A semleges töltésű nitrogén-dioxidban miért pozitív a nitrogén töltése és miért negatív az oxigéné?

Azt tartsuk először is szem előtt, hogy minden elem, amikor kötést alakít ki, annyi db vegyértékelektronnal indul, ahányadik főcsoportban van.

A nitrogén-dioxidban a N az 5. főcsoport eleme, ezért 5 vegyérték elektronja van. Az oxigénnek 6, ebből kettő párosítatlan, ezért az oxigént úgy tudod kötésbe hozni a nitrogénnel, ha kettőskötéseket rajzolsz az atomok közé. Tehát lesz 2db O=N kötésed, az 4 elektron, de a nitrogénnek még van egy ötödik, az marad párosítatlanul, joggal gondolhatná az ember, hogy a nitrogén-dioxid szerkezeze (csillaggal jelölve a párosítatlan elektront): O=N*=O

Természetesen itt az oxigéneknek még van 2-2 nemkötő párja is. Na most ha megfogsz egy kovalens kötést (valamelyik C=N kötésből az egyik elektronpárt), és "ráfordítod" az egész elektronpárt az oxigénre, akkor így már nem közös kovalens kötés ez, hanem ez is nemkötő elektronpárrá válik, kiül az oxigén atomra. Mivel e művelet során a nitrogéntől elvettél egy elektront, hiszen a kovalens kötést alkotó egyik elektron az övé volt, ami mostmár az oxigénen csücsül, ezért a N elektronhiányos lett, az alapállapothoz képesti 5 helyett már csak 4 elektron tartozik szigorúan hozzá, ezért pozitív töltésű lett. Az oxigén pedig kvázi kapott egy elektront, mert ráfordítottál egy kovalens kötést, aminek eredetileg csak a fele volt az övé, de így már az egész elektronpár az oxigénhez tartozik, így ő negatív töltésű lett. Megpróbálom valahogy szemléltetni itt a gyakorikérdések válaszíró felületén a dolgot, mondjuk jelöljük p betűvel az elektronpárokat, egyenlőségjellel a kettőskötést, és kötőjellel az egyszeres kötést, csillaggal a párosítatlan elektront.

Eredeti vegyület:

ppO=N*=Opp

Az egyik kovalens kötést vegyük ki és adjuk oda teljesen az oxigénnek:

ppO=N*-Oppp

Az ilyen elektronpár-eltolódás, és ezáltal ikerionos szerkezetek kialakulása egyáltalán nem ritka jelenség a kémiában, majd ha tanulsz egyetemen szerves kémiát, akkor fogsz hallani a diazovegyületekről és az azidokról, azok is semleges vegyület létükre ionos atomokat tartalmaznak, de nyugodtan rákereshetsz ezekre, sőt nagyon jó példa a szervetlen kémiában a dinitrogén-oxid (N2O) is. Ez egy stablilizáló hatás, ami akkor fordul elő, ha a nyolcelektronos szerkezetet (oktett szabályt) sehogy nem tudod kihozni az elektronszerkezetből. Itt is, a nitrogén az O=N*=O szerkezetben 9 elektronos, az O=N*-O szerkezetben pedig 7 elektronos, ez a két szerkezet váltogatja egymást azáltal, hogy ide-oda ugrál az az elektronpár, amit mi kiraktunk az oxigénre (magyarul ez vissza is ugorhat középre, és akkor visszaáll az O=N*=O szerkezet). Mivel a vegyület az életének felét 7 elektronos alakban, másik felét 9 elektronos alakban tölti, ezért a két szerkezet átlaga kvázi kiadja a legkedvezőbb, 8 elektronos elrendeződést. A jelenség hivatalos neve a rezonancia határszerkezeti formák, vagy másnéven mezomer szerkezetek, de ezt majd egyetemen szerves kémiából kell csak tudnod. Most egyelőre annyit jegyezz meg, hogy ha kiveszel egy elektronpárt középről és az oxigénnek adod, akkor ezzel a nitrogéntől elloptál egy elektront (+ töltés), az oxigénnek meg odaadtad (- töltés).

A nitrogén-monoxidban nincs szükség határszerkezetekre, mert még rosszabbul jön ki az elektronrendszer, mint anélkül. Ott is egy 5 elektronos N atomból, és egy 6 elektronos O atomból indulsz ki. Az oxigénnek 2 párosítatlan elektronja van, tehát kettőskötést alkot a nitrogénnel, akinek meg marad 3, tehát az egy nemkötő elektronpár+1 párosítatlan. Az előző jelöléseket használva: pN*=Opp

Hát ez se éppen egy 8 elektronos N atom. Hát még ha megfognám az egyik kovalens kötést és kipakolnám az oxigénre, úgy már csak 6 elektronja lenne a nitrogénnek, nem igazán kedvező helyzet. Ezért hiába ott a párosítatlan elektron, de nincs kötésvándorlás, ezért ikerionos szerkezet se alakul ki. Nem azon múlik a töltés, hogy van-e párosítatlan elektron, hanem hogy történik-e kötéseltolódás a rezonancia miatt.

Az a gond hogy kevered a kötéspolaritást az ion teljes töltésével. Induljunk ki a vízből. A két hidrogén valóban kisebb elektronegativitású, mint az oxigén, tehát a kettejük közti kovalens kötés elektroneloszlása olyan, hogy az oxigén környezetében nagyobb az elektronfelhő. De ez még nem teszi ionossá a kötést, minden O-H kötés kovalens (a hidroxid ionban és az oxónium ionban is!), viszont az elektronegativitások különbsége miatt ez egy poláris kovalens kötés, ezért mondjuk hogy a víz dipólus molekula: az oxigén környezete negatívabb, elektrondúsabb, mint a hidrogéneké. Ha a vízről leszedsz egy protont, ami ugye egy H+ ion, azt hogy tudjuk megtenni? Hát kell venni egy O-H kötést, és a köztük lévő kovalens kötést elvenni onnan és odaadni teljesen az egész elektronpárt az oxigénnek. Ha ezt megtesszük, a hidrogéntől elloptam egy elektront, vagyis ő + lesz, az oxigénnek meg adtam egyet, ő - lesz. És mivel ez az egy kötés volt jelen az O és H között, de ezt a kötést odaadtam az oxigénnek, ezért többé nem lesz köztük kötés, szétszakadnak OH(-) és H(+) részecskékre. Na most, attól hogy egy részecske ionos, még nem jelenti azt, hogy ionos kötésekből kell állnia csak és kizárólag. Ha mondjuk párba állítod egy nátrium ionnal, akkor oké, a Na+ és OH- ionok között ionos lesz a kapcsoat, de ha csak simán az OH- iont nézed, a benne megmaradó O-H kötés ugyanúgy kovalens, mint a vízben, hiszen azzal nem csináltam semmit mikor a vízből kialakítottam az OH- iont. A lényeg: az ionok szerkezetén belül tartalmazhatnak kovalens kötést, más kérdés, hogy ionos kötés segítségével alakít ki vegyületeket (sókat).

Ugyanez az oxónium ionra is levezethető: ha a víz felvesz egy protont, hogy alakulhat ki kötés a H2O és a H+ között? Hát max úgy, ha az oxigén az egyik nemkötő elektronpárját beáldozza és berakja középre. Vagyis most kvázi az oxigén bukott egy elektront, mert a teljesen hozzá tartozó elektronpárt bedobta a közösbe, így kovalens kötés lett belőle, aminek már csak a fele (egy elektron) tartozik szigorúan hozzá, ezért az oxónium ion pozitív töltésű. De ettől még ne keverjük a H3O+ ionban lévő O-H kötéseket ide, azok ettől még nem ionos kötések. Az oxigén itt azért pozitív, mert 3 kovalens kötése van, és egy nemkötő elektronpárja maradt, ami össz 5 elektron, márpedig ő 6. főcsoport, vagyis alapállapotban 6 elektronja van, vagyis az ötelektronos oxigénnek pozitív töltést kell hordoznia.

Viszont van egy sokkal egyszerűbb szemlélet ugyanerre a dologra. Ha a víz, ami egy semleges molekula, protont vesz fel, ami meg töltéssel rendelkezik, akkor világos, hogy a keletkező részecskének is pozitívnak kell lennie. Egyszerű töltésmegmaradás törvénye: semleges plusz pozitív az pozitív. Szimpla matek: 0+(+1)=+1. Ha meg a semleges, nullás töltésű víztől elveszel egy pozitívat (protont), akkor 0-(+1) logikával a keletkező töltés -1 kell legyen (hidroxid ion).

Polaritása lehet kötéseknek és a molekulának is. De kötéspolaritásról csak kovalens kötések esetében van értelme beszélni. Az ionos kötés esetében az elektronok nem a két atom között helyezkednek el, hanem teljes elektronvándorlás van, így az atomok valódi töltéssel fognak rendelkezni. És igen, atomoknak is lehet valódi töltése, de többatomos részecskéknek, molekuláknak is. Gondolj a kloridionra: egy atomos, de a szulfát már molekulaszerű ion (összetett ion). Két ion között vonzás jön létre, ami egybentartja a rácsukat, ezt nevezzük ionos kötésnek, de nincs arról szó, hogy két atom közötti térben lenne elektron. Kovalens kötésnél viszont igen, ott az elektronok közösek, habár az egyes elektronok külön-külön mindig valamelyik atomtól származnak, de nem teljesen átvándorol egyik atomról a másikra, hanem közösen osztoznak rajta. Ilyenkor, és csakis ilyenkor beszélhetünk kötéspolaritásról, és innentől kezdve csak a két atom elektronegativitása számít. Mivel a MgO ionos vegyület, ionos kötésekkel, ezért itt ne beszéljünk kötéspolaritásról. Oxónium ionnál az oxigén egy datív kötéssel megköt egy protont, ami így kovalenssé válik. Maga az ion pozitív lesz, mert semleges molekula kötött meg pozitív részecskét, töltésmegmaradás törvény értelmében 0+1 az +1. De a kötések kovalensek, ezért polaritásról is beszélhetünk, és igen, az oxigén nagy elektronegativitása miatt az elektronsűrűség az oxigén körül nagyobb.

Ammiatt, hogy elektroneltolódási jelenségek miért alakulnak ki, most ne aggódj, bonyolult jelenség, emelt érettségin sem téma. De röviden, akkor alakul ki ilyesmi, ha nem teljesül a 8 elektronos szabály, és azért történik, hogy a molekula minél közelebb kerüljön az energiaminimumhoz, vagyis minél stabilabb legyen. Ez egy stabilizáló hatás, de ennél többet nem kell most tudnod.