ELEKTRNSKE STRUKTURNE FRMULE SADRŽAJ: 1. LEWISVE STRUKTURE 1.1. koraci u crtanju Lewisovih struktura 1.2. odstupanje od pravila okteta 2. GEMETRIJA MLEKULA 2.1. uvod 2.2. koraci u riješavanju problema 3. PRIMJERI 3.1. AX 3.2. AX 2 E 1/2 3.3. AX 3 E 3.4. AX 2 E 2 3.5. AX 2 (sp-hibridizacija) 3.6. AX 3 (sp 2 hibridizacija) 3.7. AX 4 (sp 3 -hibridizacija) 1
1. Lewisove strukture 1.1. koraci u crtanju Lewisovih struktura 1. Skicira se kostur strukture koja prikazuje kako su atomi međusobno vezani. Za vrlo složene spojeve moramo imati dodatne informacije. Centralni atom je obično atom najmanje elektronegativnosti. Vodik i fluor obično zauzimaju krajnje (zadnje) mjesto u Lewisovoj strukturi. Raspored atoma može biti proizvoljan. N N S 2. Izbroje se svi prisutni valentni elektroni, a za poliatomne anione još se sumi valentnih elektrona pribroji negativan naboj. Za poliatomne katione oduzimamo od sume valentnih elektrona pozitivni naboj, molekula amonijaka, N 3, ima (5+3 1) 8 elektrona kation, amonijev ion, N 4+, ima (5+4 1-1) 8 elektrona anion, sulfatni ion, S 4 2-, ima (6+4 6+2) 32 elektrona 2
1.1. koraci u crtanju Lewisovih struktura 3. Nacrtamo jednostruke kovalentne veze između centralnog atoma i atoma koji ga okružuju. N N S 4. Kompletiramo oktete atoma vezanih na centralni atom. Elektroni koji pripadaju atomima, a nisu uključeni u vezu se prikazuju kao elektronski par. N N S 1.1. koraci u crtanju Lewisovih struktura 4. Ako centrali atom nema oktet, onda pokušamo napraviti dvostruku ili trostruku vezu između centralnog atoma i atoma koji ga okružuju, koristeći elektronske parove okolnih atoma. N N 5. Provjera broja elektrona koji tvore molekulu. Ukupan broj elektrona mora biti jednak onom iz koraka 2. 3
1.1. koraci u crtanju Lewisovih struktura 5. Utvrđivanje formalnih naboja. Razlika između broja valentnih elektrona u izoliranom (neutralnom) atomu i broja elektrona pridruženih atomu u Lewisovoj strukturi se naziva formalni naboj. form. naboj = svi valentni elektroni u atomu - broj elektrona koji ne sudjeluju u vezi - 1/2 elektrona koji sudjeluju u vezi. FN (N): 5-2-(6/2) = 0 FN (): 1-0-(2/2) = 0 FN (N): 5-0-(8/2) = +1 FN (): 1-0-(2/2) = 0 FN (S): 6-0-(8/2) = +2 FN (0): 6-6-(2/2) = -1 1.1. koraci u crtanju Lewisovih struktura 5a. Utvrđivanje formalnih naboja. Jednostavnije se formalni naboji mogu utvrditi da se vezni elektronski parovi podjednako raspodjele između atoma koje tako povezuju. Nadalje, ukoliko atom koji sudjeluje u vezi ima i slobodne elektronske parove, tada se i oni njemu pribrojavaju. Zatim se ovaj broj elektrona oduzima od broja elektrona neutralnog atoma. 4, 5 1 3 2 2 3 1 4 1 3 4 2 1 FN (N): 5-5= 0 FN (): 1-1= 0 FN (N): 5-4= +1 FN (): 1-1= 0 FN (S): 6-4= +2 FN (): 6-7= -1 NAPMENA: Formalni naboj nije stvarni naboj atoma u molekuli! 4
1.1. koraci u crtanju Lewisovih struktura NAPMENA: Često se u literaturi (pogotovu anglosaksonskoj) mogu naći Lewisove strukture s proširenim oktetima (iako u stvarnosti dvostruke veze ne postoje). Razlog tome je što se, u takvom pristupu, preferiraju strukture gdje će atomi imati što manji formalni naboj. 1,2 3,4 5,6 7 1 5, 6 4 1,2 2, 3 7 3,4 1,2 5,6 FN (S): 6-6= 0 FN 2(): 6-6= 0 FN 2(): 6-7= -1 5,6 3,4 1.2. odstupanja od pravila okteta 1) nepotpuni oktet (broj elektrona oko središnjeg atoma manji od 8) primjer: Be 2 Be elementi 13. skupine posebno B i Al prave spojeve u kojima manje od 8 elektrona okružuje centralni atom: BF 3 F F B F 2) molekule s neparnim brojem elektrona 5
1.2. odstupanja od pravila okteta 3) prošireni oktet (više od osam elektrona okružuje atom; 3d orbitale koriste prilikom vezivanja) elementi treće periode i ispod (d-orbitale) SF 6, svaki od 6 valentnih elektrona sumpora čini kovalentnu vezu s fluorovim atomom, pa je oko centralnog atoma sumpora 12 elektrona 2. geometrija molekula 6
2.1. uvod Primjer 1. Na osnovu shematskog prikaza rasporeda elektrona centralnog atoma, uz pretpostavku ekvivalentnosti sigma veza pretpostavite prostornu strukturu i eventualnu hibridizaciju molekule sumporovodika. Atom sumpora u svojoj valentnoj ljusci ima šest elektrona raspoređenih u 3s i 3p orbitalama. u 3s ima dva sparena elektrona, a u 3p ima joščetiri elektrona, od kojih su dva elektrona sparena, a dva nisu. Dakle, atom sumpora može stupiti u vezu s nesparenim elektronima u dvije međusobno okomite 3p y i 3p z orbitale. Svaki vodikov atom ima pak po jedan nespareni elektron u 1s orbitali. Međusobnim približavanjem vodikovih atoma sumporovom atomu doći će do djelomičnog preklapanja jedne 1s orbitale svakog vodikovih atoma s jednom od 3p orbitala sumporovog atoma s nesparenim elektronima (3p y i 3p z ). Na ovaj način nastat će po jedna veza sa svakim vodikovim atomom, te je i kut među vezama 104,5, što odgovara eksperimentalnim podacima, analogno strukturi vode. 2.2. uvod-koraci 1. Nacrtati Lewisovu strukturu molekule. 2. drediti formalni naboj svih atoma u molekuli. 3. Nacrtati elektronske konfiguracije atoma koje odgovaraju formalnim nabojima određenim u koraku 2. 4. Prebrojati ukupan broj nesparenih elektrona na atomima vezanim na centralni atom i usporediti taj broj s ukupnim brojem nesparenih elektrona na centralnom atomu. Ukoliko je taj broj jednak preći na korak 6. Ukoliko na centralnom atomu postoji nedostatak nesparenih elektrona, raspariti postojeće el. parove i smjestiti nespareni elektron u praznu orbitalu. 5. Broj σ veza koje će centralni atom tvoriti odgovara broju atoma vezanih na njega. Kako σ veze moraju biti ekvivalentne, tako i energija elektrona (na centralnom atomu) koji ih tvore mora biti ista. Ukoliko se radi o nesparenim elektronima koji se nalaze u različitim orbitalama, nužno je kombinirati različite orbitale za dobivanje hibridnih orbitala koje bi tvorile σ veze. Prema tome, nužno je kombinirati onoliko orbitala koliko ih je potrebno za formiranje σ veza (koliko je i "bočnih" atoma). statak elektrona na oba atoma će tvoriti neki drugi tip veze (npr. π vezu). 7
2.2. uvod-koraci 6. Svaki bočni atom će formirati jednu sigma vezu s nesparenim elektronima centralnog atoma. Ukoliko je došlo do hibridizacije centralnog atoma (korak 5), tada će se sigma veze tvoriti samo s hibridnim orbitalama centralnog atoma. 7. Ukoliko postoje, preostali nespareni elektroni na "bočnim" atomima će tvoriti drugi tip veze (π) s preostalim nesparenim elektronima na centralnom atomu. vdje treba paziti da se radi o bočnom preklapanju orbitala istog oblika (p-orbitala "bočnog" atoma s p-orbitalom centralnog atoma). 6. ibridizacija centralnog atoma može dati uvid u geometriju molekule (vidi tablicu). 7. Geometrija molekule se može procijeniti i na osnovu broja bočnih atoma i uzimajući u obzir broj slobodnih el. parova i maksimalan kut odbijanja među njima. Npr. molekula vode. a) raspored atoma je trokut (nagnuti) b) raspored bočnih atoma i slobodnih el. parova na centralnom atomu je. 2.2. uvod Tip hibridizacije Broj energetskih istih veza sp - hibridizacija 2 pravac sp 2 - hibridizacija 3 trokut sp 3 - hibridizacija 4 tetraedar dsp 2 - hibridizacija 4 kvadrat Razmještaj veza dsp 3 - hibridizacija 5 trigonska bipiramida d 2 sp 3 - hibridizacija 6 oktaedar d 4 sp 3 - hibridizacija 8 dodekaedar 8
Elektronski parovi Razmještaj ukupno u σ vezi slobodni elektronskih parova Geometrija molekule Primjer 3. primjeri 9
3.1. AX Cl - 3.1. AX C 10
3.2. AX 2 E 1/2 (nespareni elektron) N 2 p 2 nagnuti trokut, savijena struktura nespareni elektron GEMETRIJSKI RASPRED EL. "PARVA" NA CENTRALNM ATMU: trokut GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: trokut AX 2 E 1/2 3.3. AX 3 E (slobodni el. par) N 3 p 3 GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: tetraedar GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: piramida 11
3.3. AX 3 E (slobodni el. par) Cl - 3 p 3 GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: tetraedar GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: piramida 3.3. AX 3 E (slobodni el. par) As 3-3 p 3 GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: tetraedar GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: piramida 12
3.3. AX 3 E (slobodni el. par) S 2-3 p 3 GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: tetraedar GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: piramida 3.3. AX 2 E (slobodni el. par) N - 2 p 2 nagnuti trokut savijena struktura GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: trokut GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: trokut 13
3.4. AX 2 E 2 (dva slobodna el. para) Cl - 2 p 2 nagnuti trokut, savijena struktura GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: tetraedar GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: trokut 3.5. AX 2 (sp-hibridizacija) C 2 sp-hibridizacija, linearna molekula GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: linearan GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: linearan 14
3.5. AX 2 (sp-hibridizacija) C 2 sp-hibridizacija, linearna molekula GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: linearan GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: linearan 3.5. AX 2 (sp-hibridizacija) -Be- Be 2 sp-hibridizacija, linearna molekula -Be- GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: linearan GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: linearan 15
3.5. AX 2 (sp-hibridizacija) N 3 - sp-hibridizacija, linearna molekula GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: linearan GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: linearan 3.5. AX 2 (sp-hibridizacija) N 3 - sp-hibridizacija, linearna molekula GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: linearan GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: linearan 16
3.6. AX 3 (sp 2 -hibridizacija) N - 3 GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: istotranični trokut GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: istotranični trokut sp 2 -hibridizacija Istostranični trokut 3.6. AX 3 (sp 2 -hibridizacija) C 2-3 GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: istotranični trokut GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: istotranični trokut Istostranični trokut sp 2 -hibridizacija, istostranični trokut 17
3.6. AX 3 (sp 2 -hibridizacija) BCl 3 Istostranični trokut GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: istotranični trokut GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: istotranični trokut sp 2 -hibridizacija, istostranični trokut 3.6. AX 3 (sp 2 -hibridizacija) B 3-3 Istostranični trokut GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: istotranični trokut GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: istotranični trokut sp 2 -hibridizacija, istostranični trokut 18
3.6. AX 3 (sp 2 -hibridizacija) S 3 GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: istotranični trokut GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: istotranični trokut sp 2 -hibridizacija 3.7. AX 4 (sp 3 -hibridizacija) N + 4 sp 3 -hibridizacija GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: 19
3.7. AX 4 (sp 3 -hibridizacija) P 2-3 sp 3 -hibridizacija GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: 3.7. AX 4 (sp 3 -hibridizacija) P 3-4 GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: sp 3 -hibridizacija 20
3.7. AX 4 (sp 3 -hibridizacija) As 3-4 sp 3 -hibridizacija GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: 3.7. AX 4 (sp 3 -hibridizacija) Si 4-4 sp 3 -hibridizacija GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: 21
3.7. AX 4 (sp 3 -hibridizacija) BF - 4 sp 3 -hibridizacija GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: 3.7. AX 4 (sp 3 -hibridizacija) Cl - 4 sp 3 -hibridizacija GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: 22
3.7. AX 4 (sp 3 -hibridizacija) S 2-4 S 2 2-3 sp 3 -hibridizacija GEMETRIJSKI RASPRED EL. PARVA NA CENTRALNM ATMU: GEMETRIJSKI RASPRED ATMA KJI SUDJELUJU U VEZI: 23