LEWIS FELÉPÍTÉSE: MI EZ, HOGYAN LEHET ELKÉSZÍTENI, PÉLDÁK - KÉMIA - 2025

A Lewis-struktúra a molekulán vagy egy ionon belüli kovalens kötések ábrázolása. Ezekben a kötésekben és az elektronokban pontok vagy hosszú kötőjelek vannak feltüntetve, bár a pontok általában a meg nem osztott elektronoknak felelnek meg, és a kötőjelek a kovalens kötéseknek felelnek meg.

De mi az a kovalens kötés? Ez egy elektronpár (vagy pont) megosztása a periódusos rendszer két atomja között. Ezekkel a diagramokkal sok vázlat rajzolható egy adott vegyületre. Melyik helyes, az a formális töltésektől és az atomok kémiai természetétől függ.

2-bróm-propán-vegyület. Ben Mills, a Wikimedia Commonsból.

A fenti képen van egy példa arra, hogy mi a Lewis struktúra. Ebben az esetben a képviselt vegyület 2-bróm-propán. Láthatja az elektronoknak megfelelő fekete pontokat, mind a kötésekben résztvevőket, mind azokat, amelyek nem osztoznak meg (az egyetlen pár közvetlenül Br felett).

Ha a ":" pontok párját egy hosszú vonal "-" váltja fel, akkor a 2-bróm-propán szénvázát a következőképpen jelöljük: C - C - C. Miért nem lehet C - H - H - C a rajzolt "molekuláris keret" helyett? A válasz az egyes atomok elektronikus jellemzőiben rejlik.

Ezért, mivel a hidrogénnek egyetlen elektronja és egyetlen orbita áll rendelkezésre, amely feltölthető, csak egy kovalens kötést képez. Ezért soha nem hozhat létre két kötést (nem szabad összetéveszteni a hidrogénkötésekkel). Másrészt a szénatom elektronikus konfigurációja lehetővé teszi (és megköveteli) négy kovalens kötés kialakulását.

Ezért azoknak a Lewis-struktúráknak, ahol a C és a H beavatkoznak, koherensnek kell lenniük, és tiszteletben kell tartaniuk azt, amelyet elektronikus konfigurációik szabályozzák. Ilyen módon, ha a szénnek négynél több kötése van, vagy hidrogénnek egynél több, akkor a vázlatot el lehet dobni, és egy új, a valósághoz jobban megfelelö kötést lehet elindítani.

Itt jelenik meg ezeknek a struktúráknak az egyik fő motívuma vagy támogatója, amelyet Gilbert Newton Lewis vezet be a kísérleti adatokhoz hűséges molekuláris reprezentációk keresésekor: a molekuláris szerkezet és a formális töltések.

Az összes létező vegyületet Lewis-struktúrákkal reprezentálhatjuk, és ezzel elsőként megközelítjük, hogy milyen lehet a molekula vagy az ionok.

Mi a Lewis felépítése?

Ez a vegyérték elektronok és a molekulában vagy ionban levő kovalens kötések reprezentatív struktúrája, amely megismerheti molekuláris szerkezetét.

Ez a szerkezet azonban nem tud megjósolni néhány fontos részletet, például egy atom és annak környezetének molekuláris geometriáját (ha négyzet, trigonális sík, bipiramidális stb.).

Hasonlóképpen, nem mond semmit arról, hogy mi az atomjai kémiai hibridizációja, de azt mondja, hogy hol található a kettős vagy hármas kötés, és ha van-e rezonancia a szerkezetben.

Ezzel az információval vitathatjuk egy vegyület reakcióképességét, stabilitását, hogy a molekula hogyan és milyen mechanizmussal fog reagálni, amikor reagál.

Ezért a Lewis-struktúrákat soha nem hagyják abba, és nagyon hasznosak, mivel az új kémiai tanulás kondenzálódhat bennük.

Hogyan történik ez?

A szerkezet, a képlet vagy a Lewis-diagram rajzolásához vagy vázlatához a vegyület kémiai képlete elengedhetetlen. Enélkül még azt sem tudhatja, mely atomok képezik ezt. A periódusos rendszerrel együtt meg lehet keresni, hogy mely csoportokhoz tartoznak.

Például, ha a C ₁₄ O ₂ N ₃ vegyület van, akkor meg kell keresnie azokat a csoportokat, ahol a szén, az oxigén és a nitrogén van. Ha ez megtörtént, függetlenül a vegyülettől, a valencia elektronok száma változatlan marad, így előbb vagy utóbb megjegyzik őket.

Így a szén a IVA csoporthoz tartozik, az oxigén a VIA csoporthoz és a nitrogén a VA csoporthoz tartozik. A csoport száma megegyezik a valencia elektronok számával (pontok). Mindannyian közös a hajlandóság kitölteni a valenciahéj oktettet.

Mi az oktet szabály?

Ez azt mondja, hogy az atomok hajlamosak energiaszintüket nyolc elektronmal kiegészíteni a stabilitás elérése érdekében. Ez vonatkozik minden nemfémes elemre vagy a periódusos rendszer megfelelő blokkjaira.

Ugyanakkor nem minden elem felel meg az oktet szabálynak. Különleges esetek az átmeneti fémek, amelyek szerkezete inkább a formális töltéseken és csoportszámon alapszik.

Azon elektronok száma a nem fémes elemek, amelyekben a Lewis-szerkezet működtethető, valenciahéjában.

A matematikai képlet alkalmazása

Tudva, melyik csoporthoz tartoznak az elemek, és ezért a kötések kialakításához rendelkezésre álló valenciaelektronok számát, a következő képlettel járunk, amely hasznos a Lewis-struktúrák rajzolásához:

C = N - D

Ahol C megosztott elektronokat jelent, azaz azokat, amelyek kovalens kötésekben vesznek részt. Mivel minden kötés két elektronból áll, akkor C / 2 megegyezik a meghúzandó kötések (vagy kötőjelek) számával.

N az a szükséges elektron, amelynek az atomnak valenciahéjában kell lennie, hogy izoelektronikus legyen az ugyanazon időszak alatt követő nemesgáz számára. A H kivételével minden elemre (mivel ehhez két elektron szükséges ahhoz, hogy összehasonlítsuk a He-vel) nyolc elektronra van szükségük.

D a rendelkezésre álló elektronok, amelyeket a valencia elektronok csoportja vagy száma határoz meg. Tehát, mivel Cl a VIIA csoportba tartozik, hét fekete ponttal vagy elektronmal kell körülvédeni, és ne feledje, hogy egy kötés kialakításához pár szükséges.

Az atomokkal, pontokkal és a C / 2 kötések számával rendelkező Lewis-szerkezet improvizálható. De ezen felül szükség van más "szabályok" fogalmára.

Hol helyezhető el a legkevesebb elektronegatív atom

A struktúrák túlnyomó többségében a legkevésbé elektronegatív atomok foglalják el a központokat. Ezért, ha van vegyülete P, O és F atomokkal, akkor a Pnek a hipotetikus szerkezet közepén kell lennie.

Fontos továbbá megjegyezni, hogy a hidrogének általában erősen elektronegatív atomokhoz kötődnek. Ha Zn, H és O van egy vegyületben, H az O-val együtt megy együtt, és nem a Zn-vel (Zn-O-H és nem H-Zn-O). Vannak kivételek ettől a szabálytól, de általában nemfém atomoknál fordul elő.

Szimmetria és formális terhelések

A természet nagy hangsúlyt fektet a lehető legszimmetrikusabb molekuláris struktúrák létrehozására. Ez segít elkerülni a rendetlen struktúrák kialakulását, és az atomok oly módon vannak elrendezve, hogy nem tartják be a nyilvánvaló mintázatot.

Például a C ₂ A ₃ vegyületnél, ahol A egy fiktív atom, a legvalószínűbb szerkezet az A – C – A – C – A. Vegye figyelembe oldalának szimmetriáját, a másik mindkét tükröződését.

A formális töltések szintén fontos szerepet játszanak a Lewis-struktúrák rajzolásában, különösen az ionok esetében. Így kötéseket lehet hozzáadni vagy eltávolítani úgy, hogy egy atom formális töltése megegyezzen a bemutatott teljes töltéssel. Ez a kritérium nagyon hasznos az átmeneti fémvegyületeknél.

Az oktet szabály korlátozásai

Az alumínium-trifluorid, egy instabil vegyület ábrázolása. Mindkét elem hat elektronból áll, amelyek három kovalens kötést hoznak létre, amikor nyolcnak kell lennie a stabilitás eléréséhez. Forrás: Gabriel Bolívar

Nem minden szabályt követik, ami nem feltétlenül jelenti azt, hogy a szerkezet hibás. Ennek tipikus példái sok olyan vegyületnél megfigyelhetők, amelyekben a IIIA csoport elemei (B, Al, Ga, In, Tl) vannak jelen. Az alumínium-trifluoridot (AlF ₃) itt külön figyelembe vesszük.

A fent leírt képletet alkalmazva:

D = 1 × 3 (egy alumínium atom) + 7 × 3 (három fluoratom) = 24 elektron

Itt a 3. és a 7. az alumíniumhoz és a fluorhoz rendelkezésre álló valencia elektronok megfelelő csoportjai vagy számai. Ezután, figyelembe véve a szükséges elektronokat N:

N = 8 × 1 (egy alumínium atom) + 8 × 3 (három fluoratom) = 32 elektron

Ezért a megosztott elektronok:

C = N - D

C = 32 - 24 = 8 elektron

C / 2 = 4 link

Mivel az alumínium a legkevésbé elektronegatív atom, azt középen kell elhelyezni, és a fluor csak egy kötést képez. Ezt figyelembe véve az AlF ₃ Lewis struktúrája van (felső kép). A megosztott elektronokat zöld pontokkal jelöljük ki, hogy megkülönböztessük őket a nem megosztottól.

Noha a számítások előrejelzik, hogy 4 kötést kell kialakulni, az alumíniumban nincs elegendő elektron és nincs negyedik fluoratom. Ennek eredményeként az alumínium nem felel meg az oktet szabályának, és ezt a tényt a számítások nem tükrözik.

Példák Lewis struktúrákra

Jód

A nem jódfémek mindegyike hét elektronmal rendelkezik, tehát az egyik elektron megosztásával kovalens kötést hoznak létre, amely stabilitást biztosít. Forrás: Gabriel Bolívar

A jód halogénatom, ezért tartozik a VIIA csoporthoz. Így hét valencia elektronja van, és ezt az egyszerű diatómás molekulát a következő képlet improvizálásával vagy alkalmazásával reprezentálhatjuk:

D = 2 × 7 (két jódatom) = 14 elektron

N = 2 × 8 = 16 elektron

C = 16 - 14 = 2 elektron

C / 2 = 1 link

Mivel 14 elektronból 2 vesz részt a kovalens kötésben (zöld pontok és kötőjel), 12 marad nem megosztott; és mivel ezek két jódatomot képeznek, az egyiket 6-nak kell megosztani (valenciaelektronjai). Csak ez a szerkezet lehetséges ebben a molekulaban, amelynek geometria lineáris.

ammónia

A nitrogénnek 5 elektronja van, míg a hidrogénnek csak 1. A stabilitás eléréséhez elegendő három kovalens kötés létrehozása, amelyek egy nitrogénből és egy másikból származnak elektronból. Forrás: Gabriel Bolívar

Mi a Lewis-szerkezet az ammóniamolekula? Mivel a nitrogén a VA csoportba tartozik, öt valencia elektrontal rendelkezik, majd:

D = 1 × 5 (egy nitrogénatom) + 1 × 3 (három hidrogénatom) = 8 elektron

N = 8 × 1 + 2 × 3 = 14 elektron

C = 14 - 8 = 6 elektron

C / 2 = 3 link

Ezúttal a képlet helyes a linkek számával (három zöld link). Mivel a 8 elérhető elektronból 6 vesz részt a kötésekben, marad egy nem osztott pár, amely a nitrogénatom fölött helyezkedik el.

Ez a szerkezet mindent elmond, amelyet tudni kell az ammónia-bázissal kapcsolatban. A TEV és a TRPEV ismerete alapján arra következtethetünk, hogy a geometria tetraéderesen torzult a nitrogénmentes pár által, és ennek hibridizációja ezért sp ³.

C

Forrás: Gabriel Bolívar

A képlet egy szerves vegyületnek felel meg. A képlet alkalmazása előtt emlékeztetni kell arra, hogy a hidrogének egyetlen kötéset képeznek, oxigénatomot két, szénatomot négy, és hogy a szerkezetnek a lehető legszimmetrikusabbnak kell lennie. Az előző példákhoz hasonlóan:

D = 6 × 1 (hat hidrogénatom) + 6 × 1 (egy oxigénatom) + 4 × 2 (két szénatom) = 20 elektron

N = 6 × 2 (hat hidrogénatom) + 8 × 1 (egy oxigénatom) + 8 × 2 (két szénatom) = 36 elektron

C = 36 - 20 = 16 elektron

C / 2 = 8 link

A zöld kötőjelek száma megfelel a 8 kiszámított linknek. A javasolt Lewis szerkezet, hogy az etanol CH ₃ CH ₂ OH. Ugyanakkor helyes lett volna a dimetil-éter CH ₃ OCH ₃ szerkezetét is javasolni, amely még szimmetrikusabb.

A kettő közül melyik a „több” helyes? Mindkettő azonos, mivel a struktúrák ugyanolyan C ₂ H ₆ O molekulaképletű szerkezeti izomerként keletkeztek.

Permanganát ion

Forrás: Gabriel Bolívar

A helyzet bonyolult, amikor kívánatos Lewis struktúrák készítése átmeneti fémvegyületekhez. A mangán tartozik a VIIB csoporthoz, szintén a negatív töltés elektronját hozzá kell adni a rendelkezésre álló elektronok közé. A képlet alkalmazásával:

D = 7 × 1 (egy mangánatom) + 6 × 4 (négy oxigénatom) + 1 elektron töltés = 32 elektron

N = 8 × 1 + 8 × 4 = 40 elektron

C = 40 - 32 = 8 megosztott elektron

C / 2 = 4 link

Azonban az átmeneti fémeknek nyolc vegyérték elektronuk lehet több. Ezenkívül ahhoz, hogy az MnO ₄ ^- ion negatív töltéssel rendelkezzen, csökkenteni kell az oxigénatomok formális töltését. Hogyan? A kettős kötések révén.

Ha minden a kötvények MnO ₄ ^- egyszerűek voltak, a hivatalos díjak oxigéneken egyenlő lenne -1. Mivel négy van, az így kapott töltés -4 lenne az anion számára, ami nyilvánvalóan nem igaz. A kettős kötések kialakulásakor garantált, hogy egyetlen oxigén negatív formális töltésű, visszatükröződik az ionban.

A permanganát-ionban látható, hogy van rezonancia. Ez azt jelenti, hogy az egyetlen Mn - O kötés delokalizálódik a négy O atom között.

Dikromát ion

Forrás: Gabriel Bolívar

Végül, egy hasonló eset fordul elő, a dikromát-ion (Cr ₂ O ₇). A króm a VIB csoportba tartozik, tehát hat valencia elektrontal rendelkezik. A képlet újbóli alkalmazása:

D = 6 × 2 (két króm atom) + 6 × 7 (hét oxigén atom) + 2 elektron, a kétértékű töltés szorzata = 56 elektron

N = 8 × 2 + 8 × 7 = 72 elektron

C = 72 - 56 = 16 megosztott elektron

C / 2 = 8 link

De nem 8 kötvény létezik, hanem 12. Ugyanezen okokból a permanganát-ionban két negatív formális töltésű oxigént kell hagyni, amelyek -2-ig növelik a dikromát-ion töltését.

Így annyi kettős kötést adunk hozzá, amennyire szükség van. Ily módon eljutunk a kép Lewis struktúrájához Cr ₂ O ₇ ^{2– számára}.

Irodalom

1. Whitten, Davis, Peck és Stanley. Kémia. (8. kiadás). CENGAGE tanulás, 251. o.
2. Lewis struktúrák. Forrás: chemed.chem.purdue.edu
3. Steven A. Hardinger, Kémiai és Biokémiai Tanszék, UCLA. (2017). Lewis felépítése. Forrás: chem.ucla.edu
4. Wayne Breslyn. (2012). Rajz Lewis struktúrák. Feltöltve: terpconnect.umd.edu
5. Webmaster. (2012). Lewis ("elektron pont") struktúrák. Orioni Maine Egyetem Kémia Tanszéke. Forrás: chemistry.umeche.maine.edu
6. Lancaster, Sean. (2017. április 25.). Hogyan lehet meghatározni, hogy hány pont van-e az elem Lewis pontszerkezetén. Sciencing. Helyreállítva: sciencing.com