LEWIS-RAKENNE: MIKÄ SE ON, MITEN SE TEHDÄÄN, ESIMERKKEJÄ - KEMIA - 2026

Lewis rakenne on kaikki, että esitys kovalenttisten sidosten molekyylin sisällä tai ionin. Siinä näitä sidoksia ja elektroneja edustavat pisteet tai pitkät viivat, vaikkakin suurimman osan ajasta pisteet vastaavat jakamattomia elektroneja ja viivat kovalenttisia sidoksia.

Mutta mikä on kovalenttinen sidos? Se on elektroniparin (tai pisteiden) jakaminen jaksollisen taulukon kahden atomin välillä. Näiden kaavioiden avulla tietylle yhdisteelle voidaan piirtää monia luurankoja. Kumpi on oikea riippuu muodollisista varauksista ja atomien kemiallisesta luonteesta.

2-bromipropaaniyhdiste. Kirjoittanut Ben Mills, Wikimedia Commonsista.

Yllä olevassa kuvassa on esimerkki siitä, mitä Lewis-rakenne on. Tässä tapauksessa edustettu yhdiste on 2-bromipropaani. Voit nähdä mustia pisteitä, jotka vastaavat elektroneja, sekä niitä, jotka osallistuvat sidoksissa että niitä, joita ei ole jaettu (ainoa pari hieman Br: n yläpuolella).

Jos pisteparit ":" korvataan pitkällä viivalla "-", niin 2-bromipropaanin hiilirunko esitetään: C - C - C. Miksi se ei voisi olla C - H - H - C piirretyn "molekyylin viitekehyksen" sijasta? Vastaus on kunkin atomin elektronisissa ominaisuuksissa.

Siksi, koska vedyllä on yksi elektroni ja yksi kiertorata täytettävissä, se muodostaa vain yhden kovalenttisen sidoksen. Siksi se ei voi koskaan muodostaa kahta sidosta (ei pidä sekoittaa vety sidosten kanssa). Toisaalta hiiliatomin elektroninen konfiguraatio sallii (ja vaatii) neljän kovalenttisen sidoksen muodostumisen.

Tästä syystä Lewis-rakenteiden, joihin C ja H puuttuvat, on oltava johdonmukaisia ​​ja kunnioitettava sitä, mitä niiden elektroniset kokoonpanot säätelevät. Tällä tavoin, jos hiilellä on enemmän kuin neljä sidosta tai vetyä enemmän kuin yksi, niin luonnos voidaan hylätä ja aloittaa uusi, todellisuuden mukainen.

Täällä ilmestyy yksi näiden rakenteiden päämotiiveista tai tuista, jonka Gilbert Newton Lewis esitteli etsiessään molekyylisiä esityksiä, jotka ovat uskollisia kokeellisille tiedoille: molekyylin rakenne ja muodolliset varaukset.

Kaikkia olemassa olevia yhdisteitä voidaan edustaa Lewis-rakenteilla, jolloin saadaan ensimmäinen arvio siitä, millainen molekyyli tai ionit voivat olla.

Mikä on Lewisin rakenne?

Se on valenssielektronien ja molekyylin tai ionin kovalenttisten sidosten edustava rakenne, jonka tarkoituksena on saada käsitys sen molekyylirakenteesta.

Tämä rakenne ei kuitenkaan pysty ennustamaan joitain tärkeitä yksityiskohtia, kuten molekyylin geometriaa atomin ja sen ympäristön suhteen (jos se on neliö, trigonaalitaso, bipyramidaalinen jne.).

Samoin se ei sano mitään siitä, mikä on sen atomien kemiallinen hybridisaatio, mutta se sanoo missä kaksoissidokset tai kolmoissidokset sijaitsevat ja jos rakenteessa on resonanssi.

Näiden tietojen avulla voidaan kiistellä yhdisteen reaktiivisuudesta, sen stabiilisuudesta, kuinka ja mitä mekanismia molekyyli seuraa reagoidessaan.

Tästä syystä Lewisin rakenteita ei koskaan lakkaa pohtimasta ja ne ovat erittäin hyödyllisiä, koska uusi kemiallinen oppiminen voi tiivistyä niihin.

Kuinka se tehdään?

Yhdisteen kemiallinen kaava on välttämätön rakenteen, kaavan tai Lewis-kaavion piirtämiseksi tai luonnostamiseksi. Ilman sitä et voi edes tietää, mitkä atomit muodostavat sen. Kun jaksollinen taulukko on mukana, sitä käytetään etsimään, mihin ryhmiin he kuuluvat.

Esimerkiksi, jos sinulla on yhdiste C ₁₄ O ₂ N _3, sinun on etsittävä ryhmiä, joissa hiili, happi ja typpi ovat. Kun tämä on tehty, riippumatta siitä, mikä on yhdiste, valenssielektronien lukumäärä pysyy samana, joten ennemmin tai myöhemmin ne muistetaan.

Siten hiili kuuluu ryhmään IVA, happi ryhmään VIA ja typpi VA: han. Ryhmän numero on yhtä suuri kuin valenssielektronien (pisteiden) lukumäärä. Heillä kaikilla on yhteistä taipumus täyttää valenssikuori-oktettti.

Mikä on oktettisääntö?

Tämä sanoo, että atomeilla on taipumus täydentää energiatasoaan kahdeksalla elektronilla vakauden saavuttamiseksi. Tämä koskee kaikkia ei-metallisia elementtejä tai jaksollisen taulukon sopivissa lohkoissa olevia elementtejä.

Kaikki elementit eivät kuitenkaan noudata oktettisääntöä. Erityistapauksia ovat siirtymämetallit, joiden rakenteet perustuvat enemmän muodollisiin maksuihin ja niiden ryhmänumeroon.

Elektronien lukumäärä ei-metallisten elementtien valenssikuoressa, joissa Lewisin rakennetta voidaan käyttää.

Matemaattisen kaavan soveltaminen

Kun tiedät, mihin ryhmään elementit kuuluvat, ja siksi sidosten muodostamiseksi käytettävissä olevien valenssielektronien lukumäärän, jatka seuraavaa kaavaa, joka on hyödyllinen Lewisin rakenteiden piirtämiseen:

C = N - D

Kun C tarkoittaa jaettuja elektroneja, ts. Niitä, jotka osallistuvat kovalenttisiin sidoksiin. Koska kukin sidos koostuu kahdesta elektronista, C / 2 on yhtä suuri kuin sidosten (tai katkoviivojen) lukumäärä, joka on piirrettävä.

N ovat välttämättömiä elektroneja, joiden atomin valenssikuoressa on oltava isoelektronisia jalokaasulle, joka seuraa sitä samalla ajanjaksolla. Kaikille muille elementeille kuin H (koska se vaatii kahta elektronia verraamaan He: iin) he tarvitsevat kahdeksan elektronia.

D ovat käytettävissä olevia elektroneja, jotka määritetään valenssielektronien ryhmän tai lukumäärän perusteella. Siten, koska Cl kuuluu ryhmään VIIA, sitä on ympäröitävä seitsemällä mustalla pisteellä tai elektronilla ja muistettava, että sidoksen muodostamiseksi tarvitaan pari.

Lewisin rakenne, jolla on atomit, niiden pisteet ja C / 2-sidosten lukumäärä, voidaan sitten improvisoida. Mutta lisäksi on välttämätöntä olla käsitys muista "säännöistä".

Mihin sijoittaa vähiten sähköä negatiivisia atomeja

Vähiten sähköä negatiiviset atomit suurimmassa osassa rakenteita miehittävät keskukset. Tästä syystä, jos sinulla on yhdiste, jossa on P-, O- ja F-atomeja, P: n on siksi sijaittava hypoteettisen rakenteen keskellä.

Lisäksi on tärkeää huomata, että vety sitoutuu normaalisti voimakkaasti elektronegatiivisiin atomiin. Jos yhdisteessä on Zn, H ja O, H menee yhdessä O: n kanssa eikä Zn: n kanssa (Zn - O - H eikä H - Zn - O). Tästä säännöstä on poikkeuksia, mutta se tapahtuu yleensä ei-metallisten atomien kanssa.

Symmetria ja muodolliset kuormat

Luonto suosii mahdollisimman symmetristen molekyylirakenteiden luomista. Tämä auttaa välttämään sotkuisten rakenteiden muodostumista atomien ollessa järjestetty siten, että ne eivät noudata mitään näkyvää kuviota.

Esimerkiksi, yhdisteelle C _{2 3}, jossa A on kuvitteellinen atomi, todennäköisin rakenne olisi A - C - A - C - A. Huomaa sen sivujen symmetria, molemmat heijastavat toisiaan.

Muodollisilla latauksilla on myös tärkeä rooli piirrettäessä Lewis-rakenteita, erityisesti ionien osalta. Siksi sidoksia voidaan lisätä tai poistaa siten, että atomin muodollinen varaus vastaa koko esiintynyttä varausta. Tämä kriteeri on erittäin hyödyllinen siirtymämetalliyhdisteissä.

Oktettisäännön rajoitukset

Alumiinitrifluoridin, epästabiilin yhdisteen, esitys. Molemmat elementit koostuvat kuudesta elektronista, joka muodostaa kolme kovalenttisidosta, kun niiden tulisi olla kahdeksan vakauden saavuttamiseksi. Lähde: Gabriel Bolívar

Kaikkia sääntöjä ei noudateta, mikä ei välttämättä tarkoita, että rakenne olisi väärä. Tyypillisiä esimerkkejä tästä havaitaan monissa yhdisteissä, joihin osallistuvat ryhmän IIIA elementit (B, Al, Ga, In, Tl). Alumiini liaminorikkitrifluoridia (AlF ₃) katsotaan erityisesti tässä.

Soveltamalla sitten edellä kuvattua kaavaa, meillä on:

D = 1 × 3 (yksi alumiiniatomi) + 7 × 3 (kolme fluoriatomia) = 24 elektronia

Tässä 3 ja 7 ovat vastaavat alumiinille ja fluorille saatavissa olevat valenssielektronien ryhmät tai lukumäärät. Sitten ottaen huomioon tarvittavat elektronit N:

N = 8 × 1 (yksi alumiiniatomi) + 8 × 3 (kolme fluoriatoksia) = 32 elektronia

Ja siksi jaetut elektronit ovat:

C = N - D

C = 32 - 24 = 8 elektronia

C / 2 = 4 linkkiä

Koska alumiini on vähiten sähköä negatiivinen atomi, se on asetettava keskelle ja fluori muodostaa vain yhden sidoksen. Tämän huomioon ottaen meillä on Lewis-rakenne AlF ₃ (ylempi kuva). Jaetut elektronit on korostettu vihreillä pisteillä erottamaan ne jaetuista.

Vaikka laskelmat ennustavat, että on muodostettava 4 sidosta, alumiinista puuttuu riittävästi elektroneja eikä myöskään ole neljättä fluoriatomia. Seurauksena on, että alumiini ei ole oktettisäännön mukainen, ja tätä tosiasiaa ei oteta huomioon laskelmissa.

Esimerkkejä Lewis-rakenteista

Jodi

Jodin epämetallituotteissa on seitsemän elektronia, joten jakamalla yksi näistä elektroneista molemmat muodostavat kovalenttisen sidoksen, joka tarjoaa stabiilisuuden. Lähde: Gabriel Bolívar

Jodi on halogeeni ja kuuluu siksi ryhmään VIIA. Sillä on siis seitsemän valenssielektronia, ja tätä yksinkertaista piimaan vaikuttajaa voidaan kuvata improvisoimalla tai soveltamalla kaavaa:

D = 2 × 7 (kaksi jodiatomia) = 14 elektronia

N = 2 × 8 = 16 elektronia

C = 16 - 14 = 2 elektronia

C / 2 = 1 linkki

Koska 14 elektronia 2 osallistuu kovalenttisiin sidoksiin (vihreät pisteet ja viiva), 12 pysyy jakamattomina; ja koska ne ovat kaksi jodiatomia, 6 on jaettava yhdelle niistä (sen valenssielektronit). Vain tämä rakenne on mahdollista tässä molekyylissä, jonka geometria on lineaarinen.

ammoniakki

Typpessä on 5 elektronia, kun taas vain vety. 1. Tarpeeksi vakauden saavuttamiseksi perustamalla kolme kovalenttia sidosta, jotka koostuvat yhdestä elektronista N: stä ja toisesta H: sta. Lähde: Gabriel Bolívar

Mikä on Lewisin rakenne ammoniakkimolekyyliin? Koska typpi on ryhmä VA, siinä on viisi valenssielektronia, ja sitten:

D = 1 × 5 (yksi typpiatomi) + 1 × 3 (kolme vetyatomia) = 8 elektronia

N = 8 × 1 + 2 × 3 = 14 elektronia

C = 14 - 8 = 6 elektronia

C / 2 = 3 linkkiä

Tällä kertaa kaava on oikea linkkien lukumäärällä (kolme vihreää linkkiä). Koska 6 käytettävissä olevista 8 elektronista osallistuu sidosryhmiin, jäljellä on jakamaton pari, joka sijaitsee typpiatomin yläpuolella.

Tämä rakenne kertoo kaiken, mitä on tiedettävä ammoniakkiemäsestä. Soveltamalla tietoa TEV ja TRPEV, päätellään, että geometria on tetraedrinen vääristää typen vapaa pari, ja että hybridisaatio tämä on siis sp ³.

C

Lähde: Gabriel Bolívar

Kaava vastaa orgaanista yhdistettä. Ennen kaavan soveltamista on muistettava, että vety muodostaa yhden sidoksen, happea kaksi, hiiltä neljä ja että rakenteen on oltava mahdollisimman symmetrinen. Edellisten esimerkkien tapaan meillä on:

D = 6 × 1 (kuusi vetyatomia) + 6 × 1 (yksi happiatomi) + 4 × 2 (kaksi hiiliatomia) = 20 elektronia

N = 6 × 2 (kuusi vetyatomia) + 8 × 1 (yksi happiatomi) + 8 × 2 (kaksi hiiliatomia) = 36 elektronia

C = 36 - 20 = 16 elektronia

C / 2 = 8 linkkiä

Vihreiden viivojen lukumäärä vastaa 8 laskettua linkkiä. Ehdotetun Lewis rakenne on se, että etanolin CH ₃ CH ₂ OH. Kuitenkin, se olisi ollut oikea ehdottaa rakennetta dimetyylieetterin CH ₃ -CH ₃, joka on vielä symmetrinen.

Kumpi näistä kahdesta on ”oikeampaa”? Molemmat ovat yhtä niin, koska rakenteet syntyi rakenteelliset isomeerit on sama molekyylikaava C ₂ H ₆: lla

Permanganaatti-ioni

Lähde: Gabriel Bolívar

Tilanne on monimutkainen, kun halutaan tehdä Lewis-rakenteita siirtymämetalliyhdisteille. Mangaani kuuluu ryhmään VIIB, samoin negatiivisen varauksen elektroni on lisättävä saatavissa olevien elektronien joukkoon. Käyttämällä kaavaa, joka meillä on:

D = 7 × 1 (yksi mangaaniatomi) + 6 × 4 (neljä happiatomia) + 1 elektroni kertaa varaus = 32 elektronia

N = 8 × 1 + 8 × 4 = 40 elektronia

C = 40 - 32 = 8 jaettua elektronia

C / 2 = 4 linkkiä

Siirtymämetalleissa voi kuitenkin olla yli kahdeksan valenssielektronia. Lisäksi, jotta MnO ₄ ^- ionilla olisi negatiivinen varaus, on tarpeen vähentää happiatomien muodollisia varauksia. Miten? Kaksoissidosten kautta.

Mikäli kaikki siteet MnO ₄ ^- olivat yksinkertaisia, muodollinen maksut happea vastaisi -1. Koska niitä on neljä, tuloksena oleva varaus olisi -4 anionille, mikä ei selvästikään ole totta. Kun kaksoissidokset muodostuvat, on taattu, että yhdellä hapolla on negatiivinen muodollinen varaus, joka heijastuu ioniin.

Permanganaatti-ionissa voidaan nähdä, että siinä on resonanssi. Tämä tarkoittaa, että ainoa yksittäinen Mn - O-sidos sijoittuu neljän O-atomin väliin.

Dikromaatti-ioni

Lähde: Gabriel Bolívar

Lopuksi, samanlainen tapaus esiintyy kanssa dikromaattia ioni (Kr ₂ O ₇). Kromi kuuluu ryhmään VIB, joten siinä on kuusi valenssielektronia. Kaavan uudelleen soveltaminen:

D = 6 × 2 (kaksi kromiatomia) + 6 × 7 (seitsemän happiatomia) + 2 elektronia kertaa kaksiarvoinen varaus = 56 elektronia

N = 8 × 2 + 8 × 7 = 72 elektronia

C = 72 - 56 = 16 jaettua elektronia

C / 2 = 8 linkkiä

Mutta sidoksia ei ole 8, vaan 12. Samoista syistä, jotka on todettu, permanganaatti-ionissa on jätettävä kaksi happea, joilla on negatiiviset muodolliset varaukset, jotka lisäävät arvoon -2, dikromaatti-ionin varauksen.

Siten lisätään niin monta kaksoissidosta kuin on tarpeen. Tällä tavoin saavutamme kuvan Lewis-rakenteen Cr ₂ O ₇ ^{2–: lle}.

Viitteet

1. Whitten, Davis, Peck ja Stanley. Kemia. (8. painos). CENGAGE-oppiminen, s. 251.
2. Lewis-rakenteet. Ostettu: chemed.chem.purdue.edu
3. Steven A. Hardinger, kemian ja biokemian laitos, UCLA. (2017). Lewisin rakenne. Ostettu: chem.ucla.edu
4. Wayne Breslyn. (2012). Lewis-rakenteiden piirtäminen. Kuvannut: terpconnect.umd.edu
5. Webmaster. (2012). Lewisin ("elektronipiste") rakenteet. Kemian laitos, Maine University, Orono. Otettu: kemia.umeke.maine.edu
6. Lancaster, Sean. (25. huhtikuuta 2017). Kuinka määrittää, kuinka monta pistettä on elementin Lewis-pisterakenteessa. Sciencing. Palautettu osoitteesta: sciencing.com