Stikstofdioxide

[remidepemie]

Hoi,
 
Momenteel ben ik over lewisstructuren aan het leren en ik ben nu een beetje in de war. Ik kan de lewisstructuur van NO₂ maken, deze zal er zo uit zien en dit zou resulteren in deze structuurformule:

Wat ik mij nou afvraag is: wat gebeurd er met dat ene valentie elektron boven de stikstof?
Ook, zuurstof kan twee covalente bindingen maken daarom komt er in de structuurformule een minnetje boven de O met de enkele binding, toch?
 
Stikstofdioxide lijkt op deze manier niet echt stabiel... Aangezien NO₂ een gewoon gas is, kan het molecuul geen lading hebben toch? 

[Benm]

Het is een symmetrisch molecule met, om het maar even grof zo te noemen, twee 'anderhalve' bindingen erin. Je hebt wel een lone pair, maar dat zit op de stikstof, niet op een van de zuurstoffen. Daardoor is het niet linear maar gebogen, wellicht een beetje vergelijkbaar met hoe een watermolecuul eruit ziet. 
 
En erg stabiel is het ook niet, het reageert met water tot salpeter(ig) zuur, en de meeste chemici maken zich uit de voeten (cq sluiten zuurkasten als het vrijkomt). 
 
Wellicht verwar je het met lachgas, N2O, dat tamelijk onschuldig is en een lineare molecuulstructuur heeft. 

[remidepemie]

Het is een symmetrisch molecule met, om het maar even grof zo te noemen, twee 'anderhalve' bindingen erin. Je hebt wel een lone pair, maar dat zit op de stikstof, niet op een van de zuurstoffen. Daardoor is het niet linear maar gebogen, wellicht een beetje vergelijkbaar met hoe een watermolecuul eruit ziet. 
 
En erg stabiel is het ook niet, het reageert met water tot salpeter(ig) zuur, en de meeste chemici maken zich uit de voeten (cq sluiten zuurkasten als het vrijkomt). 
 
Wellicht verwar je het met lachgas, N2O, dat tamelijk onschuldig is en een lineare molecuulstructuur heeft. 

 
Wat bedoel je precies met anderhalve bindingen? ik vraag me zo, omdat het stikstofatoom maar 7 valentie elektronen heeft, heeft het dan een lichtelijk positieve lading t.o.v. van de twee zuurstofatomen die beide 8 elektronen hebben?
 
Ik heb mij inderdaad vergist met N₂O! Komt het door die lone pair dat NO₂ zo instabiel is?

[Marko]

Hoi,
 
Momenteel ben ik over lewisstructuren aan het leren en ik ben nu een beetje in de war. Ik kan de lewisstructuur van NO₂ maken, deze zal er zo uit zien en dit zou resulteren in deze structuurformule:

Wat ik mij nou afvraag is: wat gebeurd er met dat ene valentie elektron boven de stikstof?
Ook, zuurstof kan twee covalente bindingen maken daarom komt er in de structuurformule een minnetje boven de O met de enkele binding, toch?
 
Stikstofdioxide lijkt op deze manier niet echt stabiel... Aangezien NO₂ een gewoon gas is, kan het molecuul geen lading hebben toch? 

 
Met dat valentie-elektron gebeurt niets. In NO₂ heeft het molecuul een ongepaard elektron, een radicaal. 
Inderdaad kriijgt het O-atoom met de enkele binding een minlading. Niet per se omdat het een enkele binding heeft, maar als je gaat tellen, dan zie je dat het O-atoom 3 vrije elektronenparen heeft en 1 binding. De elektronen in die vrije elektronenparen heeft het O-atoom voor zichzelf, dat zijn dus in totaal 6 elektronen. De elektronen in de binding zijn gedeeld tussen N en O, dus het O-atoom heeft daar effectief 1 elektron van de 2. Totaal dus 7 elektronen, maar O heeft normaal 6 valentie-elektronen. Op deze manier dus 1 teveel, en daar komt de negatieve (formele) lading vandaan.
 
Op dezelfde manier kun je de formele lading van het andere O-atoom berekenen (nul), en van het N-atoom: 3 bindingen + 1 los elektron voor zichzelf. Totaal 4, één minder dan de 5 valentie-elektronen van N. Dus N heeft een formele lading van 1+.
 
De complete structuur ziet er dus zo uit:
 

NO2 8541 keer bekeken

 
Het molecuul heeft dus een formele lading van 1+ en van 1-, in totaal dus 0. In totaal is het molecuul dus ongeladen.
 
Maar dat is nog niet het hele verhaal. Je had net zo goed een structuur kunnen tekenen waar de dubbele binding links zit en de enkele binding rechts. Die 2 vormen zijn gelijkwaardig aan elkaar. In werkelijkheid zit er in NO₂ dus niet 1 dubbele en 1 enkele binding, maar 2 keer een "anderhalve" binding tussen N en de O's. Dit fenomeen heet resonantie en draagt bij aan de stabiliteit.  Dit wordt weergegeven met een dubbele pijl.
 

NO2 resonantie 8541 keer bekeken

 
En dat is nog niet het hele verhaal, want dat ongepaarde elektron hoeft helemaal niet op N te zitten. Sterker nog, dat is helemaal niet zo "handig". Stel dat het N-atoom een elektron "leent" van het O-atoom met de minlading. Dan zijn ze ineens allebei neutraal: 
 

NO2 resonantie 2 8542 keer bekeken

 
Het probleem van het ongepaarde elektron wordt verdeeld over het molecuul. Door deze stabilisatie kan het NO₂-molecuul bestaan.  Het is niet heel stabiel en door het ongepaarde elektron behoorlijk reactief. Maar het kan bestaan, je kunt het meten, enzovoort.
 
Als er overigens genoeg andere NO₂ moleculen in de buurt zijn zullen die overigens met elkaar reageren tot N₂O₄. Dan zijn ze ook van het probleem van het ongepaarde elektron af. 

[remidepemie]

Haha altijd leuk als dingen die je niet begrijpt plots op zijn plek vallen, heel erg bedankt!
 
Het maakt voor het molecuul niet uit of het ongepaarde elektron op de N of de O zit? En als ik denk aan resonantie komt als eerst dynamiek op in mijn hoofd maar voor de duidelijkheid, veranderen de enkele en dubbele van plaats tijdens de levensduur van het molecuul of als het molecuul is gemaakt, veranderen deze bindingen dan meer?

[Benm]

Dan ga je al richting quantummechanica: er is een waarschijnlijkheidsfunctie voor waar je de electronen in dit molecuul kunt vinden, die beschrijft een soort 'wolk' van 'electrondichtheid'. 
 
De resonantie-structuren geven daar inzicht in, als je ze over elkaar heen legt en een gemiddelde maakt heb je een soort ruw beeld van hoe die waarschijnlijkheid zich verdeeld. 
 
Voor het inzicht zijn denk ik verschillende methoden: ik vind het concept van 'anderhalve bindingen' wel aantrekkelijk, maar het is niet echt de fysieke waarheid. 

[remidepemie]

[quote][/quote]
Ha, interessant. Wel veel te ingewikkeld en daar blijf ik dus nog maar even van af  .
 
Wel moet ik zeggen dat de naam 'anderhalve bindingen' een beetje verwarrend zou kunnen, alsof er letterlijk een halve binding kan ontstaan tussen atomen, en dat is natuurlijk niet zo. Maar ik snap het principe erachter, de plaats van de dubbele binding staat niet vast en had net zo goed een enkele binding kunnen zijn, 

[Benm]

Dat laatste is inderdad van belang: rond deze bindingen kan gewoon gedraaid worden. In dit molecuul maakt dat niets uit, maar bij complexere wel: je krijgt geen CIS/TRANS vormen die 'vast' zitten zoals bij een normale dubbele binding. 

[Marko]

 
Haha altijd leuk als dingen die je niet begrijpt plots op zijn plek vallen, heel erg bedankt!
 
Het maakt voor het molecuul niet uit of het ongepaarde elektron op de N of de O zit? En als ik denk aan resonantie komt als eerst dynamiek op in mijn hoofd maar voor de duidelijkheid, veranderen de enkele en dubbele van plaats tijdens de levensduur van het molecuul of als het molecuul is gemaakt, veranderen deze bindingen dan meer?

 
Bij resonantie tekenen we verschillende vormen, maar in werkelijkheid is er maar 1 structuur. Wat dat betreft is resonantie eigenlijk een heel verkeerde term, want het suggereert inderdaad meebewegen met iets, maar daar is geen sprake van. Er is maar 1 structuur, en die structuur houdt het midden tussen de vormen die we kunnen tekenen. Het tekenen van de verschillende vormen is een manier om aan te geven dat de echte structuur een beetje op allemaal lijkt. In een studieboek dat ik ooit gebruikte werd de vergelijking gemaakt met een neushoorn, een draak en een eenhoorn. Een neushoorn bestaat echt, maar je zou een neushoorn ook kunnen beschrijven als het gemiddelde van een draak en een eenhoorn, twee niet bestaande dingen die allebei elementen bevatten van het echte ding. En zoals een neushoorn niet af en toe draak en af en toe eenhoorn is, is bij resonantei een molecuul ook niet af en toe de ene vorm, en af en toe de andere.
 
Hoe dat precies werkt is inderdaad een kwestie van kwantummechanica, maar dat gaat veel te ver, en is ook niet nodig om er toch mee te kunnen werken. Hoe dan ook, zonder de kwantummechanica in te gaan is het goed om in het achterhoofd te nemen dat elektronen geen naamplaatje hebben. Ze horen niet bij atoom X of Y. Een molecuul wordt ook niet gemaakt zoals je wellicht wel de lewisstructuur zou afleiden: door eerst alle valentie-elektronen te tekenen en die dan in paren bij elkaar te stoppen. Het kan dus prima zijn dat er in een molecuul een elektronenpaar is dat gedeeld is door meer dan 2 atomen. En dat is in feite wat je bij die anderhalve binding hebt. Die halve binding van de anderhalf betekent dat het elektronenpaar wordt gedeeld tussen N en beide O-atomen (in gelijke mate). 
 
Wat mij betreft bestaat een anderhalve binding dus wel degelijk. Als je in detail naar de structuur kijkt, dan lijkt de binding ook op wel meer manieren op een anderhalve binding: Zo ligt de lengte (120 pm) tussen die van een enkele N-O binding (124 pm) en een dubbele N=O binding (110 pm) in.

[remidepemie]

Oke.  ~C-C=C-C=C-C=C-C=C~, bestaat deze koolstofketen in zijn geheel 'eigenlijk' uit allemaal anderhalve bindingen? Want als ik het goed begrijp hoort een elektron dus niet perse bij een atoom, maar worden deze onderling met elkaar gedeeld(binnen het molecuul).

 

[Benm]

In dat geval niet, je hebt daar echt onderscheidbare C=C en C-C bindingen. 
 
Dit levert ook verschillende eigenschappen op bij dat polymeer, het is een ander materiaal wanneer alle C=C binding cis of trans zijn, of wanneer ze willekeurig verdeeld zijn over de hele keten. 
 
Wat je geschetst hebt is een deel van een polyacetyleenketen, een plastic dat om diverse redenen niet praktisch bruikbaar is. Als het in wat kleinere moleculen voorkomt als 'geconjugeerd systeem' heeft het zeker interessante eigenschappen, bijvoorbeeld waarom wortels oranje zijn en flamingo's roze... al zit er dan wel hier en daar een methylgroep aan ipv een waterstof. 
 
Als je iedere keer een methylgroep hebt ipv een waterstof heb je polypropyleen, een zeer veel gebruikt plastic, en daarbij maakt het een en enorm verschil of die bindingen cis, trans, of random verdeeld zijn. 

[Marko]

Belangrijk om aan te geven is dat dit bij polyacetyleen een uitzondering is, er is een extra effect dat optreedt in dit soort polymeren. Puur afgaande op de structuur zou je wel kunnen verwachten dat daar resonantie optreedt 
 
Dat het net wat ingewikkelder ligt is iets dat bij de meeste studies pas een heel eind ná jaar 1 wordt behandeld. Ik zou me daar niet druk om maken en eerst vooral goed leren begrijpen wat resonantie inhoudt en wat de gevolgen zijn.

[remidepemie]

Geweldig, heel erg bedankt allebei!

[Christiaens]

Hallo, ik zit met hetzelfde probleem.
In het nieuws heeft men het over stikstofdioxyde. Maar wanneer je inderdaad de Lewis structuur uitschrijft, blijft er een ongepaard elektron van N over.
Raar.
Erik.

[NW_]

Dat klopt, stikstofdioxide, maar ook andere stikstofoxiden bezitten een vrij elektronenpaar en zijn daarom te beschouwen als radicalen