Hoe teken je een Lewisstructuur voor een radicaal of met een uitgebreid octet?

Het tekenen van Lewisstructuren voor radicalen of moleculen met een uitgebreid octet vereist specifieke aandacht voor het aantal elektronen en de bindingsmogelijkheden van atomen. Een radicaal heeft een oneven aantal valentie-elektronen, wat resulteert in minstens één ongepaard elektron. Een uitgebreid octet betekent dat een atoom meer dan acht elektronen in zijn buitenste schil heeft, wat mogelijk is voor elementen vanaf de derde periode (zoals zwavel).

Hier is een stappenplan om een Lewisstructuur voor dergelijke gevallen op te stellen:

1. Tel het totale aantal valentie-elektronen:

   • Tel de valentie-elektronen van elk atoom in het molecuul of ion.
   • Voor een negatief geladen ion tel je extra elektronen op.
   • Voor een positief geladen ion trek je elektronen af.
   • Belangrijk: Als het totale aantal valentie-elektronen oneven is, weet je direct dat het een radicaal is en dat er minstens één ongepaard elektron aanwezig zal zijn.

2. Bepaal het centrale atoom en zijn bindingsmogelijkheden:

   • Het centrale atoom is meestal het minst elektronegatieve atoom (behalve waterstof).
   • Controleer of het centrale atoom een uitgebreid octet kan hebben (elementen vanaf de derde periode). De opgave kan ook een specifieke covalentie (aantal bindingen) voor dit atoom geven.

3. Teken de basisstructuur met bindingen:

   • Plaats het centrale atoom in het midden en verbind het met de andere atomen.
   • Gebruik de covalentie van het centrale atoom (indien gegeven) om te bepalen hoeveel dubbele of driedubbele bindingen nodig zijn om het juiste aantal bindingen te vormen. Begin met enkelvoudige bindingen en voeg dubbele/driedubbele bindingen toe om aan de covalentie te voldoen.

4. Verdeel de resterende elektronen als vrije elektronenparen en het ongepaarde elektron:

   • Trek de elektronen die in de bindingen zijn gebruikt af van het totale aantal valentie-elektronen.
   • Verdeel de overgebleven elektronen over de buitenste atomen om hun octet te vullen (of twee elektronen voor waterstof).
   • Plaats eventuele overgebleven elektronen op het centrale atoom.
   • Als het een radicaal is (oneven aantal valentie-elektronen), zal er één elektron overblijven dat als ongepaard elektron (een enkel puntje) op een atoom wordt geplaatst. Kies hiervoor een atoom dat de lading het beste kan dragen of waar het de formele lading minimaliseert.

5. Controleer de formele ladingen en de totale lading:

   • Bereken de formele lading voor elk atoom met de formule: Formele lading = (aantal valentie-elektronen) - (aantal ongebonden elektronen) - (0,5 * aantal gebonden elektronen)
   • De som van alle formele ladingen moet gelijk zijn aan de totale lading van het molecuul of ion.
   • Probeer de formele ladingen zoveel mogelijk te minimaliseren door vrije elektronenparen om te zetten in extra bindingen (dubbele/driedubbele), zolang het centrale atoom zijn octet kan uitbreiden en de octetregel voor de buitenste atomen niet wordt geschonden.

Voorbeeld: Het $SO_4^-$ radicaal

Stel, de opgave geeft aan dat $SO_4^-$ een radicaal is en dat de covalentie van zwavel (S) 6 is.

1. Tel het totale aantal valentie-elektronen:

   • Zwavel (S): 6 valentie-elektronen
   • Vier zuurstofatomen (O): $4 \times 6 = 24$ valentie-elektronen
   • Negatieve lading (-1): +1 elektron
   • Totaal: $6 + 24 + 1 = 31$ valentie-elektronen.
   • Het oneven aantal (31) bevestigt dat het een radicaal is.

2. Bepaal het centrale atoom en zijn bindingsmogelijkheden:

   • Zwavel (S) is het centrale atoom.
   • De covalentie van zwavel is 6, wat betekent dat zwavel 6 bindingen kan vormen (en dus 12 elektronen om zich heen kan hebben, een uitgebreid octet).

3. Teken de basisstructuur met bindingen:

   • Met 4 zuurstofatomen en een covalentie van 6 voor zwavel, betekent dit dat zwavel twee dubbele bindingen en twee enkele bindingen moet vormen met de zuurstofatomen.
   • Gebruikte elektronen voor bindingen: $2 \times 4 (\text{dubbele bindingen}) + 2 \times 2 (\text{enkele bindingen}) = 8 + 4 = 12$ elektronen.
   • Resterende elektronen om te verdelen: $31 - 12 = 19$ elektronen.

4. Verdeel de resterende elektronen als vrije elektronenparen en het ongepaarde elektron:

   • We hebben 19 elektronen over en weten dat er 1 ongepaard elektron is.
   • Twee zuurstofatomen met een dubbele binding (S=O): Elk heeft 4 elektronen van de dubbele binding. Om een octet te krijgen, hebben ze elk 2 vrije elektronenparen nodig ($2 \times 2 = 4$ elektronen per O).
     • Totaal voor deze twee O's: $2 \times 4 = 8$ elektronen.
   • Eén zuurstofatoom met een enkele binding (S-O) dat het radicaal draagt: Dit O-atoom heeft 2 elektronen van de enkele binding. Om een radicaal te zijn met een formele lading van 0, heeft het 2 vrije elektronenparen en 1 ongepaard elektron nodig ($2 \times 2 + 1 = 5$ elektronen).
     • Totaal voor deze O: 5 elektronen.
   • Eén zuurstofatoom met een enkele binding (S-O) dat de negatieve lading draagt: Dit O-atoom heeft 2 elektronen van de enkele binding. Om de totale lading van het deeltje op -1 te krijgen, moet dit O-atoom een formele lading van -1 hebben. Dit betekent 3 vrije elektronenparen ($3 \times 2 = 6$ elektronen).
     • Totaal voor deze O: 6 elektronen.
   • Controleer de verdeling: $8 (\text{voor de twee S=O's}) + 5 (\text{voor de radicaal O}) + 6 (\text{voor de -1 O}) = 19$ elektronen. Dit klopt precies!

5. Controleer de formele ladingen en de totale lading:

   • Zwavel (S): 6 valentie-elektronen - 0 ongebonden - $(0,5 \times 12 \text{ gebonden}) = 0$.
   • Twee zuurstofatomen (S=O): 6 valentie-elektronen - 4 ongebonden - $(0,5 \times 4 \text{ gebonden}) = 0$.
   • Eén zuurstofatoom (S-O) met radicaal: 6 valentie-elektronen - 5 ongebonden - $(0,5 \times 2 \text{ gebonden}) = 0$.
   • Eén zuurstofatoom (S-O) met -1 lading: 6 valentie-elektronen - 6 ongebonden - $(0,5 \times 2 \text{ gebonden}) = -1$.
   • Totale lading: $0 (S) + 2 \times 0 (S=O) + 0 (radicaal O) + (-1) (negatieve O) = -1$. Dit komt overeen met de lading van $SO_4^-$.

De Lewisstructuur van het $SO_4^-$ radicaal ziet er dan als volgt uit (met puntjes voor vrije elektronenparen en een enkel puntje voor het ongepaarde elektron):

      :O:
      ||
   :O=S-O:
   |  •
   :O:-

(Hierbij heeft de S een formele lading van 0, de twee O's met dubbele bindingen hebben een formele lading van 0, de O met het ongepaarde elektron heeft een formele lading van 0, en de O met de enkele binding en drie vrije elektronenparen heeft een formele lading van -1).

Door deze stappen te volgen, kun je systematisch de Lewisstructuur voor radicalen en moleculen met uitgebreide octetten opstellen.