Bepaal het atoomskelet van de verbinding

Transcriptie

1 MODULE 2 Bijlage 1 Stappenplan voor het schrijven van een goede Lewisformule Het vinden van een goede lewisformule voor een gegeven brutoformule is niet altijd eenvoudig. Bijna altijd kan je aan de hand van de volgende zes stappen komen tot een correcte lewisformule voor een gegeven verbinding. Stap 1: Bepaal het atoomskelet van de verbinding Het atoomskelet geeft weer welke atomen aan elkaar gebonden zijn. Het atoomskelet geeft eveneens een duidelijke weergave van welk atoom centraal in de verbinding staat en welke atomen rond dit centrale atoom staan. Is het bepalen van het atoomskelet een moeilijke stap, hou dan rekening met de volgende tips: 1.1. De opgave geeft vaak al een idee van het juiste atoomskelet van de verbinding. Voorbeeld: Fulminezuur heeft als brutoformule HCNO. De atomen staan al in de goede volgorde. Het atoomskelet voor fulminezuur is dan ook: 1.2. Jouw chemische kennis kan ook cruciaal zijn in het vinden van een juist atoomskelet. Zowel anorganische als organische verbindingen behoren tot welbepaalde klassen. Verbindingen binnen eenzelfde klasse hebben niet alleen gelijkaardige chemische eigenschappen, maar worden vaak gekenmerkt door een gelijkaardige moleculaire opbouw. Voorbeeld: De oxozuren of ternaire zuren zijn een klasse van anorganische zuren die opgebouwd zijn uit 3 verschillende atoomsoorten. Twee van deze atoomsoorten zijn steeds O en H. Voorbeelden van ternaire zuren zijn zwavelzuur (H 2SO 4), chloorzuur (HClO 3), enz... Ternaire zuren hebben steeds dezelfde opbouw van het molecule. Het niet-metaal (S, Cl,...) staat centraal, de zuurstofatomen staan symmetrisch rond het centrale atoom en de waterstofatomen staan steeds op de zuurstofatomen. Hieronder is het atoomskelet van zwavelzuur (H 2SO 4) gegeven Je kan ook een juist atoomskelet vinden door rekening te houden met het bindingsvermogen van de atomen. Het bindingsvermogen van een atoom is het maximaal aantal bindingen dat een atoom kan aangaan met andere atomen. 1 S t a p p e n p l a n v o o r h e t s c h r i j v e n v a n e e n g o e d e L e w i s f o r m u l e

2 Atomen met bindingsvermogen 1: waterstof (H) en fluor (F) Atomen met bindingsvermogen 2: zuurstof (O),... Atomen met een bindingsvermogen 3 of meer: stikstof (N), koolstof (C), fosfor (P), zwavel (S),... Plaats het atoom met het hoogste bindingsvermogen centraal. De atomen met lager bindingsvermogen staan (in vele gevallen symmetrisch) rond het centrale atoom. Voorbeeld: Het atoomskelet van N 2O 3 (distikstoftrioxide). De stikstofatomen hebben een hoger bindingsvermogen dan zuurstof en plaatsen we beide centraal in het molecule. De zuurstofatomen, met lager bindingsvermogen, plaatsen we symmetrisch rond de stikstofatomen. Stap 2: Bepaal het aantal elektronen op de buitenste schil (NV) De Lewisformule geeft naast het atoomskelet ook alle elektronen weer op de buitenste schillen van alle atomen in de verbinding. Voorbeeld: Voor de verbinding N 2O 3 is het aantal elektronen op de buitenste schillen: N V = (2.5e - ) + (3.6e - ) = 28 e - De Lewisformule van N 2O 3 zal dus 28/2 = 14 elektronenparen bevatten. Voor een negatief geladen verbinding wordt de grootte van de lading in elektronen bijgeteld bij het aantal elektronen op de buitenste schillen. Voorbeeld: Voor de verbinding PO 3-4 (fosfaat-anion) is het aantal elektronen op de buitenste schillen: N V = (1.5e - ) + (4.6e - ) + 3 extra elektronen = 32 e - De Lewisformule van PO 4 3- zal dus 32/2 = 16 elektronenparen bevatten. Voor een positief geladen verbinding wordt de grootte van de lading in elektronen afgetrokken van het aantal elektronen op de buitenste schillen. Voorbeeld: Voor de verbinding XeF + 5 (xenonpentafluoride-kation) is het aantal elektronen op de buitenste schillen: N V = (1.8e - ) + (5.7e - ) 1 elektron = 42 e - De Lewisformule van XeF 5 + zal dus 42/2 = 21 elektronenparen bevatten. 2 S t a p p e n p l a n v o o r h e t s c h r i j v e n v a n e e n g o e d e L e w i s f o r m u l e

3 Stap 3: Bepaal het Lewisgetal (NL) Deze stap is waarschijnlijk nieuw voor jou omdat je nog niet zal gehoord hebben van het Lewisgetal, voorgesteld als NL. Het Lewisgetal is, zoals je verder in dit stappenplan zal merken, een heel handig getal in het verder uitwerken van een goede Lewisformule. Het Lewisgetal wordt als volgt berekend: NL = 6.n + 2 met n = het aantal atomen in de verbinding, maar de waterstofatomen niet meegeteld. Voorbeeld: Het Lewisgetal voor de verbinding HCNO (fulminezuur) is: N L = = 20 Stap 4: Vergelijk NV en NL In stap 4 vergelijken we de getalwaarden van NV en NL met elkaar. We onderscheiden 3 mogelijke situaties: 4.1. N V = N L Als de getalwaarde van NV en NL gelijk zijn, komen in de Lewisformule uitsluitend enkelvoudige bindingen voor. We geven de enkelvoudige bindingen weer door alle atomen met elkaar te verbinden met een enkel streepje (een bindend elektronenpaar). Voorbeeld: Zwavelzuur (H 2SO 4): N V = (2.1e - ) + (1.6e - ) + (4.6e - ) = 32e - N L = = 32 N V = N L De bindingen in de Lewisformule van H 2SO 4 zijn allemaal enkelvoudige bindingen. (Let op: bovenstaande structuur van zwavelzuur is nog geen volledige Lewisformule) N V < N L Als de getalwaarde van NV kleiner is dan de getalwaarde van NL, bevat de Lewisformule naast enkelvoudige bindingen ook meervoudige bindingen. Het aantal dubbele bindingen in de Lewisformule wordt gegeven door: (NL NV)/2 3 S t a p p e n p l a n v o o r h e t s c h r i j v e n v a n e e n g o e d e L e w i s f o r m u l e

4 Uiteraard kan de verbinding ook een drievoudige binding bevatten, maar hou er dan wel rekening mee dat een drievoudige binding geteld wordt als tweemaal een dubbele binding. Voorbeeld: Het cyanaat anion (OCN - ): N V = (1.6e - ) + (1.4e - ) + (1.5e - ) + 1 extra elektron = 16e - N L = = 20 N V < N L OCN - bevat (20 16)/2 = 2 dubbele bindingen of, rekening houdend met het bindingsvermogen van de atomen, 1 drievoudige binding. De verdeling van de bindingen over de verbinding kan als volgt (let op: onderstaande structuren zijn nog geen volledige Lewisformules): Verdeling met 2 dubbele bindingen: Verdeling met 1 drievoudige binding: 4.2. N V > N L Als de getalwaarde van NV groter is dan de getalwaarde van NL, dan overschrijdt het centraal atoom van de verbinding de octetregel en heeft het centraal atoom dus meer dan 8 elektronen rond zich. Het centraal atoom heeft in dit geval een totaal van 4 + (NV NL)/2 elektronenparen rond zich. Hou er rekening mee dat dit zowel elektronenparen in de bindingen zijn als de vrije elektronenparen (zie stap 5). Voorbeeld: PCl 5 (fosforpentachloride) N V = (1.5e - ) + (5.7e - ) = 40e - N L = = 38 N V > N L Het centrale atoom, P, is omgeven door 4 + (40 38)/2 elektronenparen. Fosfor is dus omgeven door 5 elektronenparen of 10 elektronen. (Let op: bovenstaande structuur is nog geen volledige Lewisformule). 4 S t a p p e n p l a n v o o r h e t s c h r i j v e n v a n e e n g o e d e L e w i s f o r m u l e

5 Stap 5: Geef elk atoom octetstructuur De reden waarom atomen zich verbinden tot moleculen, is het bereiken van de octetelektronenconfiguratie. Elk atoom wil acht elektronen rond zich hebben. Uiteraard vergeten we niet dat waterstof, omwille van de aanwezigheid van slechts 1 bohrschil, nooit 8 elektronen kan bezitten en daarom de edelgasconfiguratie van Helium bereikt (2 elektronen op de buitenste schil). Atomen bezitten reeds elektronen in de bindingen met andere atomen. We vullen het atoom verder aan met vrije elektronenparen tot het totaal aantal elektronen rond dit atoom gelijk is aan 8. Voorbeeld: Nemen we opnieuw OCN - (het cyanaat-anion). We vullen de structuur (met de drievoudige binding) verder aan met vrije elektronenparen tot elk atoom 8 elektronen heeft. Zuurstof krijgt daardoor nog 3 extra vrije elekronenparen. Koolstof heeft al 8 elektronen in de bindingen met zuurstof en stikstof. Stikstof krijgt nog 1 extra elektronenpaar. Stap 6: Controleer je gevonden Lewisformule Is je gevonden Lewisformule wel juist? Je kan dit eenvoudig controleren door het aantal elektronenparen te tellen en dit te vergelijken met NV/2. Voorbeeld: In de hierboven vermeldde Lewisformule van het cyanaat-anion vinden we 8 elektronenparen (zowel vrije elektronenparen als bindingen). In punt 4.2. hebben we berekend dat het cyanaat-anion een totaal van 16 elektronen op de buitenste schillen heeft. 16/2 = 8 elektronenparen Opmerkingen/weetjes: - Onthoud dat een atoom met een bindingsvermogen 1, zoals waterstof, nooit centraal in het molecule kan staan. - We bespraken in stap 4 (punt 4.2) het voorkomen van meervoudige bindingen. Hou er rekening mee dat een Lewisgetal groter dan het aantal elektronen op de buitentste schillen ook kan wijzen op het vookomen van één of meerdere ringstructuren, al dan niet in combinatie met meervoudige bindingen. Vooral bij de Lewisformules van organische verbindingen kan dit belangrijk zijn. Voorbeeld: Lewisformule van cyclopentaan (C 5H 10) N V = (5.4e - ) + (10.1e - ) 5 S t a p p e n p l a n v o o r h e t s c h r i j v e n v a n e e n g o e d e L e w i s f o r m u l e

6 = 30 e - N L = = 32 N V < N L cyclopentaan bevat (32 30)/2 = 1 ringstructuur. - De Lewisformule van BF 3 (boortrifluoride) is hiernaast weergegeven: Merk op dat het aantal elektronen op de buitenste schillen (NV = 24 e - ) kleiner is dan het Lewisgetal (NL = 26). De verbinding bevat echter geen dubbele binding omdat het centrale atoom boor slechts 3 elektronen op de buitenste schil heeft. - De Lewisformule van H 3PO 3 (fosforigzuur). Fosforigzuur behoort tot de oxozuren (ternaire zuren). Bemerk dat één van de drie waterstofatomen op het centrale fosforatoom staat en niet op een zuurstofatoom. - Edelgassen bezitten reeds de octetstructuur en zijn daarom weinig reactief (inert). Dit betekent niet dat ze geen bindingen kunnen aangaan met andere atomen. Er bestaan heel wat verbindingen waarin edelgassen voorkomen. Voorbeeld: De verbinding XeF 2 (xenondifluoride) bevat een centraal xenon-atoom, omgeven door 2 fluor-atomen en 3 vrije elektronenparen. 6 S t a p p e n p l a n v o o r h e t s c h r i j v e n v a n e e n g o e d e L e w i s f o r m u l e