Scheikunde van basisschool tot bovenbouw · Grades 1–12

24Lewisstructuren en de vorm van moleculen

Een molecuul koolstofdioxide is recht; een watermolecuul is gebogen. Dat ene verschil in vorm is een van de redenen waarom water, met moleculen die lichter zijn dan die van koolstofdioxide, bij kamertemperatuur een vloeistof is, terwijl koolstofdioxide een gas is. Atomen in een molecuul worden bij elkaar gehouden door gedeelde elektronen, en de manier waarop de elektronen gedeeld worden, bepaalt de vorm. Dit hoofdstuk tekent de gedeelde elektronen en voorspelt daaruit de vorm.

Wat je al weet

De valentie-elektronen zijn die van de buitenste schil; atomen streven naar de configuratie van een edelgas, acht elektronen in de buitenste schil (octetregel) of twee voor waterstof (duetregel) (Hoofdstuk 23). Molecuulmodellen tonen atomen als balletjes en bindingen als staafjes (Hoofdstuk 11).

24.1 De covalente binding

Definitie 24.1 (Covalente binding)

Een covalente binding is een elektronenpaar dat door twee atomen gedeeld wordt; meestal levert elk atoom één elektron van het paar. Beide atomen tellen het gedeelde paar mee in hun buitenste schil, waardoor ze allebei een duet of een octet kunnen bereiken.

Definitie 24.2 (Bindende en vrije elektronenparen)

In een molecuul zijn de valentie-elektronen van elk atoom in paren gegroepeerd. Een bindend elektronenpaar wordt door twee atomen gedeeld en vormt een covalente binding; een vrij elektronenpaar hoort bij één atoom en doet niet mee aan een binding.

Propositie 24.3 (Hoeveel bindingen een atoom vormt)

Een atoom vormt evenveel covalente bindingen als het elektronen tekortkomt om zijn duet of octet te vervolledigen:

atoom	valentie-elektronen	bindingen	vrije paren	voorbeeld
H	1	1	0	$\ce{H2}$
C	4	4	0	$\ce{CH4}$
N	5	3	1	$\ce{NH3}$
O	6	2	2	$\ce{H2O}$
Cl	7	1	3	$\ce{HCl}$

24.2 Lewisstructuren

Definitie 24.4 (Lewisstructuur)

De lewisstructuur van een molecuul toont de atomen met hun symbool, elk bindend elektronenpaar als een streepje tussen twee atomen en elk vrij elektronenpaar als twee puntjes naast zijn atoom.

Definitie 24.5 (Dubbele en drievoudige bindingen)

Twee atomen kunnen twee elektronenparen delen, een dubbele binding, getekend als twee streepjes, of drie paren, een drievoudige binding, getekend als drie streepjes.

Methode 24.6 (Een lewisstructuur tekenen)

Tel de valentie-elektronen van alle atomen op, en deel door twee om het aantal paren te krijgen.
Verbind de atomen met enkele bindingen (waterstof, dat één binding vormt, zit altijd aan de buitenkant; koolstof staat meestal in het midden).
Zet de overige paren als vrije paren neer, eerst op de buitenste atomen, om hun octetten te vervolledigen.
Heeft een atoom nog geen octet, maak dan van een vrij paar van een buuratoom een tweede (of derde) gedeeld paar.
Controleer: elke waterstof heeft 2 elektronen, elk ander atoom 8, en alle paren zijn gebruikt.

Voorbeeld 24.7 (Koolstofdioxide)

$\ce{CO2}$ : $4 + 2 \times 6 = 16$ valentie-elektronen, 8 paren. De enkele bindingen $\ce{O-C-O}$ gebruiken 2 paren; 6 vrije paren op de zuurstofatomen maken die compleet, maar koolstof heeft dan maar 4 elektronen. Door van elk zuurstofatoom één vrij paar een gedeeld paar te maken, ontstaan twee dubbele bindingen: nu heeft elk atoom een octet.

Lewisstructuren van elf moleculen. Elk atoom behalve waterstof is omringd door vier paren (bindingen en vrije paren): een octet.

24.3 De vorm van moleculen

Propositie 24.8 (Elektronenparen gaan zo ver mogelijk uit elkaar)

Rond een centraal atoom stoten de elektronengroepen — elke enkele, dubbele of drievoudige binding, en elk vrij paar — elkaar af en gaan ze zo ver mogelijk uit elkaar staan. Daaruit volgt de vorm van het molecuul:

groepen rond het centrum	waarvan vrije paren	vorm	voorbeeld
2	0	lineair, hoek $180{}^{\circ}$	$\ce{CO2}$ , $\ce{HCN}$
3	0	vlakke driehoek, hoek $120{}^{\circ}$	$\ce{CH2O}$ , $\ce{C2H4}$
4	0	tetraëder, hoek $109.5{}^{\circ}$	$\ce{CH4}$
4	1	piramide	$\ce{NH3}$
4	2	gebogen	$\ce{H2O}$

Bewijs. Op dit niveau zonder bewijs aangenomen. ∎

Opmerking 24.9 (Waar dit vandaan komt)

Deze regel is een model, en hij werkt opmerkelijk goed voor kleine moleculen; hij wordt in het deel voor het eerste universiteitsjaar preciezer gemaakt en deels verklaard. Vrije paren nemen iets meer ruimte in dan bindende paren: de hoek in ammoniak ( $106.7{}^{\circ}$ ) en in water ( $104.5{}^{\circ}$ ) is iets kleiner dan de $109.5{}^{\circ}$ van methaan.

Vormen van vier moleculen (vrije paren getekend als gearceerde lobben). Methaan is een tetraëder, ammoniak een piramide, water gebogen, koolstofdioxide recht.

Vier aan elkaar geknoopte ballonnen duwen elkaar zo ver mogelijk weg; in de ruimte wijzen ze naar de hoekpunten van een tetraëder, net als de vier elektronenparen rond een koolstofatoom.

24.4 Moleculen in de ruimte tekenen

Notatie 24.10 (Wiggen en streepjes)

Om een molecuul in de ruimte op plat papier te tekenen, is een binding in het vlak van het papier een gewone lijn, een binding die naar de lezer toe wijst een volle wig, en een binding die van de lezer af wijst een gestreepte wig. Methaan teken je dan zoals hieronder: twee bindingen in het vlak, één naar de lezer toe en één van de lezer af.

24.5 Oefeningen

Oefening 24.1 ★

Wat is een covalente binding? Wat is een vrij elektronenpaar?

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.1.

Een elektronenpaar dat door twee atomen gedeeld wordt. Een paar valentie-elektronen dat bij één atoom hoort en niet gedeeld wordt.

Oefening 24.2 ★

Hoeveel covalente bindingen vormen waterstof, koolstof, stikstof en zuurstof gewoonlijk? Leg uit met de octet- en de duetregel.

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.2.

H: 1 (één elektron tekort voor zijn duet). C: 4, N: 3, O: 2 (4, 3 en 2 elektronen tekort voor een octet).

Oefening 24.3 ★

Teken de lewisstructuur van waterstofchloride, $\ce{HCl}$ , en tel de elektronen rond chloor.

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.3.

: chloor heeft het gedeelde paar en drie vrije paren, 8 elektronen.

Oefening 24.4 ★

Hoeveel valentie-elektronen heeft het molecuul $\ce{NH3}$ in totaal? Hoeveel paren?

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.4.

$5 + 3 \times 1 = 8$ elektronen, 4 paren (drie bindingen, één vrij paar).

Oefening 24.5 ★

Geef de vorm van $\ce{CH4}$ , $\ce{NH3}$ , $\ce{H2O}$ en $\ce{CO2}$ .

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.5.

$\ce{CH4}$ : tetraëder. $\ce{NH3}$ : piramide. $\ce{H2O}$ : gebogen. $\ce{CO2}$ : lineair.

Oefening 24.6 ★★

Teken de lewisstructuur van waterstofsulfide, $\ce{H2S}$ (zwavel staat in de groep van zuurstof), en voorspel de vorm.

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.6.

: net als bij water vier groepen rond zwavel, waarvan twee vrije paren: gebogen.

Oefening 24.7 ★★

Teken de lewisstructuur van stikstof, $\ce{N2}$ , en volg de methode stap voor stap.

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.7.

$2 \times 5 = 10$ elektronen, 5 paren. Een enkele binding en 4 vrije paren laten elk stikstofatoom met 6 elektronen achter; door twee vrije paren in gedeelde paren om te zetten, ontstaan een drievoudige binding en één vrij paar op elk atoom: .

Oefening 24.8 ★★

Teken de lewisstructuur van methanol, $\ce{CH3OH}$ , en geef de vorm rond het koolstofatoom en rond het zuurstofatoom.

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.8.

: vier bindingen rond koolstof, tetraëdrisch; rond zuurstof twee bindingen en twee vrije paren, gebogen.

Oefening 24.9 ★★

Waarom is $\ce{CO2}$ lineair en $\ce{H2O}$ gebogen, hoewel ze allebei een centraal atoom hebben dat aan twee andere vastzit?

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.9.

In $\ce{CO2}$ heeft koolstof twee groepen (twee dubbele bindingen) en geen vrij paar: die wijzen in tegengestelde richtingen. In $\ce{H2O}$ heeft zuurstof vier groepen (twee bindingen, twee vrije paren) in een tetraëdrische schikking: de twee bindingen maken een hoek.

Oefening 24.10 ★★

Teken de lewisstructuur van etheen, $\ce{C2H4}$ , en geef de vorm rond elk koolstofatoom.

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.10.

: rond elk koolstofatoom drie groepen (één dubbele binding, twee enkele bindingen): een vlakke driehoek, hoeken van ongeveer $120{}^{\circ}$ .

Oefening 24.11 ★★

Teken de lewisstructuur van tetrachloormethaan, $\ce{CCl4}$ , en voorspel de vorm.

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.11.

Koolstof in het midden, vier enkele bindingen naar chlooratomen die elk drie vrije paren hebben: vier groepen rond koolstof, een tetraëder.

Oefening 24.12 ★★★

Twee moleculen hebben de formule $\ce{C2H6O}$ . Teken voor elk een lewisstructuur (het ene heeft een O–H-binding, het andere een C–O–C-keten).

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.12.

Ethanol, , en methoxymethaan, .

Oefening 24.13 ★★★

Leg met vrije paren uit waarom de hoek in ammoniak ( $106.7{}^{\circ}$ ) kleiner is dan in methaan ( $109.5{}^{\circ}$ ), en in water ( $104.5{}^{\circ}$ ) nog kleiner.

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.13.

Een vrij paar neemt iets meer ruimte in dan een bindend paar en duwt de bindingen dichter naar elkaar toe. Ammoniak heeft één vrij paar, water twee: de hoek wordt kleiner van methaan naar ammoniak naar water.

Oefening 24.14 ★★★

Teken de lewisstructuur van waterstofcyanide, $\ce{HCN}$ , en van methanal, $\ce{CH2O}$ , en geef hun vorm.

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.14.

: twee groepen rond koolstof, lineair. : drie groepen rond koolstof, een vlakke driehoek.

Oefening 24.15 ★★★

Ozon, $\ce{O3}$ , is een keten van drie zuurstofatomen. Tel zijn valentieparen en teken een lewisstructuur waarin elk zuurstofatoom een octet heeft (één dubbele binding, één enkele binding). Voorspel of het molecuul lineair of gebogen is.

Oplossing

Oplossing van Oefening 24.15.

$3 \times 6 = 18$ elektronen, 9 paren: . Het centrale zuurstofatoom heeft drie groepen (een dubbele binding, een enkele binding, een vrij paar): het molecuul is gebogen.

24.6 Probleem: Een molecuul in een kubus

Probleem 24.1

Weekendprobleem — de koolstofballetjes van een molecuulbouwdoos ontwerpen: onder welke hoek moeten de gaatjes geboord worden?

Een bedrijf maakt molecuulbouwdozen. De zwarte koolstofballetjes moeten vier gaatjes hebben, zodat methaan, ethaan en de andere koolstofmoleculen de juiste vorm krijgen. De ingenieur gebruikt een truc: een regelmatige tetraëder past in een kubus, met zijn vier hoekpunten op vier hoekpunten van de kubus, waarvan er geen twee op dezelfde ribbe liggen.

Deel I — Lewisstructuren.

Teken de lewisstructuren van methaan $\ce{CH4}$ , ammoniak $\ce{NH3}$ en water $\ce{H2O}$ .
Hoeveel elektronengroepen omringen het centrale atoom in elk?
Hoeveel daarvan zijn vrije paren?
Waarom heeft een koolstofballetje vier gaatjes nodig, en een zuurstofballetje (voor water) maar twee?
Een model van ethaan, $\ce{C2H6}$ , gebruikt twee koolstofballetjes. Teken de lewisstructuur. Hoeveel staafjes verbinden de twee koolstofballetjes, en hoeveel waterstofballetjes zijn er nodig?

Deel II — Vormen.

Geef de vorm van elk van de drie moleculen.
De gemeten hoeken zijn $106.7{}^{\circ}$ in ammoniak en $104.5{}^{\circ}$ in water. Leg uit waarom ze kleiner zijn dan de hoek van methaan.
Waarom kan het zuurstofballetje voor water niet gewoon een koolstofballetje zijn waarvan twee gaatjes leeg blijven, als de bouwdoos de echte hoek moet laten zien?
In koolstofdioxide vormt het koolstofatoom twee dubbele bindingen. Welke hoek moet ze in een model scheiden?

Deel III — De kubus. Neem een kubus met ribbe $a$ . Het koolstofatoom zit in het middelpunt; de vier waterstofatomen zitten op vier hoekpunten van de kubus, waarvan er geen twee op dezelfde ribbe liggen.

Laat zien dat elk tweetal van deze waterstofatomen op de twee uiteinden van een diagonaal van een zijvlak van de kubus ligt. Bereken met de stelling van Pythagoras hun afstand, uitgedrukt in $a$ .
De diagonaal van de hele kubus (van een hoekpunt naar het tegenoverliggende hoekpunt) heeft lengte $a\sqrt{3}$ . Leid daaruit de afstand van het koolstofatoom tot een waterstofatoom af.
Neem $a = 1\,\mathrm{cm}$ in een model: geef beide afstanden in centimeter, op twee decimalen.
Waarom zijn de vier C–H-afstanden gelijk?

Deel IV — De hoek. Het koolstofatoom C en twee waterstofatomen H $_1$ , H $_2$ vormen een gelijkbenige driehoek. Zij M het midden van H $_1$ H $_2$ .

Leg uit waarom driehoek C M H $_1$ een rechte hoek heeft bij M.
Bereken in deze rechthoekige driehoek de sinus van hoek $\widehat{\text{M\,C\,H}_1}$ , de helft van hoek H–C–H.
Leid daaruit de halve hoek af, en daarna hoek H–C–H, op één decimaal.
Vergelijk met de hoek uit de tabel van dit hoofdstuk.
Geef de hoek waaronder de gaatjes van een koolstofballetje geboord moeten worden.

Oplossing

Oplossing van Probleem 24.1.

1. , , .

2. In elk vier groepen.

3. Geen bij methaan, één bij ammoniak, twee bij water.

4. Koolstof vormt vier bindingen; zuurstof vormt er twee (zijn twee andere groepen zijn vrije paren, die een bouwdoos niet met staafjes laat zien).

5. : één staafje verbindt de twee koolstofballetjes, en er zijn zes waterstofballetjes nodig.

6. Tetraëder, piramide, gebogen.

7. Vrije paren nemen meer ruimte in dan bindende paren en drukken de bindingen naar elkaar toe; water, met twee vrije paren, heeft de kleinste hoek.

8. De gaatjes van een koolstofballetje maken $109.5{}^{\circ}$ ; de echte hoek van water is $104.5{}^{\circ}$ : een zuurstofballetje heeft zijn eigen twee gaatjes onder $104.5{}^{\circ}$ nodig.

9. $180{}^{\circ}$ : twee groepen rond koolstof wijzen in tegengestelde richtingen, en het molecuul is lineair.

10. Twee hoekpunten die niet op dezelfde ribbe liggen, zijn tegenoverliggende hoekpunten van één zijvlak: hun afstand is de diagonaal van het zijvlak, $\sqrt{a^2 + a^2} = a\sqrt{2}$ .

11. Het middelpunt ligt halverwege een lichaamsdiagonaal: $a\sqrt{3}/2$ .

12. H–H: $\sqrt{2} \approx 1.41\,\mathrm{cm}$ ; C–H: $\sqrt{3}/2 \approx 0.87\,\mathrm{cm}$ .

13. Elke waterstof zit op een hoekpunt van de kubus en de koolstof in het middelpunt: elk hoekpunt ligt even ver van het middelpunt.

14. Driehoek C H $_1$ H $_2$ is gelijkbenig (C H $_1$ = C H $_2$ ); de lijn van de top naar het midden van de basis staat loodrecht op de basis.

15. $\sin \widehat{\text{M\,C\,H}_1} = \dfrac{\text{M\,H}_1}{\text{C\,H}_1} = \dfrac{a\sqrt{2}/2}{a\sqrt{3}/2} = \sqrt{2/3} \approx 0.816$ .

16. Halve hoek $\approx 54.7{}^{\circ}$ ; hoek H–C–H $\approx 2 \times 54.7 = 109.5{}^{\circ}$ .

17. Het is de $109.5{}^{\circ}$ van de tetraëder in de tabel.

18. De gaatjes moeten onder $109.5{}^{\circ}$ ten opzichte van elkaar geboord worden.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 852 begrippen in de begrippenlijst