1a-topic 5 - shape 201640 topic&5:&structure!andshape! lewis structures!...

12
40 Topic 5: Structure and Shape Lewis structures Lewis structures are a means of determining stable electron arrangements in molecules. It considers the valence electrons of an atom only. A stable arrangement is one in which each atom has achieved a noble gas electron configuration by distribution of the electrons as bond pairs or lone pairs (nonbonded pairs). A noble gas electron configuration is 2 for hydrogen and 8 for C, N, O and F. This is sometimes called The Octet Rule. To draw a Lewis Structure you need to know which atoms are bonded to which. Then: 1. Add up the total number of valence electrons present, add or subtract electrons to account for any charge. 2. Join the appropriate atoms using an electron pair for each bond. 3. Distribute the remaining electrons to result in an octet of electrons on each atom (except hydrogen that always has two electrons associated with it). 4. If there are too few electrons to give every atom an octet, move nonbonded pairs between atoms to give multiple bonds. 5. If there are electrons left over after forming octets, place them on the central atom. 6. Indicate the overall charge. Example: Draw the Lewis structure of NH 3 . Total number of valence electrons: 5 (N) + 3×1 (H) = 8 N is at the centre, three NH bonds require 3×2 electrons: Electrons remaining = 8 (valence) – 6 (bonding) = 2; place lone pair on nitrogen: Nitrogen has ‘octet’: 3×2 electrons (in bonds) + 2 electrons (lone pair). Example: Draw the Lewis structure of OH Total number of valence electrons: 6 (O) + 1 (H) + 1 (charge) = 8 One OH bond requires 2 electrons: 6 electrons remaining; three lone pairs: Oxygen has ‘octet’: 2 electrons (in bond) + 6 electrons (lone pairs). Indicate charge outside brackets. Example: Draw the Lewis structure of O 2 Total number of valence electrons: 2x6 (O) = 12 One OO bond requires 2 electrons: 10 electrons remaining; 5 lone pairs: One O atoms has only 6 electrons so share electrons from the other atom to form a double bond. Now both O atoms are associated with an ‘octet’ of electrons:

Upload: others

Post on 02-Jun-2020

4 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 1A-Topic 5 - Shape 201640 Topic&5:&Structure!andShape! Lewis structures! Lewis!structures!are!a!means!of!determiningstable!electron!arrangements!in!molecules.!!It! considersthe!valence

40

Topic  5:  Structure  and  Shape  

Lewis structures  Lewis  structures  are  a  means  of  determining  stable  electron  arrangements  in  molecules.    It  considers  the  valence  electrons  of  an  atom  only.    A  stable  arrangement  is  one  in  which  each  atom  has  achieved  a  noble  gas  electron  configuration  by  distribution  of  the  electrons  as  bond  pairs  or  lone  pairs  (non-­‐bonded  pairs).    A  noble  gas  electron  configuration  is  2  for  hydrogen  and  8  for  C,  N,  O  and  F.    This  is  sometimes  called  The  Octet  Rule.    To  draw  a  Lewis  Structure  you  need  to  know  which  atoms  are  bonded  to  which.      Then:  1. Add  up  the  total  number  of  valence  electrons  present,  add  or  subtract  electrons  to  

account  for  any  charge.  2. Join  the  appropriate  atoms  using  an  electron  pair  for  each  bond.  3. Distribute  the  remaining  electrons  to  result  in  an  octet  of  electrons  on  each  atom  

(except  hydrogen  that  always  has  two  electrons  associated  with  it).  4. If  there  are  too  few  electrons  to  give  every  atom  an  octet,  move  non-­‐bonded  pairs  

between  atoms  to  give  multiple  bonds.  5. If  there  are  electrons  left  over  after  forming  octets,  place  them  on  the  central  atom.  6. Indicate  the  overall  charge.    Example:    Draw  the  Lewis  structure  of  NH3.    

• Total  number  of  valence  electrons:  5  (N)  +  3×1  (H)  =  8  • N  is  at  the  centre,  three  N-­‐H  bonds  require  3×2  electrons:  

 • Electrons  remaining  =  8  (valence)  –  6  (bonding)  =  2;  place  lone  

pair  on  nitrogen:  • Nitrogen  has  ‘octet’:    3×2  electrons  (in  bonds)  +  2  electrons  (lone  

pair).    Example:    Draw  the  Lewis  structure  of  OH–  

• Total  number  of  valence  electrons:  6  (O)  +  1  (H)  +  1  (charge)  =  8  • One  O-­‐H  bond  requires  2  electrons:  

 • 6  electrons  remaining;  three  lone  pairs:  

 • Oxygen  has  ‘octet’:    2  electrons  (in  bond)  +  6  electrons  (lone  

pairs).  • Indicate  charge  outside  brackets.  

 Example:    Draw  the  Lewis  structure  of  O2  

• Total  number  of  valence  electrons:  2x6  (O)  =  12  • One  O-­‐O  bond  requires  2  electrons:  • 10  electrons  remaining;  5  lone  pairs:  • One  O  atoms  has  only  6  electrons  so  share  electrons  from  the  

other  atom  to  form  a  double  bond.  Now  both  O  atoms  are  associated  with  an  ‘octet’  of  electrons:  

Page 2: 1A-Topic 5 - Shape 201640 Topic&5:&Structure!andShape! Lewis structures! Lewis!structures!are!a!means!of!determiningstable!electron!arrangements!in!molecules.!!It! considersthe!valence

41

1. Draw  the  Lewis  structures  of:  CH4,  NH4+,  H2O  and  N2  

                                               The  ‘octet  rule’  predicts  all  stable  compounds  of  C,  N,  O  &  F  (C,  N,  O  &  H  are  the  principle  components  of  organic  molecules  which  represent  the  vast  majority  of  known  compounds).  In  contrast  compounds  of  Be  and  B  may  have  less  than  8  electrons  and  are  referred  to  as  ‘electron  deficient’.        Example: Draw  the  Lewis  structures  of  BeCl2

• Total  number  of  valence  electrons:  2  (Be)  +  2x7  (Cl)  =  16  • Two  Be-­‐Cl  bonds  requires  4  electrons:  

 • 12  electrons  remaining;  three  lone  pairs  on  each  Cl:  • While  Be  does  not  have  an  ‘octet’  further  sharing  of  electrons  

with  Cl  to  form  double  bonds  is  not  found  as  Be  is  recognised  as  ‘electron  deficient’.  

 2. Draw  the  Lewis  structure  of  BF3                      

Page 3: 1A-Topic 5 - Shape 201640 Topic&5:&Structure!andShape! Lewis structures! Lewis!structures!are!a!means!of!determiningstable!electron!arrangements!in!molecules.!!It! considersthe!valence

42

Elements  in  the  third  period  and  beyond  have  available  d  orbitals  as  well  as  s  &  p  orbitals  and  so  may  form  stable  compounds  with  greater  than  8  electrons  surrounding  these  atoms.    Typically  these  are  observed  in  compounds  of  Cl,  Br,  I,  P  and  S  where  stable  bonding  arrangements  containing  8,  10  or  12  electrons  around  these  atoms  are  observed.    Example:    Draw  the  Lewis  structure  of  ClF3  

• Total  number  of  valence  electrons:  7  (Cl)  +  3x7  (F)  =  28  • Three  Cl-­‐F  bonds  requires  6  electrons:  

 • 22  electrons  remaining;  three  lone  pairs  on  each  F  and  one  on  Cl  

gives  each  atom  an  octet:  • There  are  still  2  electrons  remaining.    These  form  an  additional  lone  

pair  on  the  Cl.    While  F  can  only  have  a  maximum  of  8  electrons  (valence  shell  is  the  n  =  2  shell  which  can  accommodate  only  8  electrons),  Cl  may  have  more  than  8  electrons  (valence  shell  is  the  n  =  3  shell  which  can  accommodate  18  electrons  though  in  practice  we  observe  bonding  with  8,  10  or  12  electron  arrangements).  

 3. Draw  the  Lewis  structures  of  PCl3,  PCl5,  SF6  and  ICl4-­‐                                                    

Page 4: 1A-Topic 5 - Shape 201640 Topic&5:&Structure!andShape! Lewis structures! Lewis!structures!are!a!means!of!determiningstable!electron!arrangements!in!molecules.!!It! considersthe!valence

43

Where  more  than  one  structure  may  be  drawn,  resonance  occurs  where  the  actual  structure  is  a  weighted  combination  of  all  possible  structures  and  the  electrons  are  delocalised  in  the  molecule/ion.  The  Lewis  structures  are  drawn  connected  with  a  double  headed  arrow.    Example:    Draw  the  Lewis  structure  of  CO3

2–  

 

• Total  number  of  valence  electrons:  4  (C)  +  3x6  (O)  +  2  (charge)  =  24  • Three  C-­‐O  bonds  requires  6  electrons:  

   

• 18 electrons  remaining;  try  three  lone  pairs  on  each  O:    

• C  does  not  have  an  octet  so  share  a  pair  from  one  of  the  O  atoms:    

 • Equally  likely  to  share  a  lone  pair  from  any  of  the  three  O  atoms  so  

there  are  three  resonance  structures:      

 

 

 

   When  resonance  occurs…  

• The  actual  structure  is  an  average  of  all  possible  Lewis  structures.  • The  actual  structure  is  a  single  structure.  • The  actual  structure  is  more  stable  than  predicted  from  the  Lewis  structure.  • There  is  no  easy  way  of  drawing  the  actual  structure!  

   4. Draw  the  Lewis  structure  of  O3,  HCO2

-­‐  and  NO3-­‐  

 

 

 

 

 

 

 

Page 5: 1A-Topic 5 - Shape 201640 Topic&5:&Structure!andShape! Lewis structures! Lewis!structures!are!a!means!of!determiningstable!electron!arrangements!in!molecules.!!It! considersthe!valence

44

Molecular Geometry  The  valence  shell  electron  pair  repulsion  model  (VSEPR  model)  assumes  that  electron  pairs  repel  one  another.    This  produces  a  set  of  geometries  which  depend  only  on  the  number  of  valence  shell  electron  pairs  and  not  on  the  atoms  present.    To  determine  the  molecular  geometry:    1. Draw  the  Lewis  structure.  2. Count  the  number  of  electron  areas  (that  is  bond  pairs  and  lone  pairs  but  count  each  

multiple  bond  as  one  electron  area).  3. Arrange  electron  areas  to  minimise  repulsion.    This  is  the  electron  pair  distribution.  4. Position  the  atoms  to  minimise  the  lone  pair  -­‐  lone  pair  repulsion  if  >  1  lone  pair.  5. Name  the  geometry  from  the  atom  positions.    This  is  the  molecular  geometry  and  may  

be  different  from  the  electron  pair  distribution.  6. For  large  molecules  repeat  the  process  for  each  atom  that  is  attached  to  at  least  two  

other  atoms  to  build  up  a  picture  of  the  overall  shape.      

Blackman  Figure  5.13,  5.16,  5.19  

Page 6: 1A-Topic 5 - Shape 201640 Topic&5:&Structure!andShape! Lewis structures! Lewis!structures!are!a!means!of!determiningstable!electron!arrangements!in!molecules.!!It! considersthe!valence

45

In  summary:    

No  of  Electron  Pairs  (Lewis  Structure)  

Arrangement  of  Electron  Pairs  

No  of  σ  Bond  Pairs  

No  of  Lone  Pairs  

Molecular  geometry   Examples  

2    

2   0   Linear   BeCl2,  CO2,  N3-­‐  

 3  

 

3    2  

0    1  

Trigonal  planer    

Angular  

BCl3,  SO3,  CO32-­‐  

 SO2,  O3,  NO2

-­‐  

     4  

 

 

4    3    2  

0    1    2  

Tetrahedral    

Trigonal  pyramid    

Angular  

CH4,  NH4+,  PO4

3-­‐  

 

H3O+,  NH3,  XeO3  

 H2O,  NH2

-­‐,  ClO2-­‐  

         5  

   

 

5    4    3    2  

0    1    2    3    

Trigonal  bipyramidal    

"See-­‐saw"    

T-­‐shaped    

Linear  

PCl5  

 SF4,  PBr4-­‐  

 

ClF3,  XeF3+  

 ICl2-­‐,  XeF2  

   6  

 

 

6    5    4  

0    1    2  

Octahedral    

Square  pyramidal    

Square  planar    

SF6,  SiF62-­‐,  AsF6-­‐  

 IF5,  SF5-­‐,  SbF52-­‐  

 ICl4-­‐,  XeF4  

   Example:    What  is  the  molecular  geometry  of  CO2?    

• Lewis  structure  is:  • Two  areas  of  electrons  about  the  central  atom,  no  lone  pairs,  therefore  linear.  

 Example:    What  is  the  molecular  geometry  of  CO3

2–?    

• Lewis  structure  shows  resonance  but  examining  any  one  of  the  resonance  structures  will  give  the  correct  answer:  

• Three  areas  of  electrons  about  the  central  atom,  no  lone  pairs,  therefore  triganol  planar.  

 Example:    What  is  the  molecular  geometry  of  ClF3?    

• Lewis  structure  is:  • Five  areas  of  electrons  about  the  central  atom,  so  electron  pair  

distribution  is  trigonal  bipyramidal.  There  are  two  lone  pairs  which  results  in  a  molecular  geometry  of  T-­‐shaped.  

 

X

X

X

X

X

Page 7: 1A-Topic 5 - Shape 201640 Topic&5:&Structure!andShape! Lewis structures! Lewis!structures!are!a!means!of!determiningstable!electron!arrangements!in!molecules.!!It! considersthe!valence

46

5. Draw  the  Lewis  structures  and  determine  the  molecular  geometry  of  the  following  species:  

   CH4                

 CH3

–                

 

 NH4

+  

 

 

 

 

 

 

 NH3  

 

 

 

 

 

 

 NH2

–  

 

 

 

 

 

           

 H3O+  

 

 

 

 

 H2O          

 

 

6. Draw  the  Lewis  structures  and  determine  the  molecular  geometry  for  the  following  molecules:  a. CF4         b.        AsCl5       c.      SeH6  

         

7. For  the  following  molecules,  draw  the  Lewis  structure(s)  and  predict  the  molecular  shape.    

a. PBr4–  

         

b. I3−    

Page 8: 1A-Topic 5 - Shape 201640 Topic&5:&Structure!andShape! Lewis structures! Lewis!structures!are!a!means!of!determiningstable!electron!arrangements!in!molecules.!!It! considersthe!valence

47

Dipole Moments  Any  bond  between  two  different  atoms  will  be  polar  as  a  result  of  the  electronegativity  difference  between  the  atoms.    A  molecule  has  a  permanent  dipole  moment  if  it  contains  polar  bonds  and  is  not  a  symmetrical  shape.    Examples  of  polar  molecules:  

 Examples  of  non-­‐polar  molecules:  

 8. Complete  the  following  table.    Molecule   Lewis  structure   Molecular  geometry   Is  there  a  dipole  moment?  

HCl        

SO2        

SO3        

SF4        

IF5        

SF6        

       

NH H

HOH HH Cl

H

CCl Cl

ClC

H H

O

O C OCl

CCl Cl

ClH H

F

S

FF F

FF

Page 9: 1A-Topic 5 - Shape 201640 Topic&5:&Structure!andShape! Lewis structures! Lewis!structures!are!a!means!of!determiningstable!electron!arrangements!in!molecules.!!It! considersthe!valence

48

Intra- & Inter-molecular forces  We  have  examined  intramolecular  forces  –  those  that  act  within  a  molecule.    There  are  the  forces  responsible  for  covalent  bonds  and,  more  loosely,  the  ionic  bonds  and  metallic  bonds  that  hold  compounds  together.    They  are  STRONG  (typically  80-­‐4000  kJ  mol-­‐1).  When  you  break  and  form  these  “bonds”  you  are  also  performing  a  chemical  reaction.    There  are  also  non-­‐bonding  forces  that  generally  occur  between  molecules  and  so  are  termed  inter-­‐molecular  forces.  These  are  largely  WEAK  (typically  0-­‐50  kJ  mol-­‐1)  and  when  you  make  and  break  these  you  are  mainly  performing  physical  changes  eg  boiling  a  liquid.        There  are  a  range  of  intermolecular  forces:    Ion-­‐Dipole  

- dipoles  align    (partially  or  fully)  in  the  electric  field  of  an  ion  - typical  energy  40-­‐600  kJ  mol-­‐1      

 Dipole-­‐dipole  

- dipoles  align  (partially  or  fully)  in  the  electric  field  of  the  neighboring  dipole.  - typical  energy  5-­‐25  kJ  mol-­‐1    

Ion-­‐induced  dipole  - a  dipole  is  induced  in  a  polarizable  molecule  by  the  presence  of  an  ion.  - typical  energy:    3-­‐15  kJ  mol-­‐1  

 Dipole  –  induced  dipole  

- a  dipole  is  induced  in  a  polarizable  molecule  by  the  presence  of  another  dipole.  - typical  energy:    2-­‐10  kJ  mol-­‐1  

 Dispersion  or  London  forces  

- two  polarizable  molecules  induce  transient  dipole  moments  in  each  other.  - typical  energy:    0.05  –  upwards      kJ  mol-­‐1.  

 • Dispersion  forces  exist  between  ALL  molecules.    The  force  increases  in  strength  with  

molecular  mass.  • Forces  associated  with  permanent  dipoles  are  found  only  in  substances  with  overall  

dipole  moments  (polar  molecules).    Their  existence  adds  to  the  dispersion  forces.  • When  comparing  substances  of  widely  different  masses,  dispersion  forces  are  usually  

more  significant  than  dipolar  forces.  • When  comparing  substances  of  similar  molecular  mass,  dipole  forces  can  produce  

significant  differences  in  molecular  properties  (e.g.  boiling  point).    9. Match  the  five  forces  above  to  the  following  situations:  

1. Liquid  chloroform  (CHCl3).  2. Petrol  (a  mixture  of  non-­‐polar  hydrocarbons).  3. Oxygen  dissolved  in  water.  4. A  solution  of  sodium  chloride.  5. Oxygen  interacting  with  the  iron  of  haemoglobin.    

Page 10: 1A-Topic 5 - Shape 201640 Topic&5:&Structure!andShape! Lewis structures! Lewis!structures!are!a!means!of!determiningstable!electron!arrangements!in!molecules.!!It! considersthe!valence

49

Hydrogen  bonds  Hydrogen  bonding  arises  from  an  unusually  strong  and  directed  dipole-­‐dipole  force.    When  H  is  bonded  to  a  very  electronegative  element  (F,  O,  N)  the  bond  is  polar  covalent.    H  is  unusual  because  with  only  one  electron,  it  leaves  a  partially  exposed  nucleus  (H  has  no  other  core  electrons  to  shield  the  nucleus).  The  bond  can  be  thought  of  as  forming  between  the  hydrogen  atom  and  the  lone  pairs  of  the  F,  N,  or  O  in  HF,  NH3  and  H2O,  respectively.    Water  is  perhaps  the  most  unusual  liquid.  Each  water  molecule  is  H-­‐bonded  to  FOUR  other  water  molecules  (donating  2  H-­‐atoms  and  accepting  two  H-­‐atoms  to  the  lone  pairs),  forming  a  tetrahedral  network  (ice)  and  a  loose  tetrahedral  network  (liquid).  

 

Measuring  Intermolecular  Forces    The  melting  transition  from  solid  to  liquid  is  not  a  good  way  of  measuring  intermolecular  forces,  as  the  molecules  are  held  together  by  attractive  forces  in  both  phases.    In  order  to  get  an  idea  of  the  strength  of  the  interaction,  we  need  to  separate  the  molecules.    This  requires  a  transition  to  a  gas,  i.e.  vaporisation  or  sublimation.    A  measure  of  this  is  the  molar  enthalpy  of  vaporisation.  An  indirect  measure  is  the  boiling  point.    10. Explain  the  trend  in  the  table  in  terms  of  the  type  and  size  of  IM  Forces  present.    

 

Substance   ΔHvap  (kJ  mol-­‐1)  

Molar  mass   Intermolecular  forces  present  

Butane,    CH3(CH2)  2CH3   22   58    

Diethyl  ether,  (C2H5)-­‐O-­‐(C2H5)   27   74    

Methanol,    CH3OH   38   32    

Ethanol,  CH3CH2OH   43   46    

Water,    H2O   44   18    

Blackman Figure 6.31

Page 11: 1A-Topic 5 - Shape 201640 Topic&5:&Structure!andShape! Lewis structures! Lewis!structures!are!a!means!of!determiningstable!electron!arrangements!in!molecules.!!It! considersthe!valence

50

11. Which   of   the   following  molecules   can   be   expected   to   show   hydrogen-­‐bonding  with  another  molecule  of  the  same  substance?  Draw  the  H-­‐bonding  interactions  for  those  that  will.    

 C2H6  

 

 

 

 

 

 

 

 

 CH3OH  

 CH3F  

     

(glycine – an amino acid)

 12. Circle  the  molecule  in  the  following  pairs  that  is  likely  to  have  the  higher  boiling  point  

and  identify  the  intermolecular  forces  present  in  that  molecule.

CO2  and  SO2    

CCl4  and  CHCl3    

CH3OCH3  and  CH3CH2OH    

Ar  and  Xe    

H2  and  F2    

O

CH3C CH3 H2N

CH2

COH

O

Page 12: 1A-Topic 5 - Shape 201640 Topic&5:&Structure!andShape! Lewis structures! Lewis!structures!are!a!means!of!determiningstable!electron!arrangements!in!molecules.!!It! considersthe!valence

51

Phase changes The  normal  sequence  of  phases  we  expect  to  see  on  warming  is  Solid    →    Liquid    →    Gas    The  phase  change  (eg  solid  to  liquid)  occurs  at  a  sharply  defined  temperature  for  most  materials.    However,  particularly  for  covalent  materials  that  possess  a  rod  like  structure,  an  intermediate  phase  displaying  some  characteristics  of  both  solids  and  liquids  may  occur.    These  are  liquid  crystals.  

13. In  the  pictures  below,  each  ellipse  represents  a  molecule.  Label  the  pictures  that  correspond  to  (a)  the  solid  phase  and  (b)  the  liquid  phase.    

         

14. In  smectic  and  nematic  liquid  crystals,  the  molecules  are  orientated  to  be  roughly  parallel.  In  smectic  liquid  crystals,  the  molecules  are  also  roughly  arranged  in  layers.  There  are  two  types  of  smectic  liquid  crystal.  Labels  the  pictures  that  correspond  to  (a)  smectic  and  (b)  nematic  liquid  crystals.  

15. In  the  smectic  A  phase,  the  average  orientation  of  the  molecule  is  normal  to  the  layer.  In  the  smectic  C  phase,  the  average  orientation  of  the  molecule  is  at  an  angle  to  the  layer.    Labels  the  pictures  that  correspond  to  (a)  smectic  A  and  (b)  smectic  C  liquid  crystals.  

16. Summarise  the  phase  transitions  by  redrawing  the  pictures  in  the  table  below.    

 Examples  of  liquid  crystal  materials  are:

 

Solid                                      Smectic  C                    Smectic  A                   Nematic   Liquid    

             

       

Regular  crystal  lattice  in  three  dimensions  

Molecules  still  in  layers  but  orientate  at  an  angle  to  the  layer  

Molecules  still  in  layers  but  orientated  on  average  normal  to  the  layer  

Preferential  orientation  along  the  long  axis  of  the  molecule  but  no  layers  discernible  

Random  orientation  of  molecules  within  the  liquid  

SC OO

CN