liên kết đơn - do đó nitơ có phân tử rất mạnh, do đó hoạt tính của nitơ thấp trong các phản ứng hóa học.

Chúng tôi đã xem xét:

  • liên kết ion được hình thành giữa kim loại và phi kim loại;
  • liên kết cộng hóa trị được hình thành giữa các phi kim.

Liên kết có thể hình thành giữa kim loại và kim loại? Than ôi, kim loại với kim loại chỉ có thể hình thành hợp kim- dung dịch kim loại này với kim loại khác.

Ở trên chúng ta đã thảo luận về việc sử dụng công thức Lewis để biểu diễn liên kết cộng hóa trị trong một số phân tử đơn giản - Việc viết công thức Lewis cho các phân tử phức tạp hơn lúc đầu có thể gặp một số khó khăn nhất định. Trong bảng 1-4 mô tả một số chất hữu cơ. Trong mỗi trường hợp, các nguyên tử không liên kết được trình bày riêng biệt, sau đó là các phân tử trong đó các nguyên tử có một bộ tám electron và cuối cùng là cái gọi là công thức Kekulé.

Trong các công thức Lewis, có tám hoặc hai electron bên trong mỗi vòng tròn, điều này cho thấy nguyên tử được khoanh tròn có lớp vỏ electron bên ngoài hoàn chỉnh.

Việc viết các công thức Lewis cần thực hành một chút và có phần sáng tạo, vì vậy việc thử và sai lúc đầu là ổn. Vẫn là một quá trình hữu ích

Bảng 14. (xem scan) Công thức Lewis và Kekule cho một số hợp chất hữu cơ

Để đơn giản, các hình ảnh của công thức Lewis được chia thành nhiều giai đoạn kế tiếp nhau. Dưới đây, trong Đơn vị học tập được lập trình, là sáu bước cần ghi nhớ. Sau đó cố gắng hoàn thành bài tập mà không cần nhìn vào đáp án. Bạn có thể vẽ công thức Lewis cho các phân tử hữu cơ nhỏ và anion đa nguyên tử.

Quy tắc viết công thức Lewis

Việc chia quá trình thành các giai đoạn được đưa ra trong phần này sẽ cho phép bạn học cách mô tả các công thức Lewis khá dễ dàng. Điều này đòi hỏi, đặc biệt là trong những giai đoạn cuối, một chút trực giác, được phát triển nhờ luyện tập.

1. Viết ký hiệu các nguyên tố tạo nên chất đó. Thông thường chúng nên được đặt đối xứng. Nên đặt nguyên tử carbon ở giữa bức tranh, còn những nguyên tử chỉ có thể tạo thành một liên kết như hydro và halogen thì nên đặt ở các cạnh. Ví dụ, khi mô tả công thức của sulfur dioxide, bạn nên viết:

2. Đặt số electron hóa trị thích hợp xung quanh các ký hiệu nguyên tố. Con số này bằng với số của nhóm bảng tuần hoàn mà phần tử đó được tìm thấy.

Các electron của một số nguyên tử được biểu thị bằng dấu chấm, số khác bằng dấu gạch chéo. Tất nhiên, mặc dù tất cả các electron đều giống nhau, nhưng việc sử dụng các ký hiệu khác nhau sẽ giúp công thức dễ viết và trực quan hơn. Đặt từng electron một vào bốn mặt của nguyên tử - trên, dưới và hai bên. Chỉ khi có nhiều hơn bốn electron, hãy đặt chúng thành từng cặp. Ví dụ, một nguyên tử lưu huỳnh có sáu electron hóa trị - hai cặp và hai electron nữa:

3. Hình thành liên kết cộng hóa trị đơn giản giữa các nguyên tử lân cận, sử dụng một electron từ mỗi nguyên tử:

4. Nhìn vào cấu trúc kết quả. Kiểm tra xem mỗi nguyên tử có lớp vỏ electron hoàn chỉnh hay không. Nếu tất cả các nguyên tử đều thỏa mãn quy tắc bát tử thì công thức Lewis hoàn tất. Nếu không, hãy tiến hành như được chỉ ra ở điểm 5 và 6.

5. Hình thành liên kết đôi hoặc liên kết ba giữa các nguyên tử đã liên kết và di chuyển một hoặc nhiều electron từ nguyên tử này sang nguyên tử khác sao cho thỏa mãn quy tắc bát tử.

Lý thuyết về cấu trúc của các hợp chất hữu cơ của A. M. Butlerov, được nhà khoa học đưa ra vào năm 1861, bao gồm các quy định sau: 1 Các nguyên tử không nằm ngẫu nhiên trong phân tử mà được kết nối với nhau theo một trình tự nhất định, phù hợp với hóa trị của chúng. 2. Tính chất hóa học của các chất không chỉ phụ thuộc vào thành phần định tính hoặc định lượng mà còn phụ thuộc vào cấu trúc hóa học của phân tử. 3. Các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử trong phân tử ảnh hưởng lẫn nhau, trực tiếp hoặc thông qua các nguyên tử khác.

Công thức các chất hữu cơ theo lớp

        Ankan - C n H 2n+2

        Xycloalkan - C n H 2n

        Anken - CnH2n

        Các chất kiềm - C n H 2n-2

        Alkynes - CnH2n-2

        Rượu monohydric bão hòa - R-OH

        Ête - R – O – R’

        axit cacboxylic - R -COOH

        amin. R Nhóm chức năng

        -NH2

andehit (công thức chung (R-COH).

Công thức chấm electron và công thức Lewis mô tả rõ ràng cấu trúc của liên kết cộng hóa trị nhưng cồng kềnh và chiếm nhiều diện tích.

Công thức Lewis cho nước.

Theo lý thuyết điện tử về cấu trúc của vật chất, nguyên tử của bất kỳ nguyên tố nào đều bao gồm hạt nhân nguyên tử mang điện tích (bao gồm proton và neutron), trong đó toàn bộ khối lượng của nguyên tử tập trung và vỏ electron gồm các electron có độ âm điện, trong đó , so với hạt nhân nguyên tử, hầu như không có khối lượng.

Electron có điện tích âm và proton có điện tích dương.

Các quỹ đạo nguyên tử (AO) được đặc trưng bởi ba số lượng tử: chính n, quỹ đạo l=0,1,2... và từ m=0,+-1,+-2. các giá trị l = 0, 1, 2, 3, 4,… tương ứng với các chữ cái s, p, d, f,

Quỹ đạo phân tử(MO) mô tả một electron trong trường của tất cả các hạt nhân của phân tử và trường trung bình của các electron còn lại.

Có hai cách giáo dục chính liên kết cộng hóa trị.

1) Một cặp electron tạo thành liên kết có thể được hình thành do sự tách cặp điện tử, có sẵn ở dạng không kích thích nguyên tử.

2) Liên kết cộng hóa trị có thể được hình thành do các electron ghép đôi có ở lớp electron bên ngoài của nguyên tử. Trong trường hợp này, nguyên tử thứ hai phải có quỹ đạo tự do ở lớp ngoài. Nguyên tử cung cấp cặp electron của nó để tạo thành liên kết cộng hóa trị * được gọi là chất cho và nguyên tử cung cấp quỹ đạo trống được gọi là chất nhận. Liên kết cộng hóa trị được hình thành theo cách này được gọi là liên kết cho-chấp.

4. Ảnh hưởng lẫn nhau của các nguyên tử trong phân tử hợp chất hữu cơ. Ảnh hưởng của chuyển vị điện tử. Hiệu ứng cảm ứng và mesomeric. Hiệu ứng siêu liên hợp. Hiệu ứng không gian.

Hiệu ứng điện tử được gọi là sự dịch chuyển mật độ electron trong phân tử dưới tác động của các nhóm thế.

Hiệu ứng cảm ứng dương (+I), tức là tác dụng dịch chuyển mật độ electron ra xa chính nó được thể hiện bằng các gốc alkyl (metyl, etyl, propyl, v.v.).

Hầu hết các nhóm chức (halogen, nhóm amino, nhóm nitro, nhóm carboxyl, carbonyl, hydroxyl) thể hiện hiệu ứng cảm ứng âm (–I), tức là dịch chuyển mật độ electron về phía mình.

Hiệu ứng mesomeric dương (+M), tức là Tác dụng dịch chuyển mật độ electron ra xa chính nó được thể hiện ở nhóm amino và nhóm hydroxyl. Nhóm nitro, nhóm carboxyl, nhóm carbonyl thể hiện hiệu ứng mesomeric âm (–M), tức là thu hút mật độ electron về phía mình.

Một hiệu ứng tương tự như mesomeric dương xảy ra khi hydro ở liên kết bội được thay thế bằng nhóm alkyl. Hiệu ứng này hướng tới liên kết bội và được gọi là siêu liên hợp (siêu liên hợp). Để hiệu ứng siêu liên hợp tự biểu hiện, cần phải có ít nhất một nguyên tử hydro ở nguyên tử carbon liền kề với hệ thống pi.

Cường độ của hiệu ứng siêu liên hợp càng cao thì càng có nhiều nguyên tử hydro ở carbon liên kết với hệ thống chưa bão hòa.

Hiệu ứng không gian- ảnh hưởng của thể tích không gian của phân tử đến quá trình phản ứng hóa học. Do đó, sự hiện diện của các nhóm lớn trong phân tử gần các nguyên tử phản ứng có thể ngăn cản các nguyên tử này tiếp cận nhau và làm chậm phản ứng hoặc khiến phản ứng không thể thực hiện được. Một ví dụ đơn giản: công thức hóa học giống nhau, nhưng vị trí tương đối của các phân tử khác nhau (khi không thể đạt được các cấu hình khác nhau bằng cách xoay thông thường: ví dụ: ảnh phản chiếu). Và tất cả điều này ảnh hưởng đến tính chất của chất, tốc độ phản ứng hóa học. phản ứng, v.v.

5. Phân loại các phản ứng của tổ chức theo phương hướng, cơ chế, tính phân tử. Phản ứng và thuốc thử nucleophilic và electrophilic. Khái niệm về các hạt trung gian - gốc tự do, cacbocation, carbanion, ion gốc. Cấu trúc của chúng. Phản ứng chuyển hóa trị đơn.

Việc vẽ các cấu trúc chấm Lewis (còn được gọi là cấu trúc Lewis hoặc sơ đồ Lewis) có vẻ khó khăn, đặc biệt đối với những người mới bắt đầu học hóa học. Tuy nhiên, những cấu trúc này giúp hiểu được cấu hình của liên kết và electron hóa trị trong các nguyên tử và phân tử khác nhau. Độ phức tạp của sơ đồ phụ thuộc vào việc bạn đang vẽ cấu trúc chấm Lewis cho phân tử cộng hóa trị hai nguyên tử, phân tử cộng hóa trị phức tạp hơn hay phân tử có liên kết ion.

bước

Phân tử cộng hóa trị hai nguyên tử

    Viết kí hiệu của từng nguyên tố. Viết ký hiệu của hai nguyên tử cạnh nhau. Bằng cách này, bạn sẽ tưởng tượng các nguyên tử được kết nối bằng liên kết cộng hóa trị. Chừa đủ khoảng trống giữa các ký hiệu để thể hiện các electron và liên kết.

    • Trong liên kết cộng hóa trị, các electron được chia sẻ giữa hai nguyên tử. Thông thường, liên kết cộng hóa trị xảy ra giữa hai nguyên tố phi kim loại.

  1. Xác định số bội của liên kết giữa hai nguyên tử. Các nguyên tử có thể được kết nối bằng liên kết đơn, đôi hoặc ba. Điều này thường được xác định bằng quy tắc bát tử hoặc "xu hướng" của mỗi nguyên tử lấp đầy lớp vỏ hóa trị của nó bằng 8 electron (và trong trường hợp hydro là hai electron). Để tìm xem mỗi nguyên tử sẽ có bao nhiêu electron, hãy xác định số electron hóa trị trong phân tử, sau đó nhân nó với 2 (mỗi liên kết bao gồm 2 electron) và cộng số electron đơn độc.

    • Ví dụ, O2 (khí oxy) có 6 electron hóa trị. Nhân 6 với 2 được 12.
    • Để xác định xem quy tắc bát tử có được đáp ứng hay không, hãy sử dụng các dấu chấm để biểu thị các electron hóa trị xung quanh mỗi nguyên tử. Trong trường hợp O 2, một nguyên tử oxy có 8 electron (do đó, quy tắc bát tử được đáp ứng) và nguyên tử thứ hai chỉ có 6 electron (nghĩa là không đáp ứng quy tắc bát tử). Điều này có nghĩa là cần có nhiều hơn một liên kết giữa hai nguyên tử oxy. Do đó, liên kết đôi giữa các nguyên tử cần có hai electron để quy tắc bát tử được áp dụng cho cả hai nguyên tử.

  2. Vẽ các kết nối. Mỗi liên kết được biểu diễn bằng một đường nối giữa hai nguyên tử. Đối với một liên kết đơn, bạn chỉ cần kết nối hai nguyên tử bằng một đường thẳng. Trong trường hợp liên kết đôi hoặc liên kết ba, phải vẽ hai hoặc ba đường tương ứng.

    • Ví dụ, trong N2 (khí nitơ), hai nguyên tử được liên kết bằng liên kết ba. Như vậy, trên sơ đồ Lewis, phân tử này sẽ được mô tả là 3 đường thẳng song song nối 2 nguyên tử N.

  3. Dán nhãn các electron không liên kết. Một số electron của một hoặc cả hai nguyên tử có thể vẫn không liên kết. Trong trường hợp này, chúng phải được chỉ định bằng các dấu chấm xung quanh nguyên tử tương ứng. Thông thường, các nguyên tử không có nhiều hơn 8 electron tự do. Kiểm tra kết quả: đếm mỗi dấu chấm là 1 electron và mỗi dòng là 2 electron.

    • Ví dụ, trong O 2 (khí oxy), các nguyên tử được nối với nhau bằng hai đường thẳng song song và gần mỗi nguyên tử có hai cặp chấm tượng trưng cho các electron tự do.

  4. Vẽ cấu trúc electron của nguyên tử trung tâm.Đối với mỗi cặp electron không liên kết, đặt 2 chấm nhỏ xung quanh nguyên tử trung tâm. Vẽ mỗi liên kết bằng một đường kéo dài từ nguyên tử. Hiển thị liên kết đôi và liên kết ba lần lượt bằng hai hoặc ba dòng. Bằng cách này, bạn sẽ chỉ ra cách các nguyên tử khác được kết nối với nguyên tử trung tâm.

    Thêm các nguyên tử còn lại. Mỗi nguyên tử sẽ kết nối với nguyên tử trung tâm. Viết các ký hiệu cho mỗi nguyên tử ở cuối các dòng bạn đã vẽ từ nguyên tử trung tâm. Điều này sẽ chỉ ra rằng các electron được phân bổ giữa nguyên tử trung tâm và các nguyên tử này.

  5. Dán nhãn các electron còn lại.Đếm mỗi liên kết là hai electron và liên kết đôi hoặc ba lần lượt là bốn hoặc sáu electron. Sau đó thêm các cặp electron xung quanh mỗi nguyên tử để tuân theo quy tắc bát tử. Kiểm tra xem mọi thứ có đúng không: mỗi dấu chấm tương ứng với một electron và vạch tương ứng với hai electron. Tổng số phải là 8.

    • Tất nhiên, ngoại lệ là những nguyên tử vượt quá quy tắc bát tử, cũng như nguyên tử hydro, chỉ có thể có 0 hoặc 2 electron hóa trị.
    • Khi một phân tử hydro được hình thành, hai nguyên tử hydro được nối với nhau bằng liên kết cộng hóa trị, do đó phân tử không có electron tự do.