Do nauki rysowania wzorów strukturalnychwzór strukturalnywzorów strukturalnych potrzebna jest wiedza na temat tego, czym one są i w jaki sposób możemy je uzyskać. Znane Ci wzory sumaryczne związków pozwalają na ustalenie składu pierwiastkowego związków (np. ${\text{CO}}_2$, ${\text{H}}_2\text{O}$), ale nie dostarczają informacji na temat wzajemnego połączenia ze sobą atomów lub jonów, dlatego można je otrzymać ze wzorów strukturalnych. Podczas rysowania wzoru strukturalnego tlenkówtlenkitlenków istotne są poniższe informacje:

• znajomość odpowiednich symboli pierwiastków tworzących dany tlenek;

• znajomość charakteru wiązań pomiędzy atomami tlenu i drugiego pierwiastka – tu pomocne może być np. wyznaczanie różnicy elektroujemności między atomami, gdzie większa różnica będzie sugerować większe prawdopodobieństwo występowania wiązania jonowego.

W poniższej tabeli zaprezentowane zostały maksymalne stopnie utlenienia pierwiastków grup głównych w ich związkach z tlenem.

Poniższa tabela przedstawia przykładowe wzory tlenków różnych pierwiastków oraz ich stopnie utlenienia.

Dla niektórych pierwiastków, np. dla żelaza i ołowiu, oprócz tlenków prostych (z jednym stopniem utlenienia dla metalu), występują również tlenki mieszane, w których część atomów znajduje się na innym stopniu utlenienia niż pozostałe atomy tego pierwiastka. Do przykładów takich tlenków należą: ${\text{Fe}}_3{\text{O}}_4$ – tlenek żelaza($\text{II}$) diżelaza($\text{III}$), w którym żelazo występuje na stopniach utlenienia $\text{II}$ i $\text{III}$; ${\text{Pb}}_3{\text{O}}_4$ – tlenek diołowiu($\text{II}$) ołowiu($\text{IV}$) z dwoma stopniami utlenienia: $\text{II}$ i $\text{IV}$ dla ołowiu.

Aby prawidłowo zapisać wzór strukturalny tlenku, należy określić, jaki rodzaj wiązań występuje pomiędzy atomami tlenu i drugiego pierwiastka. Tutaj pomocne mogą okazać się poniższe wskazówki:

• czy drugi pierwiastek jest niemetalem – w tym wypadku mamy zawsze do czynienia ze związkiem kowalencyjnym;

• jeśli drugi pierwiastek jest metalem występującym w tlenkach na jednym stopniu utlenienia, a różnica elektroujemności między danym pierwiastkiem a tlenem jest większa od $\mathrm{1,7}$, to z reguły mamy do czynienia ze związkiem jonowym;

• jeśli drugi pierwiastek jest metalem występującym w tlenkach na jednym stopniu utlenienia, a różnica elektroujemności między danym pierwiastkiem a tlenem jest mniejsza od $\mathrm{1,7}$, to z reguły mamy do czynienia ze związkiem kowalencyjnym – ta i powyższa reguła dotyczą przede wszystkim metali z bloku $s$ i $p$;

• jeśli drugi związek jest metalem mogącym występować w tlenkach na różnych stopniach utlenienia, wtedy dla tlenków metali na niższych stopniach utlenienia będzie to związek jonowy, z kolei wraz ze wzrostem stopnia utlenienia metalu charakter wiązania staje się coraz bardziej kowalencyjny (dla metali na $\text{VI}$, $\text{VII}$ i wyższych stopniach utlenienia ich tlenki są związkami kowalencyjnymi) – ta reguła znajduje zastosowanie przede wszystkim w przypadku metali z bloku $d$.

We wzorach strukturalnych, do narysowania wiązań kowalencyjnych pomiędzy atomami posługujemy się kreskami (które łączą dwa atomy pierwiastków), jedna kreska oznacza jedno wiązanie. Inna zasada tworzenia wzorów strukturalnych obowiązuje dla tlenków o wiązaniach jonowych, które tworzą kryształy jonowe (np.: $\text{MgO}$, $\text{CaO}$, $\text{SrO}$, $\text{BaO}$, $\text{CdO}$, $\text{NiO}$, $\text{FeO}$, $\text{MnO}$, ${\text{HfO}}_2$, ${\text{ZrO}}_2$, ${\text{Al}}_2{\text{O}}_3$, ${\text{Fe}}_2{\text{O}}_3$, ${\text{Cr}}_2{\text{O}}_3$).

Omówmy najpierw wzory tlenków o wiązaniach atomowych i atomowych spolaryzowanych, posługując się poniższym wzorem cząsteczki wody:

R10i0GvG3GXOS

Ilustracja przedstawiająca wzór cząsteczki wody zbudowanej z atomu tlenu połączonego z dwoma atomami wodoru pod kątem stu czterech stopni. Atomy wodoru, czyli ich symbole $\text{H}$, łączą się za pomocą wiązań pojedynczych symbolizowanych przez pojedyncze kreski z atomem tlenu, którego symbol to $\text{O}$.

stopień utlenienia wodoru wynosi $\text{I}$, na potwierdzenie czego zauważamy, że każdy atom wodoru tworzy po jednym wiązaniu, i tak:

R1D5GLWQEsJUb

Ilustracja przedstawiająca wzór cząsteczki wody zbudowanej z atomu tlenu połączonego z dwoma atomami wodoru pod kątem stu czterech stopni. Atomy wodoru, czyli ich symbole $\text{H}$, łączą się za pomocą wiązań pojedynczych symbolizowanych przez pojedyncze kreski z atomem tlenu, którego symbol to $\text{O}$. Każdy z dwóch atomów wodoru jest jednowiązalny, łączy się wiązaniem pojedynczym z atomem tlenu.

Analizując ten sam przykład pod względem atomu tlenu:

R6DxLxwwSkubQ

Ilustracja przedstawiająca wzór cząsteczki wody zbudowanej z atomu tlenu połączonego z dwoma atomami wodoru pod kątem stu czterech stopni. Atomy wodoru, czyli ich symbole $\text{H}$, łączą się za pomocą wiązań pojedynczych symbolizowanych przez pojedyncze kreski z atomem tlenu, którego symbol to $\text{O}$. Atom tlenu znajduje się na minus drugim stopniu utlenienia, dlatego tworzy dwa wiązania, w tym przypadku są to wiązania pojedyncze.

stopień utlenienia tlenu wynosi $-\text{II}$, zauważamy, że obecny w tej cząsteczce jeden atom tlenu tworzy dwa wiązania. Dla wodoru i metali $1.$ grupy stopień utlenienia w tlenkach zawsze wynosi $\text{I}$. Jednak istnieją pierwiastki, które mogą wykazywać różne stopnie utlenienia.

Wzory tlenków o wiązaniach jonowych rysujemy, wykorzystując do tego celu wzory Lewisa, w których wprowadzamy symbol pierwiastka i kropki, reprezentujące elektrony walencyjne tego atomu pierwiastka. Przykładowo:

RD8wB7pMMocTv

Ilustracja przedstawiająca po lewej stronie atom tlenu $\text{O}$, wokół którego zaznaczono elektrony, dwie pary elektronów reprezentowane przez dwie pary kropek oraz po jednym elektronie niesparowanym, w sumie sześć elektronów. Po prawej stronie znajduje się atom glinu $\text{Al}$, wokół symbolu pierwiastka zaznaczono trzy elektrony, spośród których dwa są sparowane i jeden niesparowany.

Para kropek symbolizuje dwa sparowane elektrony, natomiast pojedyncza – elektron niesparowany na orbitalu. Aby narysować wzór związku jonowego, należy przenieść elektrony będące przy symbolu atomu metalu do atomu niemetalu, uzupełniając w ten sposób jego powłokę walencyjną. Na koniec należy dopisać ładunki jonów równe liczbie przeniesionych elektronów przy symbolach atomów pierwiastków.

Przykład 1

Narysuj wzór strukturalny tlenku siarki($\text{VI}$).

Dla pierwiastków z parzystym stopniem utlenienia należy narysować wszystkie kreski od jednego atomu pierwiastka, grupując je parami:

R1Z41wwZCBYUq

Ilustracja przedstawiająca atom siarki $\text{S}$, od którego poprowadzono trzy pary kresek, w sumie sześć kresek, pomiędzy poszczególnymi parami znajduje się kąt sto dwadzieścia stopni.

a następnie umieścić przy nich atomy tlenu, i tak:

RBm8nKJu2kakI

Ilustracja przedstawiająca tlenek siarki(<math aria‑label="sześć">VI) zbudowany z atomu siarki $\text{S}$, od którego poprowadzono trzy pary kresek, w sumie sześć kresek, pomiędzy poszczególnymi parami znajduje się kąt sto dwadzieścia stopni. Każda z par kresek łączy się z jednym atomem tlenu, to znaczy pomiędzy atomem siarki i atomami tlenu występują wiązania podwójne.

Przykład 2

Narysuj wzór strukturalny tlenku chloru($\text{VII}$).

Dla pierwiastków o nieparzystym stopniu utlenienia należy odpowiednią liczbę wiązań narysować od dwóch atomów tego pierwiastka, grupując część parami, a dwa pojedyncze wiązania skierować w jedno miejsce:

RXfEMNgzO5zsF

Ilustracja przedstawiająca dwa atomy chloru $\text{Cl}$. Od każdego poprowadzono w sumie po siedem kresek, w tym trzy pary i jedną pojedynczą kreskę. Symbole $\text{Cl}$ znajdują się pod sobą i pojedyncze kreski skierowane są w swoim kierunku.

po czym umieścić przy nich atomy tlenu, a mianowicie:

RS1dCiGivKKmz

Ilustracja przedstawiająca wzór tlenku chloru(<math aria‑label="siedem">VII) zbudowanego z atomu tlenu $\text{O}$ związanego za pomocą wiązań pojedynczych z dwoma atomami chloru $\text{Cl}$, z których każdy łączy się za pomocą wiązań podwójnych z trzema atomami tlenu. Wzór sumaryczny związku ${\text{Cl}}_2{\text{O}}_7$.

W przedstawionej poniżej tabeli skompletowano przykłady wzorów strukturalnych tlenków o różnych stopniach utlenienia pierwiastków względem tlenu. Aby w prosty sposób narysować wzór strukturalny tlenku dla innego pierwiastka, wystarczy w odpowiednim wzorze zastąpić symbol pierwiastka.

Przykłady wzorów strukturalnych tlenków o różnych stopniach utlenienia pierwiastków względem tlenu

Wzór strukturalny	Stopień utlenienia	Rodzaj związku
R1ELqd2WHadhx Ilustracja przedstawiająca wzór cząsteczki wody zbudowanej z atomu tlenu połączonego z dwoma atomami wodoru pod kątem stu czterech stopni. Atomy wodoru, czyli ich symbole $\text{H}$ łączą się za pomocą wiązań pojedynczych symbolizowanych przez pojedyncze kreski z atomem tlenu, którego symbol to $\text{O}$.	$\text{I}$	kowalencyjny
RBP1SuP6GVJPM Ilustracja przedstawiająca wzór tlenku sodu o budowie jonowej, który to utworzony jest przez dwa kationy sodowe ${\mathrm{Na}}^{+}$ otaczające anion tlenkowy przedstawiony jako symbol tlenu $\text{O}$, wokół którego znajdują się cztery pary elektronowe i który znajduje się w nawiasie kwadratowym. Względem nawiasu w indeksie górnym oznaczono ładunek anionu dwa minus.	$\text{I}$	jonowy
Rc3587obgbkv3 Ilustracja przedstawiająca wzór tlenku węgla(<math aria‑label="dwa">II), który to zbudowany jest z atomu węgla $\text{C}$ połączonego za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu $\text{O}$.	$\text{II}$	kowalencyjny
RqsUnHSrMrAKy Ilustracja przedstawiająca wzór tlenku magnezu o budowie jonowej, który to utworzony jest przez kation magnezu ${\text{Mg}}^{2+}$ oraz anion tlenkowy przedstawiony jako symbol tlenu $\text{O}$, wokół którego znajdują się cztery pary elektronowe i który znajduje się w nawiasie kwadratowym. Względem nawiasu w indeksie górnym oznaczono ładunek anionu dwa minus.	$\text{II}$	jonowy
R1cg0zUNjpIHa Ilustracja przedstawiająca wzór tlenku boru zbudowany z atomu tlenu połączonego wiązaniami pojedynczymi z dwoma atomami boru, z których każdy łączy się za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu.	$\text{III}$	kowalencyjny
R1BfdG22roRQw Ilustracja przedstawiająca wzór tlenku glinu o budowie jonowej, który to składa się z atomu tlenu otoczonego czterema parami elektronowymi, symbolizowanymi przez osiem kropek, znajduje się on w nawiasie kwadratowym, względem którego w indeksie górnym znajduje się wartość ładunku, to znaczy dwa minus. Obok znajduje się kation glinu ${\text{Al}}^{3+}$. Dalej następny atom tlenu otoczony czterema parami elektronowymi, symbolizowanymi przez osiem kropek, znajdujący się w nawiasie kwadratowym, względem którego w indeksie górnym znajduje się wartość ładunku, to znaczy dwa minus. Obok znajduje się kation glinu ${\text{Al}}^{3+}$. Za nim ostatni atom tlenu otoczony czterema parami elektronowymi, symbolizowanymi przez osiem kropek, znajdujący się w nawiasie kwadratowym, względem którego w indeksie górnym znajduje się wartość ładunku, to znaczy dwa minus	$\text{III}$	jonowy
RhTfX0lQ4ewJf Ilustracja przedstawiająca wzór tlenku węgla(<math aria‑label="cztery">IV) o budowie liniowej, który składa się z atomu węgla połączonego za pomocą wiązań podwójnych z dwoma atomami tlenu. Kąt pomiędzy atomami tlen węgiel tlen wynosi 180 stopni.	$\text{IV}$	kowalencyjny
R1Cj9MA5tAcmP Ilustracja przedstawiająca wzór tlenku cyrkonu(<math aria‑label="cztery">IV) o budowie jonowej, który to tworzy kation cyrkonu ${\text{Zr}}^{4+}$ otoczony przez dwa aniony tlenkowe, każdy przedstawiony jako symbol tlenu O otoczony ośmioma elektronami, to jest czterema parami elektronowymi oraz znajdujący się w nawiasie kwadratowym, względem którego w indeksie górnym znajduje się wartość ładunku dwa minus.	$\text{IV}$	jonowy
RSZqqzrHkdmiC Ilustracja przedstawiająca tlenek azotu(<math aria‑label="pięć">V) zbudowany z atomu tlenu $\text{O}$ połączonego za pomocą wiązań pojedynczych z dwoma atomami azotu $\text{N}$, z których każdy związany jest za pomocą wiązań podwójnych z dwoma atomami tlenu.	$\text{V}$	kowalencyjny
R16xHFRmXD0Vs Ilustracja przedstawiająca wzór cząsteczki tlenku wanadu(<math aria‑label="pięć">V) o strukturze jonowej. Kation wanadu ${\text{V}}^{5+}$ Otoczony jest przez trzy aniony tlenkowe pierwszy u góry, drugi po lewej stronie kationu i trzeci poniżej. Aniony przedstawiono jako symbol tlenu $\text{O}$ otoczony czterema parami elektronowymi znajdujący się w nawiasie kwadratowym, względem którego w indeksie górnym znajduje się ładunek ujemny anionu dwa minus. Pod anionem znajdującym się u dołu względem wspomnianego kationu znajduje się drugi kation wanadu, który otoczony jest przez dwa dodatkowe aniony tlenkowe z lewej strony i poniżej.	$\text{V}$	jonowy
R2jj4yN6QByrB Ilustracja przedstawiająca tlenek siarki(<math aria‑label="sześć">VI) zbudowany z atomu siarki $\text{S}$ od którego poprowadzono trzy pary kresek, w sumie sześć kresek, pomiędzy poszczególnymi parami znajduje się kąt sto dwadzieścia stopni. Każda z par kresek łączy się z jednym atomem tlenu, to znaczy pomiędzy atomem siarki i atomami tlenu występują wiązania podwójne.	$\text{VI}$	kowalencyjny
R1OhWs9ucHKEP Ilustracja przedstawiająca wzór tlenku chromu(<math aria‑label="sześć">VI). Kation chromu ${\text{Cr}}^{6+}$ otoczony jest trzema anionami tlenkowymi, z których każdy przedstawiony jest jako atom tlenku $\text{O}$ otoczony ośmioma elektronami, to jest czterema parami elektronowymi i znajduje się w nawiasie kwadratowym, względem którego w indeksie górnym zapisano wartość ładunku dwa minus.	$\text{VI}$	jonowy
R1PXToQIZlPpg Ilustracja przedstawiająca wzór tlenku chloru(<math aria‑label="siedem">VII) zbudowanego z atomu tlenu $\text{O}$ związanego za pomocą wiązań pojedynczych z dwoma atomami chloru $\text{Cl}$, z których każdy łączy się za pomocą wiązań podwójnych z trzema atomami tlenu. Wzór sumaryczny związku ${\text{Cl}}_2{\text{O}}_7$.	$\text{VII}$	kowalencyjny
RszFd4GMzH0Br Ilustracja przedstawiająca wzór tetratlenku ksenonu o budowie tetraedrycznej. Od symbolu $\text{Xe}$ odchodzą cztery pary kresek, to jest cztery wiązania podwójne łączące go z czterema atomami tlenu $\text{O}$.	$\text{VIII}$	kowalencyjny

Słownik

Bibliografia

Lipiec T., Szmal Z. S., Chemia analityczna z elementami analizy instrumentalnej, s. 376–378, Warszawa 1976, wyd. 4.

Minczewski J., Marczenko Z., Chemia analityczna. T.2. Chemiczne metody analizy ilościowej, Warszawa 2011, wyd. 10.

Lamsal C., Electronic, thermoelectric and optical properties of vanadium oxides: VOIndeks dolny 2₂, VIndeks dolny 2₂OIndeks dolny 3₃ and VIndeks dolny 2₂OIndeks dolny 5₅, Digital Commons of New Jersey Institute of Technology.