םיירלוקלומ םינבמ + ימיכה רשקה · 2010. 7. 9. · 1 © Prof. Zvi C. Koren...

© Prof. Zvi C. Koren1 19.07.10

:9' נושא מס

The Chemical Bond & Molecular Structures

מבנים מולקולריים+ הקשר הכימי

Gilbert Newton Lewis1875 – 1946, USA

In 1926, Lewis coined the term “photon” for the smallest unit of radiant energy.

Famous for a few discoveries. In this chapter:

Lewis Electron-Dot Structures


Covalent Bond(between Nonmetals)

composed of e-sharing

Atoms share the same e-pair

A : B

Recall:

The Covalent Bond

Simple Covalent Bonds:Each atom contributes 1 e– for the bond, so

that an e-pair is now shared. Examples, H-H, H-F, …

Simplest Examples:

H + H H:H

H + F: H:F:

::

::

Q: Why do Atoms Combine?A: Because of the “Octet Rule”

(To achieve “nobility”)

(Recall: What is the highest shell electronic configuration of F, a halogen?)

There are two types of e’s in a molecule:

BONDING (or SHARED) e’s &

NON-bonding (or LONE) e’s

How many

e’s are now

about each

atom?

But often the electronic structure of a molecule is complex ...


Charges – Real & Virtual

Real Charges –Full Charges: NaCl(s)

HCl(g) =

Virtual Charges:“Unfair” Charges: Oxidation State (or “Ox. Number”)

For example: CO2 O=C=O (Make believe C is a metal)

“Fair” Charges: Formal Charge (FC) on a bonded atomProvides a more fair distribution of e’s about a bonded atom; Helps in determining the most stable covalent electronic structure.

::= .Cl:Na• =

::.Cl:Na -

Complete e-transfer

•

H•

::.Cl: = H

::.Cl:•

+

Partial e-transfer

δ+ δ-Partial Charges:

+4 -2

FCX = (# of e’s on free X) – (# of e’s “effectively” belonging to bonded X)

Electroneutrality Principle:Bonded atoms strive to achieve a neutral (0) FC, or as close to 0 as possible.

So, without violating other rules (see further on):FC of “0” is more stable than ±1; ±2 more stable than ±1; etc.

Ionic Compound

Covalent Comp’d

© Prof. Zvi C. Koren4

19.07.10

Koren’s Rulesfor the Determination of the Most Stable Lewis Structure

Lewis Electron-Dot Structures for Covalent Compounds

ן"ֶשֶמ . ם.ח . ׁש.א הפעולהשםסמל

.המיטעןערכיים ' אלק= הזמינים אלקטרוניםה' כ מס"סהלקטרוניםאא:הצבת האלקטרונים האלה לפי שלושת השלבים הבאים

(single bonds, קשרים יחידים)ליצירת קשרים בסיסיים שיתופייםכזוגות יתופייםשש

יצונייםחח(H-ל" דואט)"חיצוניים הלאטומים " כלל האוקטט"כזוגות המשלימים את

(outer, terminal, or end atoms)( קיצוניים, סופיים)

(central atoms) מרכזייםלאטומים ה( 'אם נותרו אלק)כזוגות בודדים רכזייםממ:לפי שני השלבים הבאים( אם צריך)העברת זוגות בודדים חיצוניים לשיתופיים

:קשר-אז נוצר רב, אם מתבצע] .[(triple bond)או אפילו קשר משולש (double bond)קשר כפול

שממונה שרכזמל

אם אפשר', אלק( אוקטט) שמונהבלא פחות מ מרכזילהקיף כל אטום :מבלי שיסתור את הנתונים האלה ,(7עם N, 6עם B: אבל לפעמים) .'אלק 8 במקסימוםמוקפת (BCNOF)מתכת מהשורה השניה -אל עד Xe-ו I'; אלק 12–8-מתכת מהשורה השלישית ומטה מוקפת ב-אל

14.

יטרולננ:לפי העיקרון בשם, כמה שאפשר, "הפורמליים"המטענים ניטרולל

Electroneutrality Principle of Formal Charges (FC’s)


Examples of Lewis E-Dot Structures: CO32- (carbonate ion)

?מי קשור למי

לקטרונים זמיניםאכ "סהא

(:המיטען ±ערכיים ' אלק)

:יתופיים כקשרים יחידיםשזוגות ש

4 + 3(6) + 2 = 24

:יצוניים להשלמת האוקטטחזוגות לאטומים ח

–6

:רכזייםמזוגות הנותרים לאטומים מ

–18

0

העברת זוגות בודדים חיצוניים לשיתופייםשמ?רכזמל' מונה אלקשלהעניק לא פחות מ

'אלק 8מקסימום , (BCNOF)-אבל לכן

העברת זוגות בודדים חיצוניים לשיתופייםנ?יטרול המטענים הפורמלייםנל

O–C–O

O

O–C–O

O

::

::

2-

O=C–O

O::

:

2-

–

–

FC’s: -O is –1. =O is 0. C is 0.

.האלה הם הכי יציבים FC’s-ה. לא(continued)

ן"ֶשֶמ . ם.ח . ׁש.א

.נוצר קשר כפול


C

O

O O

Resonance Hybrid

Canonical Resonance Structures for CO32–:

Resonance ְתהּודהO=C–O

O::

:

2-

–

– But, from the symmetry of the molecule it should

not make a difference as to which “O” is

double-bonded and which is single-bonded.

But, in actuality, all the O’s are identical as

determined, e.g., from bond-length

measurements.

So, the final structure is a hybrid of all the

canonical structures.

Bond

Order

= 1⅓

From before:

Bond properties: Bond Order, Bond Length, Bond Energy

Canonical:simplest or basic form

LewisStructure


ClO4– (perchlorate)More Examples of Lewis E-Dot Structures:

:O=Cl=O

O

O:

::

-+1

–1

–1

O=Cl=O

O

O

O=Cl–O

O

O

O=Cl–O

O

O= …

Canonical Resonance Structures:

(3 more)

O–Cl–O

O

OResonance Hybrid

BondOrder = ?

Note: The arrangement of the atoms in this and other “Lewis Electron-Dot” diagrams does not imply that the molecular geometry is as such.Molecular geometries will be discussed further on.


O–P–O

O

3–••PO3

3- (phosphite ion)

More Examples of Lewis E-Dot Structures:

–1

–1 –1

CH3CO2

-(acetate ion) H–C–C=O

H

H O -1

H–C–C

H

HO

O

Canonical Resonance Structures: Resonance Hybrid

–

Bond Order = ?


CO2

(carbon dioxide)

HCN(hydrogen cyanide)

NON vs. NNO

F–Br–F

F

••0

0

0••

BrF3 (bromine trifluoride)

0 0H–CN

HNCWrite the most stable

Lewis structure for this isomer. Which isomer is

more stable? (Hint: Check the FC’s.)

O=C=O

More Examples of Lewis E-Dot Structures:

B

F

F

F

+ :N

H

H

HCoordinateCovalent

Bond


Determining Molecular Shapes:

“VSEPR” Theory

Valence-Shell Electron-Pair Repulsion Theory


TOTAL # of Single E-Pairs

(bonding + lone)About the

Central Atom

ELECTRONIC

GEOMETRY

of the Single E-Pairs

About the Central Atom

# of Atoms

Bonded to

the Central

Atom

MOLECULAR

GEOMETRY

of the Atoms

About the Central Atom

2 Linear (180o) Linear2

3TrigonalPlanar(120o)

3 Trigonal Planar

2 Bent (Angular)

4 Tetrahedral

(109.5o)

cos(tet)=-⅓

Tetrahedral4

3

2

Trigonal Pyramidal

Bent (Angular)

5 Trigonal

Bipyramidal

(120o, 90o)4

5 Trigonal Bipyramidal(lone e-pairs on equator)

Bent Seesaw

3

2

Bent “T”

Linear

6 Octahedral

(90o)

6 Octahedral

5

4

Bent-Square Pyramidal

Square Planar

Determination of the Molecular Geometry About the Central Atom


(Also look at the previous molecules)

Examples of Molecular Geometries

Molecular

Geometry

Lewis

StructureMolecule

Molecular

Geometry

Lewis

StructureMolecule

H2OCO2

SiCl4BF3

NH3O3


Two Equivalent Methods:

Bond-Moment Vectors

Center of Positive Charge vs. Center of Negative Charge

Polar Molecules Have a Dipole Moment Vector:

Determining Molecular Polarity

Direction of

from “+” to “–”:


(D = Debye)

Molecular Polarity

םיירלוקלומ םינבמ + ימיכה רשקה · 2010. 7. 9. · 1 © Prof. Zvi C. Koren...

Documents

Transcript of םיירלוקלומ םינבמ + ימיכה רשקה · 2010. 7. 9. · 1 © Prof. Zvi C. Koren...