NO2 (διοξείδιο του αζώτου) Lewis Dot Structure
Διοξείδιο του αζώτου (NO2 ) είναι μια ομοιοπολική ένωση που αποτελείται από ένα κεντρικό άτομο αζώτου μονό συνδεδεμένο με ένα άτομο οξυγόνου και έναν διπλό δεσμό με ένα άλλο άτομο οξυγόνου. Σε θερμοκρασίες δωματίου, το διοξείδιο του αζώτου είναι ένα κοκκινοκαφέ αέριο που έχει πυκνότητα 1,8 g/dm. Είναι ελαφρώς τοξικό για τον άνθρωπο, λόγω της τάσης του να αντιδρά στο ανθρώπινο σώμα και να παράγει αντιδραστικά είδη αζώτου και οξυγόνου, τα οποία μπορούν να βλάψουν τις εσωτερικές δομές.
Το διοξείδιο του αζώτου δεν έχει ούτε μία δομή Lewis λόγω της σχετικά περίεργης διαμόρφωσης ηλεκτρονίων του. Η θέση του διπλού δεσμού αλλάζει με την πάροδο του χρόνου, πράγμα που σημαίνει ότι σε οποιοδήποτε σημείο, οποιοδήποτε από τα άτομα οξυγόνου θα μπορούσε να έχει διπλό δεσμό με το άτομο αζώτου. Ως εκ τούτου, το διοξείδιο του αζώτου αντιπροσωπεύεται από τη δομή συντονισμού Lewis:
Το διοξείδιο του αζώτου απαιτεί μια δομή συντονισμού Lewis επειδή η διαμόρφωση ηλεκτρονίων του ταλαντώνεται συνεχώς μεταξύ των δύο μορφών. Η «αληθινή» διαμόρφωση ηλεκτρονίων του διοξειδίου του αζώτου θεωρείται ότι είναι ένας μέσος όρος των δύο δομών συντονισμού που δίνονται παραπάνω. Η δομή Lewis του διοξειδίου του αζώτου είναι επίσης ενδιαφέρουσα επειδή υπάρχει ένα μόνο μη ζευγαρωμένο ηλεκτρόνιο σθένους στο κεντρικό άτομο αζώτου. Οι ενώσεις με ασύζευκτα ηλεκτρόνια αναφέρονται μερικές φορές ως «ελεύθερες ρίζες». Αυτό το ασύζευκτο ηλεκτρόνιο εξηγεί την αντιδραστική συμπεριφορά του διοξειδίου του αζώτου καθώς έχει έντονη επιθυμία να γεμίσει αυτό το ανοιχτό σημείο ηλεκτρονίων.
Ας κάνουμε ένα βήμα πίσω και ας εξετάσουμε τους κανόνες για τη σχεδίαση μιας δομής Lewis. Θα πάμε βήμα-βήμα για να δούμε πώς μπορούμε να κατασκευάσουμε μια δομή Lewis για τις περισσότερες ενώσεις της κύριας ομάδας, συμπεριλαμβανομένου του διοξειδίου του αζώτου.
Δομές Lewis:Τα Βασικά
Με λίγα λόγια, μια δομή Lewis είναι μια εικονογραφική αναπαράσταση της ατομικής δομής και της διαμόρφωσης ηλεκτρονίων ενός ατόμου ή μιας ένωσης. Τα μεμονωμένα άτομα αντιπροσωπεύονται από το μοναδικό τους χημικό σύμβολο, τα ηλεκτρόνια αντιπροσωπεύονται ως μονές κουκκίδες και τα κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων αντιπροσωπεύονται με μία μόνο παύλα (−) για ένα μόνο ζεύγος, μια διπλή ράβδο (=) για ένα διπλό ζεύγος και ένα τριπλό γραμμή (≡) για ένα τριπλό ζεύγος.
Ο σκοπός μιας δομής Lewis είναι να δει πώς τα ηλεκτρόνια είναι διατεταγμένα σε ένα άτομο ή ένωση. Οι δομές Lewis βασίζονται στον κανόνα της οκτάδας—την εμπειρική παρατήρηση ότι τα άτομα τείνουν να σχηματίζουν δεσμούς μέχρι να αποκτήσουν ένα πλήρες κέλυφος σθένους 8 ηλεκτρονίων. Η μόνη εξαίρεση στον κανόνα της οκτάδας είναι το υδρογόνο, το οποίο θα σχηματίσει δεσμούς μόνο μέχρι να έχει 2 ηλεκτρόνια σθένους.
Τα ηλεκτρόνια σθένους αντιπροσωπεύονται ως ζεύγη κουκκίδων, όπου κάθε κουκκίδα αντιπροσωπεύει ένα μόνο ηλεκτρόνιο. Τα άτομα σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς μοιράζοντας τα ηλεκτρόνια σθένους τους με άλλα άτομα. Για παράδειγμα, ένα άτομο χλωρίου έχει 7 ηλεκτρόνια σθένους. 3 ζεύγη και ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο. Δύο άτομα χλωρίου θα μοιράζονται το μη ζευγαρωμένο ηλεκτρόνιό τους έτσι ώστε κάθε άτομο να έχει μια πλήρη οκτάδα ηλεκτρονίων, σχηματίζοντας ένα μόριο χλωρίου (Cl2 ). Γενικά, έτσι λειτουργούν οι ομοιοπολικοί δεσμοί. Τα άτομα θα μοιράζονται ηλεκτρόνια σθένους έως ότου κάθε άτομο έχει μια πλήρη οκτάδα. Εάν όλα τα ηλεκτρόνια σθένους είναι ζευγαρωμένα, αλλά ένα άτομο εξακολουθεί να μην έχει πλήρη οκτάδα, τα ζεύγη ηλεκτρονίων θα κινηθούν για να σχηματίσουν διπλούς και τριπλούς δεσμούς. Η συνολική ποσότητα ηλεκτρονίων σε μια δομή Lewis είναι ίση με το άθροισμα του αριθμού των ηλεκτρονίων σθένους των μεμονωμένων ατόμων.
Οι δομές Lewis σας λένε για την ατομική διάταξη και την κατανομή ηλεκτρονίων ενός ατόμου ή μιας ένωσης. Ενώ οι δομές Lewis από μόνες τους δεν παρέχουν σαφείς πληροφορίες σχετικά με την τρισδιάστατη γεωμετρία ενός μορίου, οι κανόνες για τη σύνταξη των δομών Lewis μπορούν να συνδυαστούν με κανόνες που διέπουν τη μοριακή γεωμετρία για να προβλέψουν το σχήμα που θα έχει μια ένωση.
Κανόνες για την κατασκευή δομών Lewis
Ας εξετάσουμε τους κανόνες για τη δημιουργία της δομής Lewis, χρησιμοποιώντας το διοξείδιο του αζώτου ως παράδειγμα δοκιμής.
Βήμα 1. Προσδιορίστε τη συνολική ποσότητα ηλεκτρονίων σθένους.
Το πρώτο βήμα είναι να υπολογίσετε πόσα ηλεκτρόνια πρέπει να έχετε στο διάγραμμα. Ο συνολικός αριθμός ηλεκτρονίων σε μια δομή Lewis πρέπει να είναι ίσος με το άθροισμα των ηλεκτρονίων σθένους κάθε μεμονωμένου ατόμου. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων σθένους ενός στοιχείου μπορεί να προσδιοριστεί κοιτάζοντας τον αριθμό της ομάδας τους στον περιοδικό πίνακα. Γενικά, οι ομάδες 1 και 2 στοιχεία έχουν 1 και 2 ηλεκτρόνια σθένους, αντίστοιχα. Τα στοιχεία της ομάδας 13-18 έχουν 3, 4, 5, 6, 7 και 8 ηλεκτρόνια σθένους αντίστοιχα. Τα στοιχεία της ομάδας 3-12 είναι τα μέταλλα μετάπτωσης που μπορούν να έχουν διαφορετικές ποσότητες ηλεκτρονίων σθένους
Στην περίπτωσή μας, το διοξείδιο του αζώτου αποτελείται από 1 άτομο αζώτου και δύο άτομα οξυγόνου. Το άζωτο είναι ένα στοιχείο της ομάδας 15 και έτσι έχει 5 ηλεκτρόνια σθένους, ενώ το οξυγόνο της ομάδας 16 έχει 6 ηλεκτρόνια σθένους. Υπάρχουν δύο άτομα οξυγόνου, επομένως η συνολική ποσότητα ηλεκτρονίων σθένους στο διάγραμμά μας είναι:
5(1) + 6(2) = 17 ηλεκτρόνια
Το διάγραμμά μας θα πρέπει να έχει 17 ηλεκτρόνια συνολικά.
Βήμα 2:Σχεδιάστε την ατομική δομή της ένωσης
Τώρα που έχουμε τον αριθμό των ηλεκτρονίων σθένους, μπορούμε να αρχίσουμε να κατασκευάζουμε το διάγραμμα. Εάν η ένωση είναι διατομική (δύο άτομα), η δομή είναι εύκολη. τα άτομα μπορούν να τοποθετηθούν δίπλα-δίπλα. Στην περίπτωση ενώσεων με τρία ή περισσότερα άτομα, υπάρχει συνήθως ένα κεντρικό άτομο που μοιράζεται πολλαπλούς δεσμούς με τερματικά άτομα. Γενικά, για τριατομικές ή τρίφτες ενώσεις, το κεντρικό άτομο είναι το λιγότερο ηλεκτραρνητικό στοιχείο.
Στην περίπτωσή μας, έχουμε μια τριατομική ένωση, επομένως η δομή μας πιθανότατα θα έχει ένα κεντρικό άτομο συνδεδεμένο με πολλαπλά τερματικά άτομα. Το άζωτο είναι λιγότερο ηλεκτραρνητικό από το οξυγόνο (3,04<3,44), επομένως το άζωτο είναι το κέντρο μας. Η τοποθέτηση των συμβόλων μας δίνει:
Βήμα 3:Τοποθετήστε ζεύγη ηλεκτρονίων έτσι ώστε κάθε άτομο να έχει τουλάχιστον έναν απλό δεσμό
Στη συνέχεια, μπορούμε να αρχίσουμε να τοποθετούμε ηλεκτρόνια στο μοντέλο μας. Αρχικά, περνάμε και τοποθετούμε έναν μόνο δεσμό μεταξύ κάθε ατόμου. Κάθε δεσμός μετράει για 2 ηλεκτρόνια, επομένως αφαιρούμε αυτά τα ηλεκτρόνια από τη συνολική ποσότητα για να πάρουμε πόσα έχουμε να τοποθετήσουμε.
Στην περίπτωσή μας, τοποθετούμε δύο απλούς δεσμούς, έναν μεταξύ κάθε ατόμου, που μοιάζει με:
Αφού τοποθετήσαμε 2 ζεύγη, τοποθετήσαμε συνολικά 4 ηλεκτρόνια. Τώρα έχουμε 17-4 = 13 περισσότερα ηλεκτρόνια για τοποθέτηση.
Βήμα 4:Τοποθετήστε τα ζεύγη ηλεκτρονίων, ξεκινώντας από τα τερματικά άτομα, μέχρι το καθένα να έχει μια πλήρη οκτάδα.
Στη συνέχεια, τοποθετούμε τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια. Ξεκινώντας με τα τερματικά άτομα, συμπληρώστε τις τελείες έως ότου κάθε άτομο έχει συνολικά 8 ηλεκτρόνια σθένους. Εάν έχετε υπολείμματα ατόμων, τοποθετήστε τα στο κεντρικό άτομο ανά ζεύγη ή ως μόνα ηλεκτρόνια.
Ξεκινώντας πρώτα με τα τερματικά οξυγόνα, τοποθετούμε 6 ηλεκτρόνια γύρω από το καθένα έτσι ώστε να έχουν μια πλήρη οκτάδα. Όσα ηλεκτρόνια έχουν απομείνει τοποθετούμε στο άτομο του αζώτου. Η προσθήκη 6 ηλεκτρονίων σε κάθε άτομο οξυγόνου είναι συνολικά 12, οπότε τοποθετούμε το υπόλοιπο ηλεκτρόνιο στο άτομο αζώτου:
Αφού τοποθετήσουμε αυτά τα 13 ηλεκτρόνια, έχουμε τώρα 13-13 = 0 ηλεκτρόνια αφήνεται στη θέση. Όμως, δεν έχουμε τελειώσει ακόμα γιατί το κεντρικό μας άτομο δεν έχει ακόμη μια πλήρη οκτάδα, το άζωτο έχει επί του παρόντος μόνο 5 ηλεκτρόνια. 2 ζεύγη και ένα μόνο μη ζευγαρωμένο ηλεκτρόνιο.
Βήμα 5:Μετακινήστε ζεύγη ηλεκτρονίων για να σχηματίσετε διπλούς και τριπλούς δεσμούς έως ότου κάθε άτομο έχει μια οκτάδα ή είναι όσο πιο κοντά μπορεί να φτάσει σε μια οκτάδα.
Εάν όλα τα ηλεκτρόνια έχουν τοποθετηθεί και ορισμένα άτομα εξακολουθούν να μην έχουν πλήρη οκτάδα, τότε οι ενώσεις θα σχηματίσουν διπλούς και τριπλούς δεσμούς για να βεβαιωθείτε ότι κάθε άτομο πλησιάζει όσο το δυνατόν περισσότερο τα 8 ηλεκτρόνια. Απλώς μετακινήστε ζεύγη ηλεκτρονίων από τερματικά άτομα για να δημιουργήσετε διπλούς και τριπλούς δεσμούς.
Στην περίπτωσή μας, έχουμε τοποθετήσει όλα τα ηλεκτρόνια μας, το άζωτο έχει μόνο 5 ηλεκτρόνια σθένους. Μετακινώντας ένα μη δεσμευμένο ζεύγος ηλεκτρονίων από ένα από τα άτομα οξυγόνου δημιουργείται ένας διπλός δεσμός με το άζωτο, δίνοντάς του 7 ηλεκτρόνια. Η μετακίνηση οποιουδήποτε άλλου ζεύγους ηλεκτρονίων θα έδινε στο άζωτο περισσότερα από 8 ηλεκτρόνια, επομένως έχουμε προχωρήσει όσο πιο μακριά μπορούμε και η δομή Lewis μας θα πρέπει να μοιάζει με αυτό:
Δομές συντονισμού
Στο τελευταίο βήμα της σχεδίασης του διαγράμματος Lewis, έπρεπε να επιλέξουμε ένα ζεύγος ηλεκτρονίων για να κινηθούμε για να δημιουργήσουμε έναν διπλό δεσμό. Επιλέξαμε το αριστερό άτομο οξυγόνου, αλλά δεν θα μπορούσαμε να είχαμε επιλέξει το σωστό άτομο οξυγόνου για να πάρουμε κάτι τέτοιο;:
Η απάντηση είναι ναι, αυτή είναι επίσης μια έγκυρη δομή Lewis για το διοξείδιο του αζώτου. Ωστόσο, αυτή η δομή είναι προφανώς διαφορετική για την προηγούμενη. ο διπλός δεσμός βρίσκεται στα δεξιά αντί για τα αριστερά. Εάν και οι δύο δομές Lewis είναι νόμιμες, τότε ποια είναι η «πραγματική» δομή Lewis του διοξειδίου του αζώτου; Η απάντηση είναι: και τα δύο.
Σε περιπτώσεις όπου υπάρχουν περισσότερες από μία νόμιμες δομές Lewis για μια ένωση, ολόκληρη η δομή Lewis αντιπροσωπεύεται ως μέσος όρος των πολλαπλών δομών. Αυτές οι δομές είναι γνωστές ως δομές συντονισμού και χρησιμοποιούνται για ενώσεις των οποίων η διαμόρφωση ηλεκτρονίων δεν μπορεί να αναπαρασταθεί πλήρως από ένα μοναδικό διάγραμμα Lewis. Μια δομή συντονισμού για τα δύο μας διαγράμματα για το διοξείδιο του αζώτου μοιάζει με:
Η «πραγματική» δομή του διοξειδίου του αζώτου ερμηνεύεται ως κάποιος συνδυασμός των δύο διαγραμμάτων. Οι δομές συντονισμού είναι δυνατές επειδή, για ορισμένες ενώσεις, τα ζεύγη ηλεκτρονίων είναι μετατοποθετημένα και ταλαντεύονται μεταξύ μιας διαμόρφωσης και μιας άλλης. Απαιτούνται δομές συντονισμού επειδή οι ατομικές διαμορφώσεις ορισμένων μορίων δεν μπορούν να αποτυπωθούν με ακρίβεια με μία μόνο δομή Lewis.
Περιορισμοί των δομών Lewis
Η τήρηση των κανόνων της δομής Lewis θα σας επιτρέψει να κατασκευάσετε μια δομή Lewis για τις περισσότερες ενώσεις που παράγονται από στοιχεία κύριας ομάδας στα μπλοκ s και p του περιοδικού πίνακα. Ορισμένες οικογένειες στοιχείων δεν υπακούουν πάντα στους κανόνες για την κατασκευή δομών Lewis. Τα μέταλλα μετάπτωσης, για παράδειγμα, συχνά δεν ακολουθούν τον κανόνα της οκτάδας και μπορούν να συνδεθούν και να λάβουν έως και 12 ηλεκτρόνια σθένους. Όσο πιο κάτω πηγαίνει κανείς στον περιοδικό πίνακα, τόσο λιγότερο ισχύουν οι βασικοί κανόνες για τις δομές Lewis λόγω των εξαιρετικά βαρέων πυρήνων και των ισχυρών ηλεκτρομαγνητικών ιδιοτήτων των μεγάλων στοιχείων.
