Chemija · Pamoka

Boras, anglis, silicis ir giminingų elementų šeimos

Palyginti boro gebėjimą priimti elektronų poras, anglies atomų junglumą ir silicio tinklus su bendrais deguonies atomais. Atskirti elektronų skaičiavimo susitarimus nuo tikrojo elektronų tankio, o sudėtį – nuo struktūros ir fazės.

Grįžti į chemijos planą

Baigę pamoką, galėsite

Palyginti boro formalųjį krūvį ir oksidacijos laipsnį pasirinktose fluoridų apskaitos schemose.
Atsekti elektronų poros perdavimą, nepriskiriant susidariusiam ryšiui nuolatinės tapatybės pagal elektronų kilmę.
Suskaičiuoti bendras viršūnes nurodytame silicio dioksido tinkle.
Remiantis topologija, išvesti ribotą C₆₀ sienų sąrašą.

Elektronų poros akceptorius nebūtinai turi teigiamą formalųjį krūvį

Pasirinktame paprastame BF₃ Luiso atvaizdavime trys viengubieji B–F ryšiai suteikia šešis ryšių elektronus aplink B, bendras molekulės valentinių elektronų skaičius yra 3+3× 7=24, o B formalusis krūvis lygus nuliui. Priėmus fluorido elektronų porą, susidaro BF₄⁻ su keturiais ryšiais aplink B ir iš viso 32 valentiniais elektronais. Atvaizdavime, kuriame visi ryšiai viengubieji, jo B formalusis krūvis yra −1, o B oksidacijos laipsnis išlieka +3, kai F priskiriama −1.

Luiso rūgštingumas aprašo elektronų poros priėmimą, o ne formaliojo krūvio ženklą. Paprasta BF₃ apskaita neteigia, kad tikrieji ryšiai neturi papildomo elektroninio pobūdžio, o formalusis krūvis nėra lygus išmatuotam tankiui. Priskirtas oksidacijos laipsnis ir porinių ryšių apskaita atsako į skirtingus klausimus.

Elektronų poros donorystė užbaigia naujo įprasto ryšio apskaitą

Simboliniame NH₃–BF₃ adukte azotas suteikia savo laisvąją elektronų porą naujai B–N jungčiai. Bendras valentinių elektronų skaičius yra 8+24=32. Galutiniame Luiso atvaizdavime su vien viengubaisiais ryšiais N turi keturis ryšius ir neturi laisvosios elektronų poros, jo formalusis krūvis +1; B turi keturis ryšius ir formalųjį krūvį −1. Visas aduktas yra neutralus.

Donorinė rodyklė gali parodyti ryšį sudarančios poros kilmę siūlomoje susidarymo apskaitoje. Susidarius ryšiui, ši kilmė nėra atskira nuolatinė elektronų kategorija, kurią būtų galima atskirti nuo kiekvienos kitos ryšį sudarančios poros. Formaliojo krūvio persiskyrimas nei paverčia šį aduktą dviem nesujungtais jonais, nei pateikia tikruosius elektronų populiacijos krūvius.

Pasirinktos boro elektronų porų apskaitos atskiria formalųjį krūvį nuo oksidacijos laipsnio

Pasirinkta dalelė	Bendras valentinių elektronų skaičius	Įprasti B atomo ryšiai	B formalusis krūvis	Kita informacija apie formaliuosius krūvius
BF₃	24	3	0	Neutrali dalelė; B oksidacijos laipsnis +3
BF₄⁻	32	4	−1	Bendrasis krūvis −1; B oksidacijos laipsnis +3
NH₃–BF₃ aduktas	32	4	−1	N formalusis krūvis +1; bendrasis krūvis 0

Originali Luiso elektronų apskaita BF₃, BF₄⁻ ir NH₃–BF₃ struktūroms, kuriose visi ryšiai yra viengubieji. Kiekvienas F atomas turi įprastą laisvųjų elektronų porų skaičių, o susidaręs aduktas turi B–N ryšį. Tai vaizdavimo būdu pagrįsti skaičiavimai, o ne išmatuoti daliniai krūviai ar teiginys, kad elektronų tankis yra visiškai lokalizuotas.

Elementinė anglis gali turėti skirtingus tinklus

Deimantas turi keturkoordinatį išplėstinį anglies tinklą, o grafitas – trikoordinatinius sluoksnius su delokalizuotu π pobūdžiu. Molekulinis C₆₀ sudaro uždarą anglies karkasą. Kiekvienas yra elementinė anglis, kurios oksidacijos laipsnis nulis, tačiau jų jungtys ir elektroniniai aprašymai skiriasi.

Todėl elementinė formulė ar oksidacijos laipsnio priskyrimas negali nustatyti kietumo, elektrinio laidumo ar to, ar sandara molekulinė, ar išplėstinė. Fazė, defektai ir aplinka taip pat gali būti svarbūs. Pasirinkti junglumo aprašymai naudingi prieš mėginant konkrečiai palyginti išmatuotas savybes.

Topologijos skaičiavimas remiasi ribojančiomis prielaidomis

Pasirinktam C₆₀ karkasui imkite 60 viršūnių, kiekvienos viršūnės laipsnį, lygų trims, uždarą sferinę topologiją ir tik penkiakampes ar šešiakampes sienas. Skaičiuojant briaunų incidencijas gaunama 2E=3× 60, todėl E=90. Eulerio ryšys V−E+F=2 duoda F=32. Jei P ir H yra penkiakampių bei šešiakampių skaičiai, P+H=32 ir 5P+6H=180. Taigi P=12 ir H=20.

Šios lygtys apriboja pasirinktą grafų klasę. Jos nepateikia išmatuotų ryšių ilgių, karkaso geometrijos, elektronų lokalizacijos, susidarymo sąlygų ar bendro rezultato kiekvienai anglies alotropinei atmainai. Brėžinio grafas ir tikroji medžiagos sandara išlieka skirtingais įrodymų lygmenimis.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Atskirkite dvi krūvio konvencijas

Palyginkite pasirinktas BF₃ ir BF₄⁻ apskaitas.

BF₃ valentiniai elektronai: 3 + 3× 7 = 24; B formalusis krūvis 3−3=0.
BF₄⁻ valentiniai elektronai: 3 + 4× 7 + 1 = 32; B formalusis krūvis 3−4=−1.
Kai F oksidacijos laipsnis −1, abiem atvejais B yra +3.

Pasirinktame atvaizdavime formalusis krūvis pasikeičia, o B oksidacijos laipsnio priskyrimas išlieka +3.

Susumuokite susidariusio adukto formaliuosius krūvius

Pasirinktai NH₃–BF₃ dalelei naudokite 32 valentinius elektronus.

N turi keturis ryšius ir neturi laisvosios elektronų poros: formalusis krūvis 5−4=+1.
B turi keturis ryšius: formalusis krūvis 3−4=−1.
Pasirinkti F ir H atomai turi nulinį formalųjį krūvį.

Bendra formaliųjų krūvių suma nulis, kai yra sujungtas B–N aduktas, o ne nesujungti jonai.

Išspręskite ribotas sienų skaičiaus lygtis

Naudokite V=60, visų viršūnių laipsnį, lygų trims, sferinę topologiją ir tik penkiakampes bei šešiakampes sienas.

E = 3× 60/2 = 90.
F = 2−60+90 = 32.
Iš P+H=32 ir 5P+6H=180 gauname H=20 ir P=12.

Šioje pasirinktoje grafų klasėje yra dvylika penkiakampių ir dvidešimt šešiakampių; jokių išvadų apie išmatuotą geometriją nepadaryta.

Pabandykite patys

Ar Luiso elektronų poros akceptorius prieš priimdamas porą privalo turėti teigiamą formalųjį krūvį?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Pasirinkto BF₃ akceptoriaus B atomo formalusis krūvis paprastoje elektronų apskaitoje yra nulis.
Suskaičiuokite bendrą valentinių elektronų skaičių BF₄⁻ jone ir palyginkite B formalųjį krūvį su jo oksidacijos laipsniu, naudodami F=−1.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
32 elektronai; B formalusis krūvis pasirinktoje Luiso struktūroje yra −1, o oksidacijos laipsnis – +3.
3+4× 7+1=32. Keturi įprasti B–F ryšiai duoda B formalųjį krūvį 3−4=−1, o iš x+4(−1)=−1 gaunamas oksidacijos laipsnis +3.
Nurodytame periodiniame tetraedriniame modelyje su bendrais atomais kiekvienas iš 20 Si centrų turi kontaktą su 4 O atomais, o kiekvienas O yra bendras 2 Si centrams. Kiek atskirų O pozicijų suskaičiuojama?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
40 O pozicijų, taigi Si:O=1:2.
20× 4=80 Si–O kontaktų; padaliję iš dviejų, nes kiekvienas O yra bendras dviem Si centrams, gauname 40 O. Tai skaičiavimas periodinėje struktūroje, o ne nepasyvintame baigtiniame klasteryje.
Ar C₆₀ topologijos skaičiavimas nustato tikruosius C–C ryšių ilgius?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Ne.
Viršūnių, briaunų ir sienų apribojimai nesuteikia duomenų apie išmatuotą geometriją.

Ką verta įsidėmėti

Elektronų poros akceptavimą aprašykite atskirai nuo krūvio ženklų.
Naudokite susidariusio adukto susietų ryšių apskaitą.
Elementinė sudėtis nenulemia nei junglumo, nei savybių.
Bendrus tinklo atomus skaičiuokite aiškiai nurodydami prielaidas dėl ribų.
Nurodykite narvelio topologijos išvedimo prielaidas.

Šaltiniai

Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.