Obiettivi di Apprendimento
alla fine di questa sezione, si sarà in grado di:
- Scrivi Lewis simboli per atomi neutri e ioni
- Disegnare le strutture di Lewis raffigurante il legame nelle molecole semplici
Abbiamo discusso i vari tipi di legami che si formano tra gli atomi e/o ioni. In tutti i casi, questi legami comportano la condivisione o il trasferimento di elettroni del guscio di valenza tra gli atomi. In questa sezione, esploreremo il metodo tipico per descrivere gli elettroni del guscio di valenza e i legami chimici, vale a dire i simboli di Lewis e le strutture di Lewis.
Simboli di Lewis
Usiamo simboli di Lewis per descrivere configurazioni di elettroni di valenza di atomi e ioni monatomici. Un simbolo di Lewis è costituito da un simbolo elementale circondato da un punto per ciascuno dei suoi elettroni di valenza:
La figura 1 mostra i simboli di Lewis per gli elementi del terzo periodo della tavola periodica.
Figura 1. Simboli di Lewis che illustrano il numero di elettroni di valenza per ogni elemento nel terzo periodo della tavola periodica.
I simboli di Lewis possono anche essere usati per illustrare la formazione di cationi dagli atomi, come mostrato qui per sodio e calcio:
allo stesso modo, essi possono essere utilizzati per mostrare la formazione di anioni da atomi, come illustrato di seguito per cloro e zolfo:
La figura 2 dimostra l’uso dei simboli di Lewis per mostrare il trasferimento di elettroni durante la formazione di composti ionici.
Figura 2. I cationi si formano quando gli atomi perdono elettroni, rappresentati da meno punti di Lewis, mentre gli anioni sono formati da atomi che guadagnano elettroni. Il numero totale di elettroni non cambia.
Strutture di Lewis
Usiamo anche simboli di Lewis per indicare la formazione di legami covalenti, che sono mostrati in strutture di Lewis, disegni che descrivono il legame in molecole e ioni poliatomici. Ad esempio, quando due atomi di cloro formano una molecola di cloro, condividono una coppia di elettroni:
La struttura di Lewis indica che ogni atomo Cl ha tre coppie di elettroni che non vengono utilizzati nel legame (chiamate coppie solitarie) e una coppia condivisa di elettroni (scritta tra gli atomi). Un trattino (o linea) è talvolta usato per indicare una coppia condivisa di elettroni:
Una singola coppia condivisa di elettroni è chiamata legame singolo. Ogni atomo di Cl interagisce con otto elettroni di valenza: i sei nelle coppie solitarie e i due nel singolo legame.
La regola dell’ottetto
Le altre molecole di alogeno (F2, Br2, I2 e At2) formano legami come quelli della molecola di cloro: un singolo legame tra atomi e tre coppie solitarie di elettroni per atomo. Ciò consente a ciascun atomo alogeno di avere una configurazione elettronica a gas nobile. La tendenza degli atomi del gruppo principale a formare legami sufficienti per ottenere otto elettroni di valenza è nota come regola dell’ottetto.
Il numero di legami che un atomo può formare può spesso essere previsto dal numero di elettroni necessari per raggiungere un ottetto (otto elettroni di valenza); questo è particolarmente vero per i non metalli del secondo periodo della tavola periodica (C, N, O e F). Ad esempio, ogni atomo di un elemento del gruppo 14 ha quattro elettroni nel suo guscio più esterno e quindi richiede altri quattro elettroni per raggiungere un ottetto. Questi quattro elettroni possono essere ottenuti formando quattro legami covalenti, come illustrato qui per carbonio in CCl4 (tetracloruro di carbonio) e silicio in SiH4 (silano). Poiché l’idrogeno ha bisogno solo di due elettroni per riempire il suo guscio di valenza, è un’eccezione alla regola dell’ottetto. Anche gli elementi di transizione e gli elementi di transizione interni non seguono la regola dell’ottetto:
Elementi del gruppo 15 come l’azoto hanno cinque elettroni di valenza nel simbolo di Lewis atomico: una coppia solitaria e tre elettroni spaiati. Per ottenere un ottetto, questi atomi formano tre legami covalenti, come in NH3 (ammoniaca). L’ossigeno e altri atomi nel gruppo 16 ottengono un ottetto formando due legami covalenti:
Legami doppi e tripli
Come accennato in precedenza, quando una coppia di atomi condivide una coppia di elettroni, lo chiamiamo un singolo legame. Tuttavia, una coppia di atomi potrebbe dover condividere più di una coppia di elettroni per ottenere l’ottetto richiesto. Un doppio legame si forma quando due coppie di elettroni sono condivisi tra una coppia di atomi, come tra gli atomi di carbonio e ossigeno in CH2O (formaldeide) e tra i due atomi di carbonio in C2H4 (etilene):
Un triplo legame si forma quando tre coppie di elettroni sono condivisi da una coppia di atomi, come in gas azoto (N2):
la Scrittura di Lewis Strutture, con la Regola dell’Ottetto
semplici molecole e ioni molecolari, possiamo scrivere le strutture di Lewis, semplicemente facendo coppia con l’elettrone spaiato sull’atomi costituenti. Vedi questi esempi:
Per molecole più complicate e ioni molecolari, è utile seguire la procedura passo-passo descritta qui:
- Determina il numero totale di elettroni di valenza (guscio esterno).
- Disegna una struttura scheletrica della molecola, disponendo gli atomi attorno a un atomo centrale. (Generalmente, l’elemento meno elettronegativo dovrebbe essere posizionato al centro.) Collegare ogni atomo all’atomo centrale con un singolo legame (una coppia di elettroni).
- Distribuire gli elettroni rimanenti come coppie solitarie sugli atomi terminali (tranne l’idrogeno), completando un ottetto attorno a ciascun atomo.
- Posiziona tutti gli elettroni rimanenti sull’atomo centrale.
- Riorganizzare gli elettroni degli atomi esterni per creare legami multipli con l’atomo centrale al fine di ottenere ottetti ove possibile.
Cerchiamo di determinare la struttura di Lewis di PBr3 utilizzando i passaggi precedenti:
- Passo 1: Determinare il numero totale di valenza (guscio esterno) elettroni.
\grande \begin{array}{l}\\ \phantom{\rule{0.8 em}{0ex}}{\text{PBr}}_{3}\\ \phantom{\rule{0.8 em}{0ex}}\text{P: 5 elettroni di valenza/atom}\times \text{1 atomo}=5\\ \underline{+\text{Br: 7 elettroni di valenza/atom}\times \text{3 atomi}=21}\\ \\ \phantom{\rule{15.95em}{0ex}}=\text{26 elettroni di valenza} \ end {array}
- Passo 2: Disegna una struttura scheletrica della molecola, disponendo gli atomi attorno a un atomo centrale. (Generalmente, l’elemento meno elettronegativo dovrebbe essere posizionato al centro.) Collegare ogni atomo all’atomo centrale con un singolo legame (una coppia di elettroni).
- Passo 3: Distribuire gli elettroni rimanenti come coppie solitarie sugli atomi terminali (tranne l’idrogeno), completando un ottetto attorno a ciascun atomo.
-
Passaggio 4: Posizionare tutti gli elettroni rimanenti sull’atomo centrale.
Nota: Passo 5: Non è necessario poiché tutti gli atomi hanno un ottetto.
Cerchiamo di determinare la struttura di Lewis di CH2O.
- Fase 1: Determinare il numero totale di elettroni di valenza (guscio esterno).
\grande \begin{array}{l}\\ \phantom{\rule{0.8 em}{0ex}}{\text{H}_{2}}\text{CO}\\ \phantom{\rule{0.8 em}{0ex}}\text{H: 1 di elettroni di valenza/atom}\times \text{2 atom}=2\\\text{C: 4 elettroni di valenza/atom}\times \text{1 atomo}=4\\ \underline{+\text{O: 6 elettroni di valenza/atom}\times \text{1 atomi}=6}\\ \\ \phantom{\rule{15.95 em}{0ex}}=\text{12 elettroni di valenza}\end{array}
- Passo 2: Disegnare lo scheletro della struttura della molecola, organizzando gli atomi attorno ad un atomo centrale. (Generalmente, l’elemento meno elettronegativo dovrebbe essere posizionato al centro.) Collegare ogni atomo all’atomo centrale con un singolo legame (una coppia di elettroni).
- Passo 3: Distribuire gli elettroni rimanenti come coppie solitarie sugli atomi terminali (tranne l’idrogeno), completando un ottetto attorno a ciascun atomo.
- Passaggio 4: Non necessario, poiché tutti gli elettroni sono stati posizionati. Tuttavia, il carbonio non ha un ottetto,
- Passo 5: Riorganizzare gli elettroni degli atomi esterni per creare più legami con l’atomo centrale al fine di ottenere ottetti ove possibile.
Esempio 1: Scrivere strutture di Lewis
La missione Cassini-Huygens della NASA ha rilevato una grande nube di cianuro di idrogeno tossico (HCN) su Titano, una delle lune di Saturno. Quali sono le strutture di Lewis di queste molecole?
HCN: no elettroni rimangono
Controlla il tuo apprendimento
L’anidride carbonica, CO2, è un prodotto della combustione di combustibili fossili. La CO2 è stata implicata nel cambiamento climatico globale. Qual è la struttura di Lewis della CO2?
Concetti chiave e sommario
Le strutture elettroniche di valenza possono essere visualizzate disegnando simboli di Lewis (per atomi e ioni monatomici) e strutture di Lewis (per molecole e ioni poliatomici). Coppie solitarie, elettroni spaiati e legami singoli, doppi o tripli sono usati per indicare dove gli elettroni di valenza si trovano attorno a ciascun atomo in una struttura di Lewis. La maggior parte delle strutture—specialmente quelle contenenti elementi di seconda fila—obbediscono alla regola dell’ottetto, in cui ogni atomo (tranne H) è circondato da otto elettroni. Eccezioni alla regola dell’ottetto si verificano per le molecole di elettroni dispari (radicali liberi), molecole con carenza di elettroni e molecole ipervalenti.
Esercizi
- Scrivi i simboli di Lewis per ciascuno dei seguenti ioni:
- As3 –
- I –
- Be2+
- O2 –
- Ga3 +
- Li +
- N3–
- Molti ioni monatomici si trovano nell’acqua di mare, compresi gli ioni formati dal seguente elenco di elementi. Scrivi i simboli di Lewis per gli ioni monatomici formati dai seguenti elementi:
- Cl
- Na
- Mg
- Ca
- K
- Br
- Sr
- F
- Scrivere i simboli di Lewis degli ioni in ciascuno dei seguenti composti ionici e i simboli di Lewis dell’atomo da cui sono formate:
- MgS
- Al2O3
- GaCl3
- K2O
- Li3N
- KF
- In Lewis strutture di seguito elencate, M e X rappresentano i vari elementi del terzo periodo della tavola periodica. Scrivi la formula di ciascun composto usando i simboli chimici di ciascun elemento:
- Scrivi la struttura di Lewis per la molecola biatomica P2, una forma instabile di fosforo che si trova nel vapore di fosforo ad alta temperatura.
- Scrivere le strutture di Lewis per il seguente:
- H2
- HBr
- PCl3
- Scrivere le strutture di Lewis per il seguente:
- O2
- H2CO
- AsF3
- SiCl4
Glossario
doppio legame: legame covalente in cui due coppie di elettroni sono condivisi tra due atomi
radicali liberi: molecola che contiene un numero dispari di elettroni
hypervalent molecola: molecola contenente almeno un gruppo principale elemento che ha più di otto elettroni nel suo valence shell
struttura di Lewis: diagramma che mostra lone pairs e l’incollaggio di coppie di elettroni in una molecola o di uno ione
Lewis simbolo: simbolo per un elemento o ione monoatomico che utilizza un punto per rappresentare tutti gli elettroni di valenza dell’elemento o agli ioni di
lone pair: due (un paio di) elettroni di valenza che non sono utilizzati per formare un legame covalente
regola dell’ottetto: linea guida che membri principali del gruppo di atomi si formano le strutture in cui otto elettroni di valenza di interagire con ogni nucleo, contando gli elettroni di legame come interagire con entrambi gli atomi collegati da vincolo
legame singolo: bond in cui una singola coppia di elettroni condivisi tra due atomi
triplo legame: legame in cui tre coppie di elettroni sono condivisi tra due atomi