1.1.1 Elektronové strukturní vzorce

Transkript

1 1.1.1 Elektronové strukturní vzorce V nkterých pípadech je pro posouzení chemické reaktivity látek nutné mít k dispozici pesnjší údaje o rozložení valenních elektron v molekulách uvažované látky. Tyto informace poskytují elektronové strukturní vzorce. Pestože tvorba elektronových strukturních vzorc je problémem spíše obecné chemie než chemické nomenklatury, byla tato problematika do skript zaazena, nebo odpovídá tematické náplni skript (tvorba chemických vzorc a zjišování informací z nich)., resp Základní pojmy a symboly Elektronovým strukturním vzorcem rozumíme strukturní vzorec doplnný informací o rozmístní valenních elektron jednotlivých atom v molekule. Valenní elektrony jsou elektrony, které atomu pebývají nad konfiguraci nejbližšího pedchozího vzácného plynu. Napíklad atom kyslíku má 6 valenních elektron, nebo je prvkem 16. skupiny a pebývá mu tedy 6 elektron nad konfiguraci pedchozího vzácného plynu (helia). Valenní elektrony mohou být bu souástí vazby (tzv. vazebné elektrony), nebo souástí vazby nejsou (nevazebné elektrony). Ve stabilních uspoádáních jsou elektrony spárovány (tj. tvoí dvojice). Mluvíme pak o elektronových párech. Elektronový pár se ve vzorci vyznauje árkou (árka v elektronovém strukturním vzorci tedy znamená 2 valenní elektrony). Tato árka se ve vzorci nachází bu na spojnici dvou atom (pak se jedná o vazebný elektronový pár), nebo je dopsána k symbolu jednoho atomu (pak se jedná o nevazebný elektronový pár). Mezi dvojicí atom mže být jedna árka (tj. atomy jsou spojeny jedním elektronovým párem, tedy jednoduchou vazbou), dv árky (2 vazebné elektronové páry, dvojná vazba) nebo 3 árky (3 vazebné elektronové páry, trojná vazba). Píklad: 6 valenních elektron (16. skupina) Jsou umístny ve form dvou nevazebných elektronových pár a dvou vazebných elektron kyslík se podílí na tvorb dvou jednoduchých vazeb vždy jedním elektronem. Druhý elektron do vazby poskytuje vodík. Z atomu kyslíku vycházejí celkem dv vazby (zakresleny jsou dva vazebné elektronové páry), kyslík je dvojvazný. 1 valenní elektron (1. skupina) Tento jeden elektron je poskytnut do vazby s kyslíkem, vodík je jednovazný. Nevazebné elektrony vodík nemá. V nkterých pípadech nejsou všechny elektrony ve valenní sfée atomu spárovány. Nepárový elektron se ve vzorci vyznaí tekou k symbolu píslušného atomu. ástice s nepárovým elektronem se nazývá radikál, nap. radikál chloru. Vzácn se vyskytují také tzv. biradikály (ástice se dvma nespárovanými elektrony), nap. biradikál kyslíku. Cl Chlor se vyskytuje v 17. skupin, má tedy 7 valenních elektron. Volný (nevázaný) atom chloru tedy musí mít jeden nepárový elektron. Kyslík se vyskytuje v 16. skupin, má tedy 6 valenních elektron. Existenci biradikálu kyslíku je možno vysvtlit nap. takto: dštpením dvou atom vodíku z molekuly vody se peruší dv jednoduché vazby, piemž po každé z nich zstane na atomu kyslíku pítomen jeden nespárovaný elektron. asto se stává, že se valenní elektrony v molekule pesunou tak, aby bylo dosaženo stabilnjšího uspoádání (elektronového oktetu). V dsledku toho se pak ovšem v elektronovém obalu nkterých atom vyskytuje jiný poet elektron, než odpovídá jejich protonovému íslu a na atomech se pak vyskytuje bu

2 kladný náboj (pi nedostatku elektron) nebo záporný náboj (pi nadbytku elektron). Pítomnost kladného, resp. záporného elektrického náboje na atomech vzniklého uvedeným zpsobem se vyznauje symboly Píklad: 2 Nejastjším pípadem výskytu elektrického náboje na atomech jsou ionty. Cl B B B Existuje také možnost vyznaení pítomnosti parciálních elektrických náboj na atomech, které vznikly v dsledku velmi odlišných elektronegativit obou vazebných partner. Vyznaují se symboly δ, resp. δ. Píklad: δ δ Cl trukturní vzorce Pi tvorb elektronových strukturních vzorc postupujeme tak, že nejprve sestavíme strukturní vzorec neelektronový, který pak doplníme symboly vyznaujícími umístní valenních elektron a elektrických náboj. Vyznaení parciálních náboj v elektronových strukturních vzorcích není povinné. trukturní vzorce látek není možno odvodit pouze na základ znalosti složení molekul dané látky. truktura látek se zjišuje pomocí speciálních fyzikáln-chemických metod, nap. NMR, rentgenová difrakce, vibran-rotaní spektroskopie apod. truktura ady látek je však již známa. Pi tvorb strukturních vzorc je nutno tchto znalostí využít. Pi zápisu vzorc organických látek budeme vycházet ze znalostí organické chemie. Napíklad víme, že octová kyselina má strukturní vzorec C C. Pi zápisu vzorc anorganických látek s troj- a víceatomovými molekulami (u jedno- a dvojatomových molekul je struktura jednoznaná) využijeme tchto zjednodušených pravidel pro pibližný odhad struktury: 1) truktura oxid je uvedena v kapitole Chyba! Nenalezen zdroj odkaz., odpov k úloze. 28, str ) truktura binárních slouenin, kde jeden z vazebných partner má oxidaní íslo I (resp. I), bývá taková, že všechny atomy v oxidaním stavu I jsou vázány vždy jednoduchou vazbou na druhého partnera. Výjimkou jsou napíklad peroxidy a disulfidy.

3 I P C Xe Cl Cl P Cl ale,, Li Li, Na Na, Cl Cl apod. 3) trukturu kyslíkatých kyselin lze vtšinou odhadnout takto: Na centrální atom je jednoduchou vazbou vázáno tolik skupin, kolik atom molekula obsahuje. Zbývající atomy jsou také vázány na centrální atom. Pi úprav strukturního vzorce na elektronový strukturní (kap ) se tyto atomy kyslíku zapisují vázané dvojnou vazbou k centrálnímu atomu (pípadn se dále uvažují pesuny elektron, aby byl zachován elektronový oktet). Kontrolou v první fázi tvorby elektronového strukturního vzorce kyslíkaté kyseliny je, že celkový výsledný poet vazeb vycházejících z centrálního atomu by ml být roven oxidanímu íslu centrálního atomu. \ / / \ 2 4 atom kyslíku. Cr 2 Cr 4 N N 3 C 2 C 3 B 3 B 3 U polykyseli n jsou jednotlivé jejich centrální atomy vázány pes jeden kyselina katena-trisírová Cr Cr kyselina dichromová P P P P kyselina cyklo-tetrafosforená 4) trukturní vzorce solí kyslíkatých kyselin se od strukturních vzorc odpovídajících kyselin odvodí náhradou kationt vodíku ze skupiny píslušnými kationty solí. Na Na katena-trisíran sodný Ag Ag Cr Cr dichroman stíbrný K Na P P P P K K cyklo-tetrafosforenan tridraselno-sodný

4 Úprava strukturních vzorc na elektronové strukturní Úprava strukturních vzorc na elektronové strukturní probíhá tak, že do strukturních vzorc: 1) Doplníme násobné vazby tak, aby celkový poet vazeb vycházejících z každého atomu byl roven absolutní hodnot oxidaního ísla tohoto atomu. Toto pravidlo neplatí v pípad, že jsou na sebe v molekule vázány dva atomy téhož prvku (nap. v molekule peroxidu vodíku oxidaní íslo kyslíku je I, ale vycházejí z nj dv vazby). V dvojatomových molekulách plynných prvk lze na násobnost vazby usuzovat na základ diagramu molekulových orbital (uivo obecné chemie). Zapamatujme si, že v molekule 2 je dvojná vazba, v molekule N 2 je vazba trojná a v molekule 2 a v molekulách halogen jsou vazby jednoduché., = C =, = =, =,, N N \ // / \\ 2 4 = Cr 2 Cr 4 = N N 3 = C 2 C 3 B 3 B 3 = = kyselina katena-trisírová = Cr Cr = = P P = = P P = kyselina dichromová kyselina cyklo-tetrafosforená 2) Doplníme valenní elektrony tak, aby se poet valenních elektron ve valenní sfée každého z atom shodoval s íslem skupiny, v níž se prvek nachází v periodickém systému prvk (nap. je v 16 skupin, má tedy 6 valenních elektron, je v 17. skupin, má tedy 7 valenních elektron, B je v 13. skupin, má tedy 3 valenní elektrony apod.). Pi vyznaení valenních elektron vycházíme z pedpokladu, že z vazebných elektron písluší každému partnerovi polovina. Jedna árka mezi atomy tedy znamená dvojici vazebných elektron, z nichž jeden náleží do valenní sféry prvního partnera a jeden náleží do valenní sféry druhého partnera. =C= == = N N \ // / \\ \ // Cr / \\ = N = C B.

5 = = = Cr Cr = = P P = = P P = 3) Nakonec v pípad poteby pesuneme nkteré vazebné elektronové páry na jednotlivé atomy (z vazebných elektronových pár se tedy stanou elektronové páry nevazebné) tak, aby pokud možno bylo dodrženo oktetové pravidlo (souet nevazebných elektron na daném atomu a všech vazebných elektron ve všech vazbách z daného atomu vycházejících je dohromady 8) a vyznaíme elektrické náboje na jednotlivých atomech. ktetové pravidlo musí být striktn dodrženo pouze u tchto atom: C, N,,. \ // / \\ =C= \ // Cr / \\ = N = = C = N N B. \ / 2 / \ \ / Cr 2 / \ N = C B = = 2 2 = Cr Cr = Cr 2 Cr 2 = P P = = P P = P P P P 4) Pesuny elektronových pár musíme provést také tehdy, pokud je v molekule iontová vazba. V tom pípad se pesuny provádjí tak, aby elektrické náboje vyznaené ve vzorci byly rovny formálním nábojm iont tvoících molekulu. Píklad: Na Na

6 1.1.2 Elektronové strukturní vzorce, geometrie molekul Úloha 151: Doplte uvedené strukturní vzorce následujících izopolyaniont na elektronové strukturní vzorce: anion trisíranový(2 ) 2 = = anion dichromanový(2 ) 2 Cr Cr = Cr Cr = anion cyklo-tetrafosforenanový(4 ) 4 P P P P = P P = = P P = anion cyklo-triboritanový(3 ) B B 3 B B B B anion katena-tetrafosforenanový(6 ) 6 P P P P = P P P P =

7 anion cyklo-hexakemiitanový(12 ) 12 \ / i i i i i i / \ \ / i i i i i i / \ Úloha 152: Doplte strukturní vzorce následujících heteropolyaniont na elektronové strukturní vzorce: anion chromano-fosforenanový(3 ) 3 Cr P Cr P anion cyklo-hlinitano-dikemiitanový(5 ) 5 Al i i / \ Al i i / \ anion bis(borato)-dioxokemiitanový(6 ) 6 B i B B i B anion tris(borato)hlinitanový(6 ) 6 B Al B B B Al B B Úloha 153: Urete hybridní stav centrálního atomu a zakreslete geometrické vzorce tchto látek: 2 sp 3

8 3 sp 2 N 3 sp 3 N C 4 sp 3 C C 2 sp C 2 sp I 5 sp 3 d 2 I P 5 sp 3 d P Úloha 154: Zapište elektronové strukturní vzorce tchto látek: 2 N 3

9 N CN C N C 2 2 I 5 =C= == I Cl 2 = Cl = P 5 P 3 Xe 4 Xe N 2 N N C 2 PCl 3 =C= Cl Cl P Cl CN C N C 3 C i 2 N =i= N = 2 =

10 6 ICl 3 Cl Cl I Cl B 3 B N 2 = N = C 3 C C C Xe 2 Xe Xe 6 Xe C 2 5 C C