Формален заряд и Люисови структури

В предишното видео видяхме няколко стъпки за чертане на точкови структури. В това видео ще използваме същите стъпки, за да начертаем още няколко структури. Но също ще поговорим как формалният заряд се свързва с точковата структура. Ще се върнем към определението след малко. Сега нека начертаем бърза точкова структура за амонячен катион. NH4+. Първото нещо, което правиш, е да намериш общия брой валентни електрони. И гледаш периодичната таблица. Намираш азота, който е в група 5. Следователно азотът има 5 валентни електрони. Всеки водороден атом има по 1. И имаме четири такива. Тоест имаме 5 + 4, което ни дава 9 електрона. Но има +1 заряд. Което означава, че това е катион, а това означава, че тук ще изгубим един електрон. Вместо да представяме девет в точковата си структура, ще представим осем електрона. И нека поставим азота в центъра. Помни, поставяш най-слабо електроотрицателния атом в центъра, освен водорода. Азотът ще е в центъра. И знаем, че ще имаме връзки с четири водородни атома, така че ще поставим тези водородни атома тук. И да видим колко валентни електрони сме използвали в точковата си структура. 2, 4, 6 и 8. Погрижихме се за всички 8 валентни електрони, които трябваше да представим. Това е структурата. И мога да поставя скоби около нея. И заряд +1, за да покажа, че това е йон. И това е точковата структура за амонячния катион. Да видим дали можем да поставим формални заряди към азота и към водорода. Ще начертая точковата структура отново. Ще начертая електроните. Знаем, че всяка от тези ковалентни връзки се състои от два електрона. Ще поставя тези два електрона тук. И ако искам да намеря формалния заряд за, да кажем, централния азот... Ще помисля за броя валентни електрони в свободните атоми. Тоест ако имаше един самостоятелен азотен атом, нали така? Погледнахме периодичната таблица, той е в група 5. И следователно говорим за 5 валентни електрона в свободния атом азот. От това число ще извадим броя валентни електрони в свързания атом. Начинът да подходим към това е да разгледаме точковата структура и да помислим за тези два електрона в тези ковалентни връзки. Един от тях ще поставим към водорода, а един от тях ще поставим към азота. И правим това за всяка от ковалентните си връзки. Сега можем да видим, че азотът е ограден от четири валентни електрона в свързания атом. Нека запиша това. Това е 5 - 4. 5 - 4, разбира се, е 1. Имаме +1 формален заряд за азота. Този азот е с +1 формален заряд. Нека направим това за водорода. Водородът е в група 1 на периодичната таблица. Нека посоча това. Това е за азота и после за водорода. Той е в група 1. Един валентен електрон в свободния атом. И от това ще извадим броя валентни електрони в свързания атом. Ако погледнем тук, свързахме един валентен електрон тук към всеки водороден атом. Следователно това е 1-1, или 0. Има 0 формален заряд за всички водородни атоми в амонячния катион. И ето така свързваме формалните заряди. Да видим как това влияе върху крайната ни точкова структура. Пример за това ще е нещо като сярна киселина. Първата стъпка, разбира се, е да изчислим общия брой валентни електрони, за които трябва да помислим, в точковата си структура. Отново, всеки водород е 1, имам два такива. Сярата е в шеста група на периодичната таблица, следователно има 6 валентни електрона. Кислородът също е в група 6. Имаме 6 и имаме 4 такива. 6*4 е 24. Имаме 24 + 6, което е 30, плюс 2 е 32. Трябва да помислим за 32 валентни електрона в точковата си структура за сярната киселина. След това избираме централния атом. Отново, игнорираш водорода, така че изборът е между сяра и кислород. И ако погледнеш периодичната таблица, виждаш, че кислородът е по-нависоко в група 6, отколкото сярата. Следователно кислородът е по-електроотрицателен. И следователно ще поставим сярната киселина в центъра. Ще поставим сярата ето тук. Отново, погледни правилата от предишното видео, ако това не ти се стори логично. Имаме сяра, свързана с четири кислородни атома. Ще поставя четирите кислородни атома тук, ето така. И после имам два водородни атома. И според опита ни, тук говорим за киселина. Ще поставиш водородните на кислородните атоми. И ще поставим водородните атоми тук. И да видим колко валентни електрона сме използвали, за да начертаем този "скелет" тук. Имаме 2, 4, 6, 8, 10 и 12. Използвали сме 12 валентни електрона, тоест 32 - 12 ни дава 20 останали валентни електрона. И, помни, следващата стъпка е да назначим някои от тези останали електрони към някои от крайните атоми. Но, отново, няма да назначим тези електрони към водорода, понеже водородът вече е ограден от два електрона. И ще опитаме да поставим тези електрони към кислорода. Кислородът ще следва октетното правило. Нека изследваме, да кажем, горният кислороден атом. И можем да видим, че горният кислороден атом е ограден от два електрона в зелено. И ако ще му дадем октет, на него му трябват още 6. Имаме 1, 2, 3, 4, 5, 6. Същото нещо важи за долния кислороден атом, трябва му октет. Даваме му още шест електрона, ето така. Имаме и тези други кислородни атоми ето тук, за които трябва да помислим. Нека използвам зелено отново. Да кажем, че този кислороден атом тук вляво, този, който е свързан с този водороден атом... Това са два електрона и това са още два за общо 4. За да има октет, на него му трябват още 4. Това означава, че ще поставим две отделни двойки електрони към този атом кислород. И ще направим същото нещо за този кислороден атом. Да видим, колко електрона представихме тук? Имахме 6 на горния кислороден атом, 6 на долния кислороден атом. Това са 12. И после имахме 4 вляво и още 4 вдясно. Това са 8. 12 + 8 е 20. Сега представихме всички валентни електрони, които трябваше да покажем. Да помислим за това като за крайната точкова структура. Имаме октет около сярата, октет около кислорода, а водородът е наред. Може да помислиш, че тук сме готови. Но нека поставим няколко формални заряда. И да видим какво прави това. Нека начертая няколко електрона тук. Знаем, че всяка връзка се състои от два електрона. Ще ги направя в червено, ето така. И нека поставим формален заряд към горния кислороден атом тук. Този горен кислороден атом. Във връзката между кислородът и сярата... ще дам един от тези електрони на кислорода и един от тези електрони на сярата. И мога да видя, че кислородът е ограден от 7 електрони в един свободен атом, нали така? Ще очакваме кислородът да има 6 валентни електрони, 6 - 7 в този случай ни дава формален заряд от -1. И този горен атом кислород има формален заряд от -1. Ситуацията за този долен кислороден атом е същата. Този също има формален заряд от -1. Нека разгледаме сярата. Ако проучим сярата тук, знаем – сярата е в шеста група на периодичната таблица. Обикновено има шест валентни електрона в свободния атом. И в тази ситуация, нека продължим и... знаем, че този един кислороден атом – трябва да кажа този един електрон, преминава към сярата. И в тази връзка между кислорода и сярата, сярата ще получи един електрон. И така нататък, чак дотук. Сярата е оградена от четири електрона в свързания атом. Това е 6 - 4, което е формален заряд от +2. Тази точкова структура може да изглежда все едно сме готови, но имаме доста формални заряди. Имаме -1, +2 и -1. Обикновено молекулите предпочитат да имат – предпочитат да минимизират формалния заряд. И ако има начин да направим този формален заряд колкото е възможно по-близо до 0, това ще е предпочитаната точкова структура. И нека начертаем това отново много набързо. И да видим дали можем да придвижим някои от електроните, за да минимизираме формалните заряди. Сега не можем да добавим повече електрони, понеже вече представихме всички 32 валентни електрона, които трябваше. Единственото нещо, което можем да направим, е да споделим още повече електрони. И ако взема два електрона от този горен кислороден атом тук... Ако взема тези два електрона и ги преместя ето тук... И ако взема тези два електрона ето тук, и ги преместя ето тук, за да образувам двойни връзки... Нека разгледаме и да видим как ще изглежда точковата ни структура и да поставим няколко формални заряда. И ще имам сяра, двойно свързана с този горен кислороден атом и двойно свързана с този долен кислороден атом. Горният кислороден атом има само две отделни двойки електрони. Същото важи за долния кислороден атом. И тези кислородни атоми са еднакви, с ОН вляво. И после имаме ОН вдясно, ето тук. Нека разгледаме формалните заряди. Ще поставим нашите електрони. Нека направим това. И, отново, ще направим същото нещо, което направихме преди. Назначаването на формалните заряди ще започне с този горен кислороден атом тук. Горният кислороден атом. Шест валентни електрона в свободния атом. И после, ако направя това, можеш да видиш, че тук има 6. 6 - 6 ни дава формален заряд от 0. Горният кислороден атом сега е 0. Същото нещо е валидно за долния кислороден атом, този е 0. Нека сега разгледаме сярата. Обикновено говорим за 6 за сярата. И да видим колко валентни електрона има на свързания атом тук. Правим същото назначаване на електрони, което направихме преди. И сега можем да видим, че сярата е оградена от 6. Имаме 6 - 6, което ни дава формален заряд от 0. И ако поставиш формален заряд към един от тези други кислородни атоми... Нека направим това набързо. Един от тези кислородни атоми тук. Ще направя това за кислородния атом вдясно. Да видим колко валентни електрона има около този атом. Имаме общо 6. 6 - 6 е формален заряд от 0. И тази точкова структура всъщност ни дава формални заряди от 0 за всичко. И това ще е предпочитаната структура. И нека говорим за октетите. Знаем, че водородът е щастлив, както е ограден от два електрона. Знаем, че кислородът е щастлив с един октет. И можеш да видиш, че всички кислородни атоми имат един октет. Сярата в този случай не е оградена от октет. Тя има увеличен външен слой. Не е проблем сярата да има увеличен валентен слой, понеже е в третия период на периодичната таблица. И говорихме защо това не е проблем в предишното видео. Това е още едно нещо, за което да помислиш, когато чертаеш точкови структури. Понякога формалният заряд ще повлияе на крайната структура на молекулата или йона.