7.4: Mashtaka rasmi na Resonance

Malengo ya kujifunza

• Compute mashtaka rasmi kwa atomi katika muundo wowote Lewis
• Matumizi mashtaka rasmi kutambua busara zaidi Lewis muundo kwa molekuli kutokana
• Eleza dhana ya resonance na kuteka miundo Lewis anayewakilisha aina resonance kwa molekuli fulani

Hapo awali, tulijadili jinsi ya kuandika miundo ya Lewis kwa molekuli na ions polyatomic. Katika baadhi ya matukio, hata hivyo, kuna inaonekana zaidi ya muundo mmoja halali kwa molekuli. Tunaweza kutumia dhana ya mashtaka rasmi kutusaidia kutabiri sahihi zaidi muundo Lewis wakati zaidi ya moja ni busara.

Kuhesabu Malipo rasmi

Malipo rasmi ya atomu katika molekuli ni malipo ya nadharia ambayo atomu ingekuwa nayo kama tungeweza kugawa tena elektroni katika vifungo sawasawa kati ya atomi. Njia nyingine ya kusema hii ni kwamba matokeo rasmi ya malipo wakati sisi kuchukua idadi ya elektroni valence ya atomi neutral, Ondoa elektroni nonbonding, na kisha Ondoa idadi ya vifungo kushikamana na kwamba atomi katika muundo Lewis.

Hivyo, tunahesabu malipo rasmi kama ifuatavyo:

\[\textrm{formal charge = # valence shell electrons (free atom) − # lone pair electrons − }\dfrac{1}{2}\textrm{ # bonding electrons} \nonumber \]

Tunaweza kuangalia mara mbili mahesabu rasmi ya malipo kwa kuamua jumla ya mashtaka rasmi kwa muundo mzima. Jumla ya mashtaka rasmi ya atomi zote katika molekuli lazima iwe sifuri; jumla ya mashtaka rasmi katika ioni yanapaswa kuwa sawa na malipo ya ioni.

Lazima tukumbuke kwamba malipo rasmi yaliyohesabiwa kwa atomu sio malipo halisi ya atomu katika molekuli. Malipo rasmi ni utaratibu muhimu tu wa kuweka vitabu; haionyeshi kuwepo kwa mashtaka halisi.

Mfano\(\PageIndex{1}\): Calculating Formal Charge from Lewis Structures

Weka mashtaka rasmi kwa kila atomi katika ioni ya interhalogen\(\ce{ICl4-}\).

Suluhisho la S

Tunagawanya jozi za elektroni za kuunganisha sawa kwa\(\ce{I–Cl}\) vifungo vyote:

Tunawapa jozi moja za elektroni kwenye atomi zao. Kila atomu ya Cl sasa ina elektroni saba zinazopewa, na atomi ya I ina nane.

Ondoa nambari hii kutoka kwa idadi ya elektroni za valence kwa atomi ya neutral:

• I: 7 — 8 = -1
• Cl: 7 — 7 = 0

Jumla ya mashtaka rasmi ya atomi zote ni sawa na -1, ambayo ni sawa na chaji ya ioni (—1).

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

Tumia malipo rasmi kwa kila atomi katika molekuli ya monoxide ya kaboni:

Jibu

C -1, O +1

Mfano\(\PageIndex{2}\): Calculating Formal Charge from Lewis Structures

Weka mashtaka rasmi kwa kila atomi katika molekuli ya interhalogen\(\ce{BrCl3}\).

Suluhisho

Weka moja ya elektroni katika kila dhamana Br—Cl kwa atomi ya Br na moja kwa atomi ya Cl katika dhamana hiyo:

Hawawajui jozi lone kwa atomi zao. Sasa kila atomu ya Cl ina elektroni saba na atomu ya Br ina elektroni saba.

Ondoa nambari hii kutoka kwa idadi ya elektroni za valence kwa atomi ya neutral. Hii inatoa malipo rasmi:

• Br: 7 — 7 = 0
• Cl: 7 — 7 = 0

Atomi zote katika\(\ce{BrCl3}\) kuwa na malipo rasmi ya sifuri, na jumla ya mashtaka rasmi jumla sifuri, kama ni lazima katika molekuli neutral.

Zoezi\(\PageIndex{2}\)

Kuamua malipo rasmi kwa kila atomi katika\(\ce{NCl3}\).

Jibu

N: 0; atomi zote tatu za Cl: 0

 

 

Kutumia Charge Rasmi Kutabiri Masi Muundo

Mpangilio wa atomi katika molekuli au ioni huitwa muundo wake wa masi. Mara nyingi, kufuata hatua kwa ajili ya kuandika miundo Lewis inaweza kusababisha zaidi ya moja inawezekana Masi muundo-tofauti nyingi dhamana na lone-jozi elektroni uwekaji au mipango tofauti ya atomi, kwa mfano. Miongozo michache inayohusisha malipo rasmi inaweza kuwa na manufaa katika kuamua ni ipi ya miundo iwezekanavyo ni uwezekano mkubwa kwa molekuli fulani au ion.

Kutabiri Miongozo ya Muundo wa Masi

1. Muundo wa Masi ambayo mashtaka yote rasmi ni sifuri ni vyema kwa moja ambayo baadhi ya mashtaka rasmi si sifuri.
2. Ikiwa muundo wa Lewis lazima uwe na mashtaka yasiyo ya sifuri rasmi, utaratibu na mashtaka madogo yasiyo ya zero rasmi ni bora.
3. Miundo ya Lewis ni vyema wakati mashtaka ya karibu rasmi ni sifuri au ya ishara tofauti.
4. Wakati tunapaswa kuchagua miongoni mwa miundo kadhaa Lewis na mgawanyo sawa wa mashtaka rasmi, muundo na mashtaka hasi rasmi juu ya atomi zaidi electronegative ni vyema.

Kuona jinsi miongozo hii inatumika, hebu fikiria baadhi ya miundo iwezekanavyo kwa dioksidi kaboni,\(\ce{CO2}\). Tunajua kutokana na majadiliano yetu ya awali kwamba atomu ndogo ya electronegative kawaida inachukua nafasi kuu, lakini mashtaka rasmi yanatuwezesha kuelewa kwa nini hii inatokea. Tunaweza kuteka uwezekano wa tatu kwa muundo: kaboni katikati na vifungo viwili, kaboni katikati na dhamana moja na tatu, na oksijeni katikati na vifungo viwili:

 

Miundo mitatu ya Lewis imeonyeshwa. Miundo ya kushoto na ya kulia inaonyesha atomi ya kaboni iliyounganishwa mara mbili na atomi mbili za oksijeni, ambayo kila moja ina jozi mbili za elektroni. Muundo wa kituo unaonyesha atomu ya kaboni ambayo ni mara tatu inayounganishwa na atomu ya oksijeni yenye jozi moja ya elektroni na moja iliyofungwa kwa atomu ya oksijeni yenye jozi tatu za elektroni. Muundo wa tatu unaonyesha atomi ya oksijeni iliyounganishwa mara mbili na atomu nyingine ya oksijeni yenye jozi mbili za elektroni. Atomu ya kwanza ya oksijeni pia imeunganishwa mara mbili kwa atomu ya kaboni yenye jozi mbili za elektroni.

Kulinganisha mashtaka matatu rasmi, tunaweza dhahiri kutambua muundo upande wa kushoto kama vyema kwa sababu ina tu mashtaka rasmi ya sifuri (Mwongozo 1).

Kama mfano mwingine, ioni ya thiocyanate, ioni inayotokana na atomi ya kaboni, atomi ya nitrojeni, na atomi ya sulfuri, inaweza kuwa na miundo mitatu tofauti ya Masi:\(\ce{CNS^{–}}\)\(\ce{NCS^{–}}\),, au\(\ce{CSN^{–}}\). Mashtaka rasmi yaliyopo katika kila moja ya miundo hii ya Masi yanaweza kutusaidia kuchukua utaratibu wa uwezekano mkubwa wa atomi. Miundo inayowezekana ya Lewis na mashtaka rasmi kwa kila moja ya miundo mitatu inayowezekana kwa ioni ya thiocyanate huonyeshwa hapa:

 

Safu mbili za miundo na namba zinaonyeshwa. Mstari wa juu umeandikwa, “Muundo” na unaonyesha miundo mitatu ya Lewis na mstari wa chini umeandikwa, “Malipo rasmi.” Muundo wa kushoto unaonyesha atomu ya kaboni iliyounganishwa mara mbili na atomu ya nitrojeni yenye jozi mbili za elektroni pekee upande mmoja na mara mbili zimeunganishwa na atomu ya sulfuri yenye jozi mbili za elektroni pekee upande mwingine. Mfumo umezungukwa na mabano na una ishara mbaya ya superscripted. Chini ya muundo huu ni namba hasi moja, sifuri, na sifuri. Muundo wa kati unaonyesha atomi ya kaboni yenye jozi mbili pekee za elektroni zilizounganishwa mara mbili kwa atomu ya nitrojeni ambayo inaunganishwa mara mbili na atomu ya sulfuri yenye jozi mbili za elektroni pekee. Mfumo umezungukwa na mabano na una ishara mbaya ya superscripted. Chini ya muundo huu ni namba hasi mbili, chanya moja, na sifuri. Muundo sahihi unaonyesha atomi ya kaboni yenye jozi mbili za elektroni pekee zilizounganishwa mara mbili kwa atomu ya sulfuri ambayo inaunganishwa mara mbili na atomu ya nitrojeni yenye jozi mbili za elektroni pekee. Mfumo umezungukwa na mabano na una ishara mbaya ya superscripted. Chini ya muundo huu ni namba hasi mbili, chanya mbili, na moja.

Kumbuka kwamba jumla ya mashtaka rasmi katika kila kesi ni sawa na malipo ya ion (-1). Hata hivyo, mpangilio wa kwanza wa atomi hupendelewa kwa sababu ina idadi ya chini kabisa ya atomi yenye mashtaka rasmi yasiyo ya sifuri (Mwongozo 2). Pia, inaweka angalau electronegative atomi katikati, na malipo hasi juu ya kipengele zaidi electronegative (Mwongozo 4).

Mfano\(\PageIndex{3}\): Using Formal Charge to Determine Molecular Structure

Oxydi ya nitrous, N ₂ O, inayojulikana kama gesi ya kucheka, hutumiwa kama anesthetic katika upasuaji mdogo, kama vile uchimbaji wa kawaida wa meno ya hekima. Je, ni muundo gani wa uwezekano wa oksidi ya nitrous?

Solution Kuamua malipo rasmi mavuno yafuatayo:

Muundo na atomi ya oksijeni ya mwisho hutimiza vigezo vya usambazaji imara zaidi wa malipo rasmi:

Idadi ya atomi na mashtaka rasmi ni kupunguzwa (Mwongozo 2), na hakuna malipo rasmi kubwa kuliko moja (Mwongozo 2). Hii ni tena sambamba na upendeleo wa kuwa na atomi chini ya electronegative katika nafasi ya kati.

Zoezi\(\PageIndex{3}\)

Ambayo ni muundo mkubwa wa Masi kwa ioni ya nitriti (\(\ce{NO2-}\))?

Jibu

\(\ce{ONO^{–}}\)

Resonance

Huenda umeona kwamba anioni ya nitriti katika Mfano\(\PageIndex{3}\) inaweza kuwa na miundo miwili iwezekanavyo na atomi katika nafasi sawa. Elektroni zinazohusika katika dhamana ya N—O mara mbili, hata hivyo, ziko katika nafasi tofauti:

 

Miundo miwili ya Lewis imeonyeshwa. Muundo wa kushoto unaonyesha atomi ya oksijeni yenye jozi tatu za elektroni moja iliyofungwa kwa atomu ya nitrojeni yenye jozi moja ya elektroni ambayo ni mara mbili iliyounganishwa na oksijeni yenye jozi mbili za elektroni. Mabako yanazunguka muundo huu, na kuna ishara mbaya ya superscripted. Muundo wa kulia unaonyesha atomi ya oksijeni yenye jozi mbili za elektroni zilizounganishwa mara mbili kwa atomu ya nitrojeni yenye jozi moja ya elektroni ambayo ni moja iliyounganishwa na atomu ya oksijeni yenye jozi tatu za elektroni. Mabako yanazunguka muundo huu, na kuna ishara mbaya ya superscripted.

Kama nitriti ions kufanya kweli vyenye moja na mara mbili dhamana, tunataka kutarajia kwa mbili urefu dhamana kuwa tofauti. Dhamana mara mbili kati ya atomi mbili ni mfupi (na nguvu) kuliko dhamana moja kati ya atomi hizo mbili. Majaribio yanaonyesha, hata hivyo, kwamba vifungo vya N - O\(\ce{NO2-}\) vina nguvu sawa na urefu, na vinafanana katika mali nyingine zote.

Haiwezekani kuandika muundo mmoja wa Lewis ambao nitrojeni ina octet na vifungo vyote ni sawa.\(\ce{NO2-}\) Badala yake, tunatumia dhana ya resonance: ikiwa miundo miwili au zaidi ya Lewis yenye mpangilio huo wa atomi inaweza kuandikwa kwa molekuli au ion, usambazaji halisi wa elektroni ni wastani wa ule unaoonyeshwa na miundo mbalimbali ya Lewis. Usambazaji halisi wa elektroni katika kila moja ya vifungo vya nitrojeni na oksijeni ndani\(\ce{NO2-}\) ni wastani wa dhamana mbili na dhamana moja. Sisi wito mtu binafsi Lewis miundo resonance aina. Mfumo halisi wa umeme wa molekuli (wastani wa fomu za resonance) huitwa mseto wa resonance wa aina za resonance za mtu binafsi. Mshale unaoongozwa mara mbili kati ya miundo ya Lewis unaonyesha kuwa ni aina za resonance. Hivyo, muundo wa elektroniki wa\(\ce{NO2-}\) ion unaonyeshwa kama:

 

Miundo miwili ya Lewis huonyeshwa kwa mshale unaoongozwa mara mbili uliotolewa kati yao. Muundo wa kushoto unaonyesha atomi ya oksijeni yenye jozi mbili pekee za elektroni zilizounganishwa mara mbili kwa atomu ya nitrojeni yenye jozi moja ya elektroni ambayo ni moja iliyounganishwa na atomu ya oksijeni yenye jozi tatu za elektroni. Mabako yanazunguka muundo huu, na kuna ishara mbaya ya superscripted. Muundo sahihi unaonyesha atomi ya oksijeni yenye jozi tatu za elektroni moja iliyounganishwa na atomi ya nitrojeni yenye jozi moja ya elektroni ambayo ni mara mbili iliyounganishwa na atomu ya oksijeni yenye jozi mbili za elektroni. Mabako yanazunguka muundo huu, na kuna ishara mbaya ya superscripted.

Tunapaswa kukumbuka kwamba molekuli iliyoelezwa kama mseto wa resonance haijawahi kuwa na muundo wa elektroniki ulioelezwa na fomu ama ya resonance. Haibadilishana kati ya fomu za resonance; badala yake, muundo halisi wa elektroniki daima ni wastani wa ile iliyoonyeshwa na aina zote za resonance. George Wheland, mmoja wa waanzilishi wa nadharia ya resonance, alitumia mfano wa kihistoria kuelezea uhusiano kati ya fomu za resonance na mahuluti ya resonance. Msafiri wa medieval, baada ya kamwe kuona vifaru, aliielezea kama mseto wa joka na nyati kwa sababu ilikuwa na mali nyingi sawa na wote wawili. Kama vile vifaru sio joka wakati mwingine wala nyati wakati mwingine, mseto wa resonance sio aina zake za resonance wakati wowote. Kama vifaru, ni chombo halisi ambacho ushahidi wa majaribio umeonyesha kuwepo. Ina sifa fulani zinazofanana na fomu zake za resonance, lakini fomu za resonance wenyewe ni rahisi, picha za kufikiri (kama nyati na joka).

Anion carbonate\(\ce{CO3^2-}\), hutoa mfano wa pili wa resonance:

 

Tatu Lewis miundo ni umeonyesha kwa mishale mara mbili inaongozwa katika kati. Kila muundo umezungukwa na mabano, na kila mmoja ana ishara mbili hasi. Muundo wa kushoto unaonyesha atomi ya kaboni iliyounganishwa na atomi tatu za oksijeni. Ni moja Bonded kwa mbili ya atomi hizi oksijeni, ambayo kila mmoja ina jozi tatu lone ya elektroni, na mara mbili bonded kwa tatu, ambayo ina jozi mbili lone ya elektroni. Dhamana ya mara mbili iko kati ya atomi ya chini ya kushoto ya oksijeni na atomi ya kaboni. Miundo ya kati na ya kulia ni sawa na ya kwanza, lakini nafasi ya oksijeni iliyofungwa mara mbili imehamia oksijeni ya chini ya kulia katika muundo wa kati na oksijeni ya juu katika muundo sahihi.

Atomu moja ya oksijeni lazima iwe na dhamana mbili kwa kaboni ili kukamilisha octet kwenye atomu ya kati. Atomi zote oksijeni, hata hivyo, ni sawa, na dhamana mara mbili inaweza kuunda kutoka yoyote moja ya atomi tatu. Hii inatoa aina tatu za resonance za ion carbonate. Kwa sababu tunaweza kuandika miundo mitatu ya resonance inayofanana, tunajua kwamba mpangilio halisi wa elektroni katika ion ya carbonate ni wastani wa miundo mitatu. Tena, majaribio yanaonyesha kwamba vifungo vyote vya C - O ni sawa.

Muhtasari

Katika muundo wa Lewis, mashtaka rasmi yanaweza kupewa kila atomu kwa kutibu kila dhamana kana kwamba nusu moja ya elektroni hupewa kila atomu. Hizi nadharia mashtaka rasmi ni mwongozo wa kuamua sahihi zaidi Lewis muundo. Mfumo ambao mashtaka rasmi ni karibu na sifuri iwezekanavyo hupendekezwa. Resonance hutokea katika hali ambapo miundo miwili au zaidi ya Lewis yenye mipangilio inayofanana ya atomi lakini mgawanyo tofauti wa elektroni unaweza kuandikwa. Usambazaji halisi wa elektroni (mseto wa resonance) ni wastani wa usambazaji unaoonyeshwa na miundo ya mtu binafsi ya Lewis (fomu za resonance).

Mlinganyo muhimu

• \(\textrm{formal charge = # valence shell electrons (free atom) − # one pair electrons − }\dfrac{1}{2}\textrm{ # bonding electrons}\)

faharasa

malipo rasmi

malipo ambayo ingeweza kusababisha atomi kwa kuchukua idadi ya elektroni valence juu ya atomi neutral na kutoa elektroni nonbonding na idadi ya vifungo (nusu moja ya elektroni bonding)

muundo wa molekuli

utaratibu wa atomi katika molekuli au ion

udukiziwimbi

hali ambayo muundo mmoja wa Lewis haitoshi kuelezea kuunganisha katika molekuli na wastani wa miundo mingi huzingatiwa

aina za resonance

miundo miwili au zaidi ya Lewis ambayo ina mpangilio sawa wa atomi lakini mipango tofauti ya elektroni

mseto resonance

wastani wa aina resonance inavyoonekana na miundo ya mtu binafsi Lewis