Најважније из лекције
Луисове формуле: Приказују расподелу везивних и слободних парова према корацима: збир валентних \(e^-\) \(\rightarrow\) \(\sigma\)-скелет \(\rightarrow\) попуна спољашњих октета \(\rightarrow\) формирање вишеструких веза. За јоне се додају/одузимају електрони и стављају заграде са наелектрисањем.
Одступања: Мање од 8 \(e^-\) (\(\text{Be}\), \(\text{B}\)), непаран број \(e^-\) (\(\text{NO}\), \(\text{NO}_2\)) и проширени октет са више од 8 \(e^-\) (елементи од 3. периоде, нпр. \(\text{PCl}_5\)).
Особине везе: Већи радијус атома \(\rightarrow\) дужа и слабија веза (\(\text{Br}-\text{Br} > \text{Cl}-\text{Cl}\)). Већа вишеструкост везе \(\rightarrow\) краћа и јача веза (\(\text{C}\equiv\text{C} > \text{C}=\text{C} > \text{C}-\text{C}\)).
Одступања: Мање од 8 \(e^-\) (\(\text{Be}\), \(\text{B}\)), непаран број \(e^-\) (\(\text{NO}\), \(\text{NO}_2\)) и проширени октет са више од 8 \(e^-\) (елементи од 3. периоде, нпр. \(\text{PCl}_5\)).
Особине везе: Већи радијус атома \(\rightarrow\) дужа и слабија веза (\(\text{Br}-\text{Br} > \text{Cl}-\text{Cl}\)). Већа вишеструкост везе \(\rightarrow\) краћа и јача веза (\(\text{C}\equiv\text{C} > \text{C}=\text{C} > \text{C}-\text{C}\)).
Структурне (Луисове) формуле приказују распоред атома и расподелу валентних електрона (везивних и слободних електронских парова) у молекулу или молекулском јону са циљем да сваки атом постигне стабилан октет (или дублет за водоник).
Одређивање укупног броја валентних електрона: Саберу се сви валентни електрони свих атома у честици. Код молекулских анјона додаје се број електрона једнак негативном наелектрисању, а код катјона се одузима број електрона једнак позитивном наелектрисању.
Постављање скелета молекула: Централни атом се поставља у средину, а околни атоми се са њим повезују једноструким (\(\sigma\)) везама. За сваку везу одузимају се 2 електрона од укупног броја.
Допуњавање октета спољашњих атома: Преостали електрони се распоређују као слободни електронски парови на околне атоме док сви не постигну октет (водоник дублет). Ако преостане електрона, они се стављају на централни атом.
Формирање вишеструких веза (по потреби): Ако централни атом нема октет, слободни електронски парови са спољашњих атома преводе се у заједничке (двоструке или троструке) везе све док и централни атом не достигне октет.
Означавање наелектрисања код јона: Луисова структура молекулског јона ставља се у угласте заграде са ознаком наелектрисања у горњем десном углу (нпр. \([\text{NO}_3]^-\)).
Пример писања за \(\text{CO}_2\):
- Број електрона: \(\text{C} (4\text{e}^-) + 2 \cdot \text{O} (2 \cdot 6\text{e}^-) = 16\text{e}^-\).
- Једноструке везе: \(\text{O}-\text{C}-\text{O}\) (утрошено \(4\text{e}^-\), остаје \(12\text{e}^-\)).
- Октет кисеоника: \(\text{:\"{O}}-\text{C}-\text{\"{O}:}\) (утрошено свих \(12\text{e}^-\), али \(\text{C}\) има само \(4\text{e}^-\)).
- Претварање у двоструке везе: \(\text{:\"{O}}=\text{C}=\text{\"{O}:}\) - сви атоми имају октет.
Одредити укупан број валентних електрона за молекулски јон \(\text{NH}_4^+\).
Азот има \(5\text{e}^-\), четири водоника имају \(4 \cdot 1\text{e}^- = 4\text{e}^-\). Због позитивног наелектрисања (\(+1\)) одузима се \(1\text{e}^-\):
\[ 5\text{e}^- + 4 \cdot 1\text{e}^- - 1\text{e}^- = 8\text{e}^- \]
Неки стабилни молекули одступају од правила октета због специфичне електронске конфигурације централног атома.
Непотпун (дефицитаран) октет: Централни атом остаје са мање од 8 електрона. Ово је карактеристично за једињења берилијума (4 електрона) и бора (6 електрона), нпр. \(\text{BeH}_2\), \(\text{BH}_3\), \(\text{BCl}_3\).
Молекули са непарним бројем електрона (радикали): Садрже један неспарен електрон на централном атому (не могу задовољити октет за све атоме), нпр. \(\text{NO}\) (\(11\text{e}^-\)) и \(\text{NO}_2\) (\(17\text{e}^-\)).
Проширени октет (хипервалентни молекули): Централни атом има више од 8 валентних електрона. Ово одступање се јавља искључиво код елемената од 3. периоде па надаље (због доступних \(d\)-орбитала), нпр. \(\text{PCl}_5\) (10 електрона око \(\text{P}\)), \(\text{SF}_6\) (12 електрона око \(\text{S}\)), \(\text{SO}_4^{2-}\).
Зашто азот (\(\text{N}\)) не може да гради молекул \(\text{NCl}_5\), док фосфор (\(\text{P}\)) гради стабилан \(\text{PCl}_5\)?
Азот је елемент 2. периоде и има само \(s\) и \(p\) орбитале у валентном нивоу (максимално 8 електрона – нема проширени октет). Фосфор припада 3. периоди и поседује енергетски доступне празне \(d\)-орбитале које омогућавају смештај 10 електрона (проширени октет).
Дужина ковалентне везе представља међујезгарно растојање између два атома који граде везу.
Енергија (јачина) везе је количина енергије коју је потребно довести да би се раскинула дата веза (једнака је енергији која се ослободи при њеном настајању).
Фактори који утичу на дужину и јачину везе:
- Атомски полупречник: Већи полупречници везаних атома дају дужу и последично слабију везу.
Пример: Веза \(\text{Br}-\text{Br}\) је дужа и слабија од везе \(\text{Cl}-\text{Cl}\) јер је атом \(\text{Br}\) већи од атома \(\text{Cl}\). - Вишеструкост (ред) везе: Са порастом вишеструкости везе (једнострука \(\rightarrow\) двострука \(\rightarrow\) трострука), дужина везе се смањује, а јачина везе се повећава. \[ \text{Дужина:} \quad \text{C}-\text{C} > \text{C}=\text{C} > \text{C}\equiv\text{C} \] \[ \text{Јачина:} \quad \text{C}\equiv\text{C} > \text{C}=\text{C} > \text{C}-\text{C} \]
Трострука веза садржи једну јаку \(\sigma\)-везу и две слабије \(\pi\)-везе. Због тога што је \(\pi\)-веза слабија од \(\sigma\)-везе, трострука веза јесте јача од једноструке, али није три пута јача од ње.
Поређај следеће везе по опадајућој дужини: \(\text{H}-\text{I}\), \(\text{H}-\text{F}\), \(\text{H}-\text{Cl}\), \(\text{H}-\text{Br}\).
Атомски полупречник халогених елемената расте у групи: \(\text{F} < \text{Cl} < \text{Br} < \text{I}\). Што је већи атом, веза је дужа.
Редослед: \(\text{H}-\text{I} > \text{H}-\text{Br} > \text{H}-\text{Cl} > \text{H}-\text{F}\).
Редослед: \(\text{H}-\text{I} > \text{H}-\text{Br} > \text{H}-\text{Cl} > \text{H}-\text{F}\).
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Одредити укупан број валентних електрона и нацртати структурну формулу за молекул воде (\(\text{H}_2\text{O}\)). Колико везивних, а колико слободних електронских парова садржи овај молекул?
1. Број валентних електрона: \(2 \cdot 1\text{e}^- (\text{H}) + 6\text{e}^- (\text{O}) = 8\text{e}^-\).
2. Структура: Атом кисеоника је у средини и гради по једну везу са сваким атомом водоника (\(\text{H}-\text{O}-\text{H}\)), што троши \(4\text{e}^-\). Преостала \(4\text{e}^-\) чине два слободна пара на кисеонику.
Одговор: Молекул садржи 2 везивна пара (две једноструке везе) и 2 слободна електронска пара на кисеонику.
2. Структура: Атом кисеоника је у средини и гради по једну везу са сваким атомом водоника (\(\text{H}-\text{O}-\text{H}\)), што троши \(4\text{e}^-\). Преостала \(4\text{e}^-\) чине два слободна пара на кисеонику.
Одговор: Молекул садржи 2 везивна пара (две једноструке везе) и 2 слободна електронска пара на кисеонику.
Задатак 2 (средњи): Нацртати Луисову структурну формулу за карбонатни јон (\(\text{CO}_3^{2-}\)).
1. Број валентних електрона: \(4\text{e}^- (\text{C}) + 3 \cdot 6\text{e}^- (\text{O}) + 2\text{e}^- (\text{наелектрисање}) = 24\text{e}^-\).
2. Везивање: Централни атом \(\text{C}\) везује три \(\text{O}\) атома једноструким везама (утрошено \(6\text{e}^-\), остаје \(18\text{e}^-\)).
3. Октет кисеоника: Сваком од три атома кисеоника додељује се по 6 електрона (три слободна пара). Тиме је утрошено свих \(18\text{e}^-\).
4. Октет угљеника: Угљеник тренутно има само 6 електрона. Један слободни пар са било ког кисеоника прелази у двоструку везу са \(\text{C}\).
5. Коначна формула: Угласта заграда \([\dots]^{2-}\) са структуром у којој је један \(\text{O}\) двоструком везом везан за \(\text{C}\) (и има 2 слободна пара), а два \(\text{O}\) су везана једноструким везама (и имају по 3 слободна пара).
2. Везивање: Централни атом \(\text{C}\) везује три \(\text{O}\) атома једноструким везама (утрошено \(6\text{e}^-\), остаје \(18\text{e}^-\)).
3. Октет кисеоника: Сваком од три атома кисеоника додељује се по 6 електрона (три слободна пара). Тиме је утрошено свих \(18\text{e}^-\).
4. Октет угљеника: Угљеник тренутно има само 6 електрона. Један слободни пар са било ког кисеоника прелази у двоструку везу са \(\text{C}\).
5. Коначна формула: Угласта заграда \([\dots]^{2-}\) са структуром у којој је један \(\text{O}\) двоструком везом везан за \(\text{C}\) (и има 2 слободна пара), а два \(\text{O}\) су везана једноструким везама (и имају по 3 слободна пара).
Задатак 3 (средњи): Класификуј следеће честице према октетном правилу на: правилан октет, непотпун октет, непаран број електрона или проширени октет:
а) \(\text{CH}_4\) б) \(\text{NO}\) в) \(\text{BCl}_3\) г) \(\text{PCl}_5\)
а) \(\text{CH}_4\) б) \(\text{NO}\) в) \(\text{BCl}_3\) г) \(\text{PCl}_5\)
а) \(\text{CH}_4\): Правилан октет (угљеник дели 8 валентних електрона).
б) \(\text{NO}\): Непаран број електрона (радикал, укупно 11 валентних електрона).
в) \(\text{BCl}_3\): Непотпун октет (бор има 6 валентних електрона у овом једињењу).
г) \(\text{PCl}_5\): Проширени октет (фосфор има 10 валентних електрона).
б) \(\text{NO}\): Непаран број електрона (радикал, укупно 11 валентних електрона).
в) \(\text{BCl}_3\): Непотпун октет (бор има 6 валентних електрона у овом једињењу).
г) \(\text{PCl}_5\): Проширени октет (фосфор има 10 валентних електрона).
Задатак 4 (тежак): Упореди везу између атома угљеника у молекулу етана (\(\text{H}_3\text{C}-\text{CH}_3\)) и молекулу етина (\(\text{HC}\equiv\text{CH}\)) по дужини и по јачини. Зашто енергија везе у етину није тачно три пута већа од енергије везе у етану?
1. Поређење:
- Дужина везе: Веза \(\text{C}-\text{C}\) у етану је једнострука и дужа је од троструке везе \(\text{C}\equiv\text{C}\) у етину (\(\text{C}-\text{C} > \text{C}\equiv\text{C}\)).
- Јачина везе: Трострука веза \(\text{C}\equiv\text{C}\) у етину је јача од једноструке везе \(\text{C}-\text{C}\) у етану (\(\text{C}\equiv\text{C} > \text{C}-\text{C}\)).
