LEWISOVA ZGRADBA: KAJ JE, KAKO NAREDITI, PRIMERI - KEMIJA - 2025

Struktura Lewis je vse, predstavitev izmed kovalentne vezi znotraj molekule ali ion. V njej so te vezi in elektroni predstavljeni s pikami ali dolgimi črticami, čeprav večino časa pike ustrezajo nerazdeljenim elektronom, črtice pa kovalentnim vezam.

Toda kaj je kovalentna vez? Gre za delitev para elektronov (ali točk) med katerim koli dvema atomoma periodične tabele. S temi diagrami je mogoče za določeno spojino narisati veliko okostja. Kateri je pravilen, je odvisno od formalnih nabojev in kemične narave samih atomov.

2-bromopropanska spojina. Avtor Ben Mills iz Wikimedia Commons.

Na zgornji sliki imate primer, kakšna je struktura Lewisa. V tem primeru je predstavljena spojina 2-bromopropan. Lahko vidite črne pike, ki ustrezajo elektronom, tako tiste, ki sodelujejo v vezi, kot tiste, ki niso v skupni rabi (edini par tik nad Br).

Če bi pare pik ":" nadomestili z dolgo črtico "-", bi ogljikov okostje 2-bromopropana predstavljal kot: C - C - C. Zakaj ne bi bilo C - H - H - C namesto "sestavljenega" molekularnega okvira? Odgovor je v elektronskih značilnostih vsakega atoma.

Ker ima vodik na voljo en sam elektron in eno samo orbito, ki tvori le eno kovalentno vez. Zato nikoli ne more tvoriti dveh vezi (da se ne meša z vodikovimi vezmi). Po drugi strani elektronska konfiguracija atoma ogljika omogoča (in zahteva) tvorbo štirih kovalentnih vezi.

Zaradi tega morajo biti Lewisove strukture, v katerih se vmešata C in H, skladne in spoštovati, kar ureja njihova elektronska konfiguracija. Na ta način, če ima ogljik več kot štiri vezi ali vodik več kot eno, je skico mogoče zavreči in začeti novo, bolj v skladu z resničnostjo.

Tu se pojavlja eden glavnih motivov ali nosilcev teh struktur, ki ga je Gilbert Newton Lewis predstavil v iskanju molekulskih reprezentacij, vernih eksperimentalnim podatkom: molekularna struktura in formalni naboji.

Vse obstoječe spojine so lahko predstavljene z Lewisovimi strukturami, kar daje prvi približek, kakšna je lahko molekula ali ioni.

Kakšna je struktura Lewisa?

Predstavlja reprezentativno strukturo valenčnih elektronov in kovalentne vezi v molekuli ali ionu, ki služi predstavitvi njegove molekularne strukture.

Vendar ta struktura ne napoveduje nekaterih pomembnih podrobnosti, na primer molekularne geometrije atoma in njegovega okolja (če je kvadratna, trigonska ravnina, bipiramidna itd.).

Prav tako ne pove ničesar o tem, kakšna je kemijska hibridizacija njegovih atomov, ampak pravi, kje se nahajata dvojna ali trojna vez in če je v strukturi resonanca.

S temi informacijami se lahko prepiramo o reaktivnosti spojine, njeni stabilnosti, kako in po kakšnem mehanizmu bo molekula sledila, ko bo reagirala.

Zaradi tega Lewisove strukture nikoli ne prenehajo veljati in so zelo uporabne, saj se v njih lahko kondenzira novo kemijsko učenje.

Kako je to storjeno?

Za risanje ali skiciranje strukture, formule ali Lewisovega diagrama je kemična formula spojine bistvenega pomena. Brez tega niti ne morete vedeti, kateri so atomi, ki jih sestavljajo. Enkratna periodična tabela se uporablja za iskanje skupin, ki jim pripadajo.

Če imate na primer spojino C ₁₄ O ₂ N ₃ , bi morali iskati skupine, v katerih so ogljik, kisik in dušik. Ko je to storjeno, ne glede na to, kakšna je spojina, število valenčnih elektronov ostane enako, slej ko prej jih zapomnimo.

Tako ogljik spada v skupino IVA, kisik v skupino VIA, dušik pa v VA. Število skupine je enako številu valenčnih elektronov (točk). Vsem je skupna težnja po polnjenju okteta valenčne lupine.

Kakšno je pravilo okteta?

To pravi, da obstajajo težnje, da atomi dopolnjujejo svojo energijsko raven z osmimi elektroni, da dosežejo stabilnost. To velja za vse nekovinske elemente ali tiste, ki jih najdemo v dvojnih blokih periodične tabele.

Vendar vsi elementi ne spoštujejo oktetnega pravila. Posebni primeri so prehodne kovine, katerih strukture temeljijo bolj na formalnih nabojih in številu njihovih skupin.

Število elektronov v valenčni lupini nekovinskih elementov, tistih, v katerih je mogoče upravljati Lewisovo strukturo.

Uporaba matematične formule

Če veste, v katero skupino pripadajo elementi in s tem število valenčnih elektronov, ki so na voljo za tvorbo vezi, nadaljujte z naslednjo formulo, ki je uporabna za risanje Lewisovih struktur:

C = N - D

Kjer C pomeni deljene elektrone, torej tiste, ki sodelujejo v kovalentnih vezeh. Ker je vsaka vez sestavljena iz dveh elektronov, je C / 2 enak številu vezi (ali črtic), ki jih je treba potegniti.

N so potrebni elektroni, ki jih mora imeti atom v valenčni lupini, da so izoelektronski do žlahtnega plina, ki mu sledi v istem obdobju. Za vse elemente razen H (ker za primerjavo s He potrebuje dva elektrona) potrebujemo osem elektronov.

D so razpoložljivi elektroni, ki jih določimo s skupino ali številom valenčnih elektronov. Ker Cl spada v skupino VIIA, mora biti obkrožen s sedmimi črnimi pikami ali elektroni, pri tem pa upoštevajte, da je za tvorbo vezi potreben par.

Glede na atome, njihove točke in število C / 2 vezi lahko Lewisovo strukturo improviziramo. Poleg tega je treba imeti pojem o drugih "pravilih".

Kam postaviti najmanj elektronegativne atome

Najmanj elektronegativnih atomov v veliki večini struktur zasedajo središča. Zaradi tega, če imate spojino z atomi P, O in F, mora biti P zato v središču hipotetične strukture.

Pomembno je tudi opozoriti, da se vodiki običajno vežejo na visoko elektronegativne atome. Če imate Zn, H in O v spojini, bo H šel skupaj z O in ne z Zn (Zn-O - H in ne H - Zn-O). Pri tem pravilu obstajajo izjeme, vendar se običajno zgodi z nekovinskimi atomi.

Simetrija in formalne obremenitve

Narava ima veliko prednost pri ustvarjanju molekulskih struktur, ki so čim bolj simetrične. Tako se izognemo ustvarjanju nerednih struktur, pri čemer so atomi razporejeni tako, da ne upoštevajo nobenega navideznega vzorca.

Na primer, za spojino C ₂ A ₃ , kjer je A fiktivna atom, najverjetnejša struktura bi bila - C - A - C - A. Upoštevajte simetrijo njegovih strani, oba odseva druge.

Formalni naboji igrajo pomembno vlogo tudi pri risanju Lewisovih struktur, zlasti za ione. Tako se vezi lahko dodajo ali odstranijo, tako da formalni naboj atoma ustreza celotnemu razstavljenemu naboju. To merilo je zelo koristno za spojine prehodnih kovin.

Omejitve pravila o oktetu

Prikaz aluminijevega trifluorida, nestabilne spojine. Oba elementa sta sestavljena iz šestih elektronov, kar ustvari tri kovalentne vezi, ko bi jih morali doseči osem, da bi dosegli stabilnost. Vir: Gabriel Bolívar

Ne upoštevajo se vsa pravila, kar ne pomeni nujno, da je struktura napačna. Tipične primere tega opazimo v številnih spojinah, pri katerih sodelujejo elementi IIIA skupine (B, Al, Ga, In, Tl). Tu je posebej upoštevan aluminijev trifluorid (AlF ₃ ).

Z uporabo zgoraj opisane formule imamo:

D = 1 × 3 (en atom aluminija) + 7 × 3 (trije atomi fluora) = 24 elektronov

Tu sta 3 in 7 ustrezni skupini ali številu valenčnih elektronov, ki so na voljo za aluminij in fluor. Potem, če upoštevamo potrebne elektrone N:

N = 8 × 1 (en atom aluminija) + 8 × 3 (trije atomi fluora) = 32 elektronov

In zato so skupni elektroni:

C = N - D

C = 32 - 24 = 8 elektronov

C / 2 = 4 povezave

Ker je aluminij najmanj elektronegativni atom, ga moramo postaviti v sredino, fluor pa tvori le eno vez. Glede na to imamo Lewisovo strukturo AlF ₃ (zgornja slika). Skupni elektroni so označeni z zelenimi pikami, da jih razlikujemo od ne-deljenih.

Čeprav izračuni napovedujejo, da je treba ustvariti 4 vezi, aluminij nima dovolj elektronov in tudi četrtega atoma fluora ni. Posledično aluminij ne ustreza oktetskemu pravilu in to dejstvo se ne odraža v izračunih.

Primeri Lewisovih struktur

Jod

Nemetali joda imajo sedem elektronov, tako da z deljenjem enega od teh elektronov ustvarijo kovalentno vez, ki zagotavlja stabilnost. Vir: Gabriel Bolívar

Jod je halogen in zato spada v skupino VIIA. Tako ima sedem valenčnih elektronov in to preprosto diatomsko molekulo lahko predstavljamo z improvizacijo ali uporabo formule:

D = 2 × 7 (dva atoma joda) = 14 elektronov

N = 2 × 8 = 16 elektronov

C = 16 - 14 = 2 elektrona

C / 2 = 1 povezava

Od 14 elektronov 2 sodeluje v kovalentni vezi (zelene pike in črtica), 12 ostaja nerazdeljeno; in ker gre za dva atoma joda, mora biti 6 razdeljeno na enega od njih (njegove valenčne elektrone). V tej molekuli je mogoča samo ta struktura, katere geometrija je linearna.

Amoniak

Dušik ima 5 elektronov, vodik pa samo 1. Dovolj za dosego stabilnosti z vzpostavitvijo treh kovalentnih vezi, sestavljenih iz enega elektrona iz N in drugega iz H Vir: Gabriel Bolívar

Kakšna je struktura Lewisa za molekulo amoniaka? Ker je dušik iz skupine VA, ima pet valenčnih elektronov, nato pa:

D = 1 × 5 (en atom dušika) + 1 × 3 (trije vodikovi atomi) = 8 elektronov

N = 8 × 1 + 2 × 3 = 14 elektronov

C = 14 - 8 = 6 elektronov

C / 2 = 3 povezave

Tokrat je formula pravilna glede na število povezav (tri zelene povezave). Ker 6 od 8 razpoložljivih elektronov sodeluje v vezi, ostaja nerezan par, ki se nahaja nad atomom dušika.

Ta struktura pove vse, kar je treba vedeti o osnovi amoniaka. Če uporabimo znanje o TEV in TRPEV, sklepamo, da je geometrija tetraedarsko izkrivljena s parom brez dušika in da je torej hibridizacija tega sp ³ .

C

Vir: Gabriel Bolívar

Formula ustreza organski spojini. Pred uporabo formule je treba spomniti, da vodiki tvorijo eno samo vez, kisik dva, ogljik štiri in da mora biti struktura čim bolj simetrična. Tako kot v prejšnjih primerih imamo:

D = 6 × 1 (šest atomov vodika) + 6 × 1 (en atom kisika) + 4 × 2 (dva atoma ogljika) = 20 elektronov

N = 6 × 2 (šest atomov vodika) + 8 × 1 (en atom kisika) + 8 × 2 (dva atoma ogljika) = 36 elektronov

C = 36 - 20 = 16 elektronov

C / 2 = 8 povezav

Število zelenih črtic ustreza 8 izračunanim povezavam. Predlagana Lewis strukturo je, da je etanol CH ₃ CH ₂ OH. Vendar pa bi tudi bilo pravilno predlagati strukturo dimetil eter CH ₃ OCH ₃ , kar je še bolj simetrično.

Kateri od obeh je »bolj« pravilen? Obe sta enako, saj so strukture nastale kot strukturni izomeri iste molekularne formule C ₂ H ₆ O.

Permanganatni ion

Vir: Gabriel Bolívar

Položaj je zapleten, ko želimo izdelati Lewisove strukture za spojine prehodnih kovin. Mangan sodi v skupino VIIB, med elektrone negativnega naboja je treba dodati med razpoložljive elektrone. Uporaba formule imamo:

D = 7 × 1 (en atom mangana) + 6 × 4 (štirje atomi kisika) + 1 naboj elektrona = 32 elektronov

N = 8 × 1 + 8 × 4 = 40 elektronov

C = 40 - 32 = 8 deljenih elektronov

C / 2 = 4 povezave

Vendar imajo lahko prehodne kovine več kot osem valenčnih elektronov. Poleg tega za MnO ₄ ^- ionom kažejo negativni naboj, je treba zmanjšati formalne bremenitve kisikovih atomov. Kako? Skozi dvojne vezi.

Če bi bile vse vezi MnO ₄ ^- preproste, bi bili formalni naboji kisika enaki -1. Ker jih je štiri, bi nastali naboj znašal -4 za anion, kar očitno ni res. Ko nastanejo dvojne vezi, je zagotovljeno, da ima en sam kisik negativen formalni naboj, ki se odraža v ionu.

V permanganatnem ionu je razvidno, da obstaja resonanca. To pomeni, da je edina enojna vez Mn - O delokalizirana med štirimi atomi O.

Dikromat ion

Vir: Gabriel Bolívar

Končno se podoben primer zgodi z dikromatnim ionom (Cr ₂ O ₇ ). Krom spada v skupino VIB, zato ima šest valenčnih elektronov. Ponovna uporaba formule:

D = 6 × 2 (dva atoma kroma) + 6 × 7 (sedem atomov kisika) + 2 elektrona krat dvovalentni naboj = 56 elektronov

N = 8 × 2 + 8 × 7 = 72 elektronov

C = 72 - 56 = 16 deljenih elektronov

C / 2 = 8 povezav

Toda ni 8 vezi, ampak 12. Iz istih razlogov najdemo v permanganatnem ionu dva oksigena z negativnimi formalnimi naboji, ki seštevata do -2, naboja dikromatnega iona.

Tako se doda toliko dvojnih vezi, kot je potrebno. Na ta način pridemo do Lewisove strukture slike za Cr ₂ O ₇ ^2– .

Reference

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Kemija. (8. izd.). CENGAGE Učenje, str. 251.
2. Lewisove strukture. Vzeto iz: chemed.chem.purdue.edu
3. Steven A. Hardinger, Oddelek za kemijo in biokemijo, UCLA. (2017). Lewisova struktura. Vzeto iz: chem.ucla.edu
4. Wayne Breslyn. (2012). Risba Lewisovih struktur. Vzeto iz: terpconnect.umd.edu
5. Spletni skrbnik (2012). Lewisove strukture ("elektronska pika"). Oddelek za kemijo, Univerza Maine, Orono. Vzeto iz: chemistry.umeche.maine.edu
6. Lancaster, Sean. (25. april 2017). Kako določiti, koliko pik je na elementu Lewisove pike. Sciaching. Pridobljeno: sciaching.com