ΟΧΙ Δομή Lewis Dot
Το μονοξείδιο του αζώτου (ΝΟ) είναι μια αέρια ένωση που αποτελείται από ένα μόνο άτομο αζώτου και ένα μόνο άτομο οξυγόνου. Είναι το απλούστερο από τα οξείδια του αζώτου (ενώσεις που περιέχουν άζωτο και οξυγόνο) και έχει μοριακή μάζα 30,1 g/mol. Το μονοξείδιο του αζώτου είναι ένα σημαντικό μόριο σηματοδότησης στους σπονδυλωτούς οργανισμούς και είναι ένα από τα κύρια συστατικά της όξινης βροχής. Σε εξαιρετικά συμπυκνωμένες ποσότητες, είναι τοξικό για τον άνθρωπο και μπορεί να προκαλέσει σοβαρά ιατρικά προβλήματα.
Το μονοξείδιο του αζώτου είναι μια ελεύθερη ρίζα , με την έννοια ότι περιέχει ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο σθένους. Αυτό το ασύζευκτο ηλεκτρόνιο σθένους καθιστά το μονοξείδιο του αζώτου πολύ αντιδραστικό και επιρρεπές στο σχηματισμό χημικών δεσμών. Μια δομή Lewis μιας ένωσης είναι μια εικονογραφική αναπαράσταση των ατόμων μιας ένωσης, των δεσμών τους και της κατανομής των ηλεκτρονίων σθένους. Μια δομή Lewis για ΟΧΙ θα μοιάζει με:
Το μονοξείδιο του αζώτου αποτελείται από ένα μόνο άτομο αζώτου που είναι συνδεδεμένο με ένα άτομο αζώτου. Η διπλή ράβδος μεταξύ των δύο χημικών συμβόλων (=) σημαίνει ότι το άζωτο και το οξυγόνο μοιράζονται έναν διπλό δεσμό—2 ζεύγη ηλεκτρονίων. Τέλος, υπάρχει ένα μόνο ασύζευκτο ηλεκτρόνιο στο άτομο αζώτου. Αυτή η ελεύθερη ρίζα εξηγεί τη χημική συμπεριφορά της πλειοψηφίας των νιτρικών οξειδίων.
Δομές Lewis:Μια γρήγορη εισαγωγή
Μια δομή Lewis (ονομάζονται επίσης τύποι κουκκίδων Lewis, δομές κουκκίδων Lewis ή δομές κουκκίδων Lewis) είναι εικονογραφικά διαγράμματα που αντιπροσωπεύουν τη σύνδεση μεταξύ των ατόμων σε μια ένωση και την τοποθέτηση των ηλεκτρονίων. Οι δομές Lewis εισήχθησαν για πρώτη φορά το 1916 από τον Gilbert Lewis και έχουν υιοθετηθεί ως τυπικός ναύλος στα μαθήματα χημείας γυμνασίου και κολεγίου από τότε.
Τα διαγράμματα Lewis περιέχουν 3 βασικά στοιχεία:σύμβολα που αντιπροσωπεύουν μεμονωμένα άτομα, τελείες που αντιπροσωπεύουν ηλεκτρόνια και αδιάσπαστες γραμμές που αντιπροσωπεύουν κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων. Οι δομές Lewis προορίζονται να δείχνουν τη διαμόρφωση των ηλεκτρονίων και τον χαρακτήρα των ομοιοπολικών δεσμών σε μια ένωση.
Κάθε στοιχείο αντιπροσωπεύεται από το χημικό του σύμβολο στον περιοδικό πίνακα. Η διαμόρφωση των ηλεκτρονίων φαίνεται από το σχέδιο των κουκκίδων που περιβάλλουν τα χημικά σύμβολα. Τα κοινόχρηστα ζεύγη ηλεκτρονίων γράφονται ως μία μόνο γραμμή (—) και τα μη κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων σχεδιάζονται ως ένα μόνο ζεύγος κουκκίδων. Ο συνολικός αριθμός των κουκκίδων στο διάγραμμα είναι ίσος με το άθροισμα του αριθμού των ηλεκτρονίων σθένους των ατόμων της ένωσης. Έτσι, μια δομή νερού Lewis (H2 O) θα είχε συνολικά 8 ηλεκτρόνια, ένα για καθένα από τα 2 άτομα υδρογόνου και 6 για το μεμονωμένο άτομο οξυγόνου.
Γενικά, όταν σχηματίζονται δεσμοί, τα ηλεκτρόνια θα αναδιατάσσονται έως ότου κάθε άτομο της ένωσης περιβάλλεται από 8 ηλεκτρόνια. Η τάση για τα άτομα να αποκτούν 8 ηλεκτρόνια σθένους είναι γνωστή ως κανόνας οκτάδας . Έτσι, κατά την τοποθέτηση ηλεκτρονίων σε ένα διάγραμμα Lewis, θα πρέπει πρώτα να τα ταξινομήσετε έτσι ώστε κάθε άτομο να περιβάλλεται από 8 ηλεκτρόνια. Η μόνη εξαίρεση στον κανόνα της οκτάδας είναι το υδρογόνο (Η). Τα άτομα υδρογόνου θα συνδέονται μέχρι να έχουν μόνο 2 ηλεκτρόνια σθένους, που αντιστοιχούν σε ένα πλήρες υποκέλυφος 1s. Τα ζεύγη κουκκίδων που μοιράζονται μεταξύ των ατόμων αντικαθίστανται κανονικά με μια ενιαία αδιάσπαστη γραμμή που αντιπροσωπεύει ένα συνδεδεμένο ζεύγος.
Εάν όλα τα ηλεκτρόνια σθένους είναι κατανεμημένα και όλα τα άτομα εξακολουθούν να μην έχουν 8 ηλεκτρόνια σθένους, τα ηλεκτρόνια θα αναδιαταχθούν για να σχηματίσουν διπλούς και τριπλούς δεσμούς μεταξύ των ατόμων. Ο διπλασιασμός και ο τριπλασιασμός των ζευγών ηλεκτρονίων επιτρέπει στα άτομα με ανεπάρκεια ηλεκτρονίων να αποκτούν περισσότερα ηλεκτρόνια σθένους διατηρώντας τα τερματικά άτομα με 8 ηλεκτρόνια σθένους.
Κανόνες για την κατασκευή κατασκευών Lewis
Οι δομές Lewis είναι ένα χρήσιμο εργαλείο για την οπτικοποίηση της διαμόρφωσης ηλεκτρονίων των ενώσεων. Η δομή Lewis για τις περισσότερες ενώσεις της κύριας ομάδας 2-7 μπορεί να κατασκευαστεί σύμφωνα με ένα σύνολο κανόνων:
Βήμα 1. Προσδιορίστε τον συνολικό αριθμό ηλεκτρονίων σθένους στο διάγραμμα
Το πρώτο βήμα είναι να υπολογίσετε πόσα ηλεκτρόνια πρέπει να έχει το διάγραμμά σας. Ο συνολικός αριθμός ηλεκτρονίων στο διάγραμμα πρέπει να είναι ίσος με τον συνολικό αριθμό ηλεκτρονίων σθένους των μεμονωμένων ατόμων. Έτσι, χρησιμοποιώντας το ΝΟ ως παράδειγμά μας, ο συνολικός αριθμός ηλεκτρονίων στη δομή του ΝΟ μας Lewis θα πρέπει να είναι ίσος με το άθροισμα των ηλεκτρονίων σθένους του αζώτου (Ν) και του οξυγόνου (Ο). Το άζωτο έχει 5 ηλεκτρόνια σθένους και το οξυγόνο έχει 6 ηλεκτρόνια σθένους, οπότε συνολικά, το διάγραμμά μας θα πρέπει να έχει 6=5=11 ηλεκτρόνια .
Βήμα 2. Σχεδιάστε ένα σκελετό της ατομικής δομής.
Τώρα πρέπει να καταλάβουμε πώς είναι διατεταγμένα τα άτομα. Εάν η ένωση είναι διατομική (περιέχει 2 άτομα) τότε η δομή θα είναι απλώς μια ευθεία γραμμή. Σε ένωση με τρία ή περισσότερα άτομα, θα υπάρχει ένα κεντρικό άτομο που είναι συνδεδεμένο με πολλά άτομα. Γενικά, το κεντρικό άτομο θα είναι το λιγότερο ηλεκτραρνητικό στοιχείο της ένωσης.
Στην περίπτωσή μας, το ΟΧΙ είναι διατομικό, επομένως η σκελετική δομή θα είναι απλώς τα 2 σύμβολα το ένα δίπλα στο άλλο:
Βήμα 3. Τοποθετήστε έναν μόνο δεσμό μεταξύ κάθε ζεύγους
Επόμενο είναι να αρχίσουμε να τοποθετούμε τα ηλεκτρόνια. Περάστε μέσα από το διάγραμμα και τοποθετήστε μια μόνο γραμμή μεταξύ κάθε συνδεδεμένου ατόμου στην ένωση. Τα άτομα δημιουργούν ομοιοπολικές ενώσεις μοιράζοντας ηλεκτρόνια, επομένως κάθε άτομο πρέπει να μοιράζεται τουλάχιστον ένα ζεύγος με ένα άλλο άτομο.
Στην περίπτωσή μας, χρειαζόμαστε απλώς μια γραμμή μεταξύ N και O:
Καθώς κάθε γραμμή αντιπροσωπεύει 2 ηλεκτρόνια, μετρώντας τον συνολικό αριθμό των γραμμών, πολλαπλασιάζοντας με 2 και αφαιρώντας από τον συνολικό αριθμό ηλεκτρονίων σθένους δίνεται ο αριθμός των ηλεκτρονίων που απομένουν. Έτσι, έχουμε 11−2 =9 ηλεκτρόνια αφήνεται να τοποθετηθεί στο διάγραμμά μας.
Βήμα 4. Κοιτάζοντας με το πιο ηλεκτραρνητικό στοιχείο, τοποθετήστε ηλεκτρόνια έως ότου κάθε άτομο περιβάλλεται από 8 ηλεκτρόνια.
Τα άτομα θα προσπαθήσουν να γεμίσουν το φλοιό ηλεκτρονίων τους μέχρι να αποκτήσουν ένα πλήρες κέλυφος σθένους 8 ηλεκτρονίων. Σε μια ένωση, το πιο ηλεκτραρνητικό στοιχείο θα τραβήξει πιο δυνατά τα ηλεκτρόνια, έτσι αυτά τα κελύφη τείνουν να γεμίζονται πρώτα. Θυμηθείτε, το υδρογόνο (Η) είναι ειδικό και λαμβάνει μόνο 2 ηλεκτρόνια σθένους.
Στην περίπτωσή μας, το οξυγόνο είναι πιο ηλεκτραρνητικό από το άζωτο, επομένως γεμίζουμε πρώτα τις ανοιχτές υποδοχές στο οξυγόνο:
Για την αρχειοθέτηση του οξυγόνου χρειάστηκαν 6 ηλεκτρόνια, οπότε τώρα έχουμε να τοποθετήσουμε 3. Η τοποθέτηση των υπολοίπων ηλεκτρονίων μας δίνει:
Βήμα 4. Εάν όλα τα άτομα εξακολουθούν να μην έχουν πλήρες κέλυφος 8 ηλεκτρονίων, μετακινήστε ζεύγη ηλεκτρονίων για να σχηματίσετε διπλούς και τριπλούς δεσμούς.
Μερικές φορές δεν υπάρχουν αρκετά ηλεκτρόνια για κάθε άτομο να έχει έναν μόνο δεσμό και άλλα 6 ηλεκτρόνια να το περιβάλλουν. Σε αυτές τις περιπτώσεις, ένα ηλεκτρόνιο θα κινηθεί για να σχηματίσει διπλούς και τριπλούς δεσμούς, έτσι ώστε λιγότερα ηλεκτραρνητικά στοιχεία να μπορούν να ικανοποιούν τον κανόνα της οκτάδας όσο το δυνατόν πιο κοντά.
Στην περίπτωσή μας, όλα τα ηλεκτρόνια έχουν τοποθετηθεί, αλλά το άζωτο έχει μόνο 5 ηλεκτρόνια. Έτσι, μετακινούμε ένα ζεύγος ηλεκτρονίων από το οξυγόνο για να σχηματίσουμε έναν διπλό δεσμό μεταξύ του αζώτου και του οξυγόνου:
Η παρουσία διπλής γραμμής (=) σημαίνει ότι τα δύο άτομα μοιράζονται δύο ζεύγη ηλεκτρονίων. Σε αυτήν την περίπτωση, μπορούμε να μετακινήσουμε μόνο ένα ζεύγος ηλεκτρονίων για να δώσουμε άζωτο συνολικά 7. Εάν προσπαθούσαμε να μετακινήσουμε ένα άλλο, το άζωτο θα είχε συνολικά 9 ηλεκτρόνια σθένους, κάτι που θα παραβίαζε τον κανόνα της οκτάδας. Έτσι, έχουμε πλησιάσει όσο το δυνατόν περισσότερο στο να δώσουμε και στα δύο άτομα μια πλήρη οκτάδα ηλεκτρονίων και το διάγραμμά μας είναι πλήρες.
Έτσι, η ολοκληρωμένη δομή Lewis μας για NO μοιάζει με:
Νιτρικό οξείδιο ως ένωση
Το μονοξείδιο του αζώτου είναι μια ελεύθερη ρίζα - δηλ. έχει ένα μοναχικό ασύζευκτο ηλεκτρόνιο. Αυτό το μοναχικό ηλεκτρόνιο δίνει στο μονοξείδιο του αζώτου ένα ασταθές χημικό προφίλ και το κάνει μάλλον αντιδραστικό.
Δεδομένου ότι είναι πολύ αντιδραστικό, το μονοξείδιο του αζώτου θα αντιδράσει υπό διάφορες συνθήκες για να σχηματίσει πιο σταθερά προϊόντα οξειδίου του αζώτου. Παρουσία οξυγόνου, το ΝΟ θα αντιδράσει για να σχηματίσει το πιο σταθερό διοξείδιο του αζώτου σύμφωνα με την ακόλουθη αντίδραση:
2NO + O2 → ΟΧΙ2
Όταν θερμανθεί, το μονοξείδιο του αζώτου θα αποσυντεθεί σε μοριακό οξυγόνο και άζωτο σύμφωνα με την αντίδραση
2NO + θερμότητα → N2 + O2
Το μονοξείδιο του αζώτου είναι επίσης μια από τις κύριες αιτίες της όξινης βροχής. Το μονοξείδιο του αζώτου που απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα θα αντιδράσει με το υδροπεροξυ (HO2 ) για την παραγωγή διοξειδίου του αζώτου. Το διοξείδιο του αζώτου στη συνέχεια θα αντιδράσει με μια ρίζα υδροξυλίου (ΟΗ) για να σχηματίσει νιτρικό οξύ (HNO3 ). Το νιτρικό οξύ είναι μια διαβρωτική ένωση που μπορεί να βλάψει τα μέταλλα και τη βλάστηση, επομένως μπορεί να αποτελέσει κίνδυνο για τη βιομηχανία και τη γεωργία.
Όρια της δομής Lewis
Οι δομές Lewis είναι ένας χρήσιμος τρόπος οπτικοποίησης της κατανομής ηλεκτρονίων σε μια ένωση. Ωστόσο, δεν είναι χωρίς τα μειονεκτήματά τους. Συγκεκριμένα, πιο σύνθετες ενώσεις που παράγονται από μέταλλα μετάπτωσης της ομάδας 3-12 συχνά δεν ακολουθούν τον κανόνα της οκτάδας και αντ' αυτού συνδέονται έτσι ώστε κάθε άτομο να έχει 12 ηλεκτρόνια σθένους. Αυτή η παρεκκλίνουσα συμπεριφορά των μετάλλων μετάπτωσης οφείλεται στην μη εντοπισμένη διαμόρφωση ηλεκτρονίων των μεταλλικών ενώσεων. Ομοίως, μερικές φορές μια μεμονωμένη ένωση μπορεί να περιγραφεί από περισσότερες από μία δομές Lewis. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η συνολική δομή Lewis θεωρείται ένας συνδυασμός της διαφορετικής δομής Lewis, που μερικές φορές ονομάζεται δομή συντονισμού.
Επιπλέον, οι δομές Lewis δεν σας λένε για την τρισδιάστατη γεωμετρία ενός μορίου. Η τρισδιάστατη γεωμετρία ενός μορίου εξηγεί πολλές από τις φυσικές και χημικές του ιδιότητες, όπως την πολικότητα και τη συμπεριφορά του διαμοριακού δεσμού. Η θεωρία VESPR είναι ένας κλάδος της χημείας που απαντά σε ερωτήσεις που σχετίζονται με το τρισδιάστατο σχήμα των ενώσεων και πώς αυτά τα σχήματα καθορίζονται από τη δεσμευτική συμπεριφορά των ατόμων.
Επιπλέον, η δομή Lewis δεν εξηγεί το πώς τα άτομα μοιράζονται ηλεκτρόνια. Αυτή είναι μια ερώτηση που προορίζεται για μοριακή τροχιακή θεωρία . Η θεωρία MO περιγράφει τη συμπεριφορά των ατομικών και μοριακών τροχιακών και πώς συνδυάζονται χάρη στις κυματοειδείς ιδιότητες των ηλεκτρονίων.
