Struktura CH4 Lewis: 5 jednoduchých kroků ke kreslení pomocí obrázku a tvaru

Hodnotil Manjula Sivapuri

Obecný název CH4 je metan. Je to nejjednodušší uhlovodík v organické molekule a je to hydrid C. V Lewisově struktuře CH4 má molekula čtyřstěnný tvar a má vazebný úhel dokonale 109.50. Molekula prochází je sp3 hybridizace. Jeden atom H je pod molekulární rovinou a druhý je nad molekulární rovinou.

CH4 se používá k syntéze uhlovodíku vyššího řádu v organických reakcích. Je to jednoduchý alkan, protože všechny vazby CH jsou jednoduché.

Jak nakreslit strukturu CH4 Lewis?

Kreslení Lewisovy struktury pro metan (CH4) je docela jednoduché, ale pojďme si projít procesem krok za krokem. Metan je jednoduchá molekula skládající se z jednoho atomu uhlíku vázaného na čtyři atomy vodíku. Zde je návod, jak můžete nakreslit jeho Lewisovu strukturu:

CH4 Lewis Struktura: Kroky

Spočítejte celkový počet valenčních elektronů: V metanu má centrální atom uhlíku 4 valenční elektrony a každý atom vodíku má 1 valenční elektron. Protože existují 4 atomy vodíku, jsou to 4 valenční elektrony z vodíku plus 4 z uhlíku, což nám dává celkem 8 valenčních elektronů, se kterými můžeme pracovat.

Určete centrální atom: Uhlík je méně elektronegativní než vodík a může tvořit více vazeb, takže uhlík bude centrálním atomem ve struktuře.

Nakreslete kostru molekuly: Umístěte uhlík do středu a uspořádejte kolem něj čtyři atomy vodíku. Je to jako představit si znaménko plus s uhlíkem na průsečíku a atomy vodíku na koncích každé čáry.

Struktura CH4 Lewis: Krok 1

Distribuujte valenční elektrony: Začněte vnějšími atomy a umístěte kolem nich elektrony, které představují vazby mezi atomy uhlíku a vodíku. Každá vazba mezi uhlíkem a vodíkem bude využívat 2 z 8 valenčních elektronů. Protože v metanu máme 4 vazby CH, všech 8 elektronů je spotřebováno při vytváření těchto vazeb.

Struktura CH4 Lewis: Krok 2

Zkontrolujte pravidlo oktetu: Každý atom v metanu se řídí pravidly, podle kterých rád žije. Uhlík má svůj plný oktet, protože sdílí 4 elektrony s vodíkem (jeden z každé vazby) a každý vodík je spokojený se 2 elektrony (plný vnější obal pro vodík).

Struktura CH4 Lewis: Krok 3

V případě potřeby přidejte osamělé páry: V případě metanu neexistují žádné osamocené páry, protože jsme při vytváření vazeb použili všechny valenční elektrony a každý atom má svůj požadovaný plný vnější obal.

Takže konečná struktura CH4 Lewis je:

A je to! Máte Lewisovu strukturu pro metan. Vizuálně byste viděli uhlík ve středu s jednoduchými čarami (představujícími jednoduché vazby) táhnoucími se k vodíkům ve čtyřech bodech kompasu. Metanová struktura je dokonalým příkladem tetraedrické molekulární geometrie, ale to je trochu ponoření do molekulárních tvarů.

CH4 Lewisův tvar struktury

Podle teorie VSEPR (Valence Shell Electrons Pair Repulsion), pokud je počet elektronů jakékoli molekuly 8, pak molekula přijímá tetraedrickou geometrii. Příspěvek elektronů pro C je 4 a čtyři atomy H přispějí každý 1 elektronem, takže celkový počet elektronů bude 8. Takže CH4 Lewisova struktura je čtyřstěnný.

obrázek 56
Tvar CH4 Lewis

V CH4 Lewisova struktura, celá elektronová hustota leží pouze na centrálních atomech C. C je obklopen čtyřmi atomy H v tetraedrické části. Tvar molekuly je ideální a bez odchylek ve tvaru a geometrii, protože není přítomen žádný osamocený pár a není přítomen ani destabilizační faktor.

Valenční elektrony CH4

Elektrony přítomné ve valenčním nebo vnějším obalu atomu jsou známé jako valenční elektrony. Pro C je počet valenčních elektronů 4 a pro H je počet valenčních elektronů 1.

obrázek 57
Valenční elektrony CH4

V Lewisově struktuře CH4 je atom C skupina 14th prvek s elektronickou konfigurací [He] 2 s22p2 takže má čtyři elektrony ve svém nejvzdálenějším orbitálu a všechny elektrony se účastní tvorby sigma vazby se čtyřmi atomy H. Všichni víme, že pro atom H je přítomen pouze jeden elektron a to je jeho valenční elektron a podílí se na tvorbě vazby s C.

Takže v CH4 Lewisova struktura, celkový počet valenčních elektronů je 4+(4*1) = 8 elektrony a je ukázáno, že číselný oktet je plně uspokojen touto molekulou.

CH4 Lewisova struktura formální náboj

Účtování pro stejnou elektronegativitu pro všechny atomy v konkrétní molekule vypočítává specifický náboj molekuly nebo jednotlivých atomů se nazývá formální náboj. Formální náboj je hypotetický koncept, podle tohoto konceptu můžeme předpovědět, zda je molekula nabitá nebo ne.

Vzorec, který můžeme použít k výpočtu formálního poplatku, FC = Nv - Nlp -1/2 Nbp

Kde Nv je počet elektronů ve valenčním obalu nebo nejvzdálenějším orbitalu, Nlp je počet elektronů v osamoceném páru a Nbp  je celkový počet elektronů, které se podílejí pouze na tvorbě vazby.

V CH4 Lewisova struktura, C a H jsou různé substituenty, takže formální náboj C a H vypočítáme individuálně.

Formální náboj nad C je 4-0-(8/2) = 0

Formální náboj nad H je, 1-0-(2/2) = 0

Takže formální náboj nad C i H je nulový. Odráží se také, že v CH4 Lewisova struktura že molekula je také neutrální.

Takže individuální formální náboj také poskytuje správné vysvětlení nabité nebo neutrální molekuly.

CH4 Lewisova struktura osamocených párů

Elektrony jsou přítomny ve valenčním obalu nebo nejvzdálenějším orbitálu atomu, ale nepodílejí se na tvorbě přímé vazby, ale existují jako párům se říká osamělé páry. Ze struktury CH4 Lewis, můžeme říci, že nad molekulou nejsou žádné osamocené páry.

obrázek 58
CH4 Osamělé páry

V CH4 Lewisova struktura, jsou přítomny dva substituenty, C a H. H má ve svém obalu pouze jeden elektron a tento elektron je pro něj také valenčním elektronem. Že jeden elektron H se účastní tvorby sigma vazby s centrálním atomem c, takže pro atom H neexistuje žádný osamocený pár.

C je skupina 14th prvek a má čtyři elektrony ve svém nejvzdálenějším orbitálu, všechny elektrony se účastní tvorby sigma vazby se čtyřmi atomy H. Takže pro C v jeho nejvzdálenějším orbitálu nejsou přítomny žádné elektrony. Takže C také postrádá osamělé páry a celý CH4 Lewisova struktura neobsahuje žádné osamocené páry.

CH4 pravidlo oktetu Lewisovy struktury

Každý atom kromě vzácného plynu se snaží dokončit svůj valenční obal, ale přijme vhodný počet elektronu z jiného zdroje a snaží se získat nejbližší konfiguraci vzácného plynu podle oktetového pravidla. CH4 Lewisova struktura se také snaží dokončit svůj oktet tvorbou vazby mezi C a H.

obrázek 59
oktet CH4

V Lewisově struktuře CH4 je elektronická konfigurace C [He]2s22p2. Takže v nejvzdálenějším obalu pro C jsou čtyři elektrony a potřebuje čtyři další elektrony, aby dokončil svůj oktet. Nyní v molekule CH4 C tvoří čtyři sigma vazby se čtyřmi atomy H prostřednictvím sdílení elektronů a dokončením svého oktetu.

Opět platí, že pro H existuje pouze jeden elektron a tento jeden elektron je valenční elektron, který je přítomen ve valenčním obalu pro H. H potřebuje ještě jeden elektron, aby dokončil svůj oktet a získal nejbližší konfiguraci vzácného plynu, jako je He. Nyní H tvoří vazbu s C tím, že sdílí svůj jeden elektron a jeden elektron z C a také doplňuje svůj oktet.

Úhel vazby CH4 Lewisovy struktury

Vazebný úhel je specifický úhel vytvořený atomy v konkrétní molekule pro jejich uspořádání určitým způsobem. V CH4 Lewisova struktura, spojovací úhel je 109.50, což je ideální pro čtyřstěnnou geometrii.

obrázek 60
CH4 Bond Angle

Z CH4 Lewisova struktura, víme, že molekula metanu přijímá tetraedrickou geometrii a z teorie VSEPR víme, že vazebný úhel pro tetraedrickou geometrii je 109.50. V této struktuře neexistuje žádná odchylka od ideálního vazebného úhlu a důvodem je to, že zde není přítomen žádný odchylkový faktor. Velikost C, stejně jako H, jsou velmi malé, takže mezi nimi nedochází k žádnému odpuzování a nad molekulou nejsou žádné osamocené páry. Takže žádná šance na odpuzování osamělého páru-dluhopisu.

Takže HCH je dokonale 109.50 v ideální čtyřstěnné části.

CH4 Lewisova struktura rezonance

Delokalizace elektronických mraků mezi různými kostrami konkrétní molekuly se nazývá rezonance. Ale v CH4 Lewisova struktura, nedochází k žádné rezonanci.

K rezonanci dochází pouze mezi atomy, které leží ve stejné rovině. Ale v Lewisově struktuře CH4 jsou dva atomy H přítomny v molekulární rovině, ale další dva leží pod a nad molekulární rovinou. Rezonance tam tedy nemůže nastat. Opět, pro rezonanci je potřeba navíc elektronický cloud, který lze delokalizovat, ale C a H jsou elektropozitivní a chybí jim elektronický cloud.

Takže v CH4 Lewisova struktura rezonance nemůže nastat. Takže tam nejsou žádné rezonance struktury jsou pozorovány pro CH4 Lewis struktura.

CH4 hybridizace

Hybridizace je teoretický koncept, při kterém se dva nebo více orbitalů s různou energií smísí za vzniku hybridního orbitalu o ekvivalentní energii a vytvoří kovalentní vazbu. CH4 Lewisova struktura je kovalentní molekula, takže také vykazuje hybridizaci a centrální atom C je hybridizován sp3.

Hybridizaci CH4 vypočítáme pomocí následujícího vzorce:

H = 0.5(V+M-C+A), kde H= hybridizační hodnota, V je počet valenčních elektronů v centrálním atomu, M = obklopené monovalentní atomy, C=č. kationtu, A=č. aniontu.

Pro CH4 Lewisova strukturac má 4 valenční elektrony, které se účastní tvorby vazby, a jsou přítomny čtyři atomy H.

Takže, centrální C v CH4 Lewisova struktura je, ½(4+4+0+0) = 4 (sp3) hybridní.

Struktura   Hybridizační hodnota   Stav hybridizace centrálního atomu   Úhel vazby
Lineární  2sp /sd / pd    1800
Planner trigonal 3sp2             1200
Tetrahedrální      4sd3/ sp3      109.50
Trigonální bipyramidový 5sp3d/dsp3         900 (axiální), 1200(rovníkový)
Osmistěn     6sp3d2/d2sp3         900
Pětiúhelníkový bipyramidový7sp3d3/d3sp3              900, 720

                  Z výše uvedené tabulky hybridizace můžeme usoudit, že pokud je hodnota hybridizace 4, pak centrální atomy jsou sp3 hybridizované.

obrázek 61
CH4 Hybridizace

Z krabicového schématu CH4 Lewisova struktura, můžeme říci, že v základním stavu c není schopno vytvořit vazbu, protože v orbitalu 2s jsou spárovány dva elektrony. V excitovaném stavu C vytvořil vazbu se čtyřmi atomy H zahrnující jeho jeden s a tři p orbitaly. Způsob hybridizace je tedy sp3.

Při hybridizaci uvažujeme pouze sigma vazbu, nikoli dvojné nebo násobné vazby.

rozpustnost CH4

Z CH4 Lewisova strukturamůžeme také předpovědět rozpustnost této molekuly. Molekula metanu je nepolární, takže je většinou rozpuštěna v nepolárním rozpouštědle nebo organickém rozpouštědle. Ale díky H vazbě je také rozpustný v polárních rozpouštědlech, jako je voda.

Z výpočtu dipólového momentu vidíme, že molekula je nepolární, takže se očekává, že je rozpustná v benzenu, organickém rozpouštědle podobném ethanolu. Ale v molekulách methanu jsou přítomny čtyři atomy H a mohou snadno vytvořit vazbu H s jediným párem molekuly vody a molekula se také rozpustí ve vodě.

Je CH4 iontový?

Podle Fajanova pravidla lze říci, že každá kovalentní molekula vykazuje nějaké % iontového charakteru.

V CH4 Lewisova struktura, velikost atomu C je malá, ale hustota náboje je také menší, takže iontový potenciál je velmi nízký, takže nemůže správně polarizovat H, ale velikost hydridového iontu je velmi velká. Stejně tak pohled na iontový potenciál má také určitý iontový charakter.

Je CH4 kyselý nebo zásaditý?

Polarita molekuly je závislá na hodnotě výsledného dipólového momentu. Pro CH4 Lewisova struktura, je nepolární kvůli nulovému dipólovému momentu.

V CH4 Lewisovou strukturou, můžeme vidět, že všechny CH vazby jsou stejné a mají stejný rozdíl elektronegativity ve struktuře je symetrický, takže čtyři dipólové momenty se navzájem ruší a výsledným výsledkem je nulový dipólový moment pro molekulu CH4 a činí molekulu nepolární.

Je CH4 čtyřstěnný?

Ano, CH4 je čtyřstěnná molekula. Z VSEPR je celkový počet elektronů pro molekulu metanu 8 a to je důvod, proč je tvar molekuly čtyřstěnný.

Z CH4 Lewisova struktura a hybridizacevidíme, že molekula přijímá tetraedrickou geometrii. Molekula je sp3 hybridizované a to se odráží i v geometrii molekuly tetraedrické.

Několik podrobných faktů o CH4

CH4 je bezbarvá, bez zápachu a velmi lehčí molekula plynu. Každý uhlovodík při spalování produkoval oxid uhličitý, takže při spalování metanu také vznikal oxid uhličitý a vodní pára. Bod tání molekuly metanu je 90 K a bod varu 116 K.

Molekula je syntetizována v přítomnosti katalyzátoru Ni, plynného vodíku a oxidu uhelnatého.

CO+3H2 = CH4 + H2O

Metan se používá jako palivo v různých automobilových systémech a rafinovaný metan se také používá jako raketové palivo. Snadno se účastní mnoha radikálových reakcí a tvoří methylový radikál, který je reaktivnější látkou.

Proč investovat do čističky vzduchu?

Z výše uvedené diskuse o CH4 Lewisova strukturamůžeme říci, že tato molekula je dokonale čtyřstěnná molekula a vazebný úhel je 109.50 a nejsou přítomny žádné odchylkové faktory, protože C a H jsou oba malé. Metan je sice nepolární, ale rozpustný ve vodě a iont methanu se chová jako superkyselina.

Také čtení: