7.3 Lewis-tákn og byggingar

Hingað til í þessum kafla höfum við rætt um ýmsar tegundir tengja sem myndast milli frumeinda og/eða jóna. Í öllum tilvikum fela þessi tengi í sér deilingu eða flutning á gildisrafeindum milli frumeinda. Í þessum hluta munum við skoða algengustu aðferðina til að sýna gildisrafeindir og efnatengi, það er að segja Lewistákn og Lewisbyggingar.

Lewistákn

Við notum Lewistákn til að lýsa rafeindaskipan gildisrafeinda í frumeindum og einatóma jónum. Lewistákn samanstendur af efnatákni frumefnisins sem er umkringt einum punkti fyrir hverja gildisrafeind þess:

Mynd 7.9 sýnir Lewistákn fyrir frumefnin í þriðju lotu lotukerfisins.

Einnig er hægt að nota Lewistákn til að sýna myndun katjóna úr frumeindum, eins og hér er sýnt fyrir natríum og kalsíum:

Sömuleiðis er hægt að nota þau til að sýna myndun anjóna úr frumeindum, eins og hér er sýnt fyrir klór og brennistein:

Mynd 7.10 sýnir hvernig Lewistákn eru notuð til að sýna flutning rafeinda við myndun jónaefna.

Lewisbyggingar

Við notum einnig Lewistákn til að sýna myndun samgildra tengja, sem eru sýnd í Lewisbyggingum, sem eru teikningar sem lýsa tengjum í sameindum og fjölatóma jónum. Til dæmis, þegar tvær klórfrumeindir mynda klórsameind, deila þær einu rafeindapari:

Lewisbyggingin sýnir að hver Cl-frumeind hefur þrjú rafeindapör sem ekki eru notuð í tengi (kallast stök rafeindapör) og eitt sameiginlegt rafeindapar (skrifað á milli frumeindanna). Stundum er strik (eða lína) notað til að gefa til kynna sameiginlegt rafeindapar:

Eitt sameiginlegt rafeindapar kallast eintengi. Hver Cl-frumeind víxlverkar við átta gildisrafeindir: þær sex sem eru í stöku rafeindapörunum og þær tvær sem eru í eintenginu.

Áttundreglan

Hinar halógensameindirnar (F₂, Br₂, I₂ og At₂) mynda tengi líkt og í klórsameindinni: eitt eintengi milli frumeinda og þrjú stök rafeindapör á hverja frumeind. Þetta gerir hverri halógenfrumeind kleift að ná rafeindaskipan eðalgassins. Sú tilhneiging frumeinda í aðalflokkum að mynda nægilega mörg tengi til að fá átta gildisrafeindir kallast áttareglan.

Oft má spá fyrir um fjölda tengja sem frumeind getur myndað út frá þeim fjölda rafeinda sem þarf til að uppfylla áttaregluna (hafa átta gildisrafeindir). Þetta á sérstaklega við um málmleysingja í annarri lotu lotukerfisins (C, N, O og F). Til dæmis hefur hver frumeind frumefnis í flokki 14 fjórar rafeindir á ysta hveli og þarf því fjórar rafeindir til viðbótar til að uppfylla áttaregluna. Þessar fjórar rafeindir fást með því að mynda fjögur samgild tengi, eins og sýnt er hér fyrir kolefni í CCl₄ (kolefnistetraklóríði) og kísil í SiH₄ (sílani). Þar sem vetni þarf aðeins tvær rafeindir til að fylla gildishvolf sitt er það undantekning frá áttareglunni. Hliðarmálmar og innri hliðarmálmar fylgja heldur ekki áttareglunni:

Frumefni í flokki 15, eins og köfnunarefni, hafa fimm gildisrafeindir í Lewistákni frumeindarinnar: eitt stakt rafeindapar og þrjár óparaðar rafeindir. Til að uppfylla áttaregluna mynda þessar frumeindir þrjú samgild tengi, líkt og í NH₃ (ammóníaki). Súrefni og aðrar frumeindir í flokki 16 uppfylla áttaregluna með því að mynda tvö samgild tengi:

Tví- og þrítengi

Eins og áður hefur komið fram kallast það eintengi þegar par frumeinda deilir einu rafeindapari. Hins vegar getur par frumeinda þurft að deila fleiri en einu rafeindapari til að uppfylla áttaregluna. Tvítengi myndast þegar tveimur rafeindapörum er deilt milli tveggja frumeinda, líkt og milli kolefnis- og súrefnisfrumeindanna í CH₂O (formaldehýð) og milli kolefnisfrumeindanna tveggja í C₂H₄ (etýleni):

Þrítengi myndast þegar þremur rafeindapörum er deilt milli tveggja frumeinda, líkt og í kolmónoxíði (CO) og sýaníðjóninni (CN⁻):

Að rita Lewisbyggingar með áttareglunni

Fyrir mjög einfaldar sameindir og sameindajónir getum við ritað Lewisbyggingar einfaldlega með því að para saman óparaðar rafeindir á frumeindunum sem mynda þær. Sjá þessi dæmi:

Fyrir flóknari sameindir og sameindajónir er gagnlegt að fylgja skref fyrir skref ferlinu sem lýst er hér:

1. Ákvarðaðu heildarfjölda gildisrafeinda (á ysta hveli). Fyrir katjónir skal draga eina rafeind frá fyrir hverja jákvæða hleðslu. Fyrir anjónir skal bæta við einni rafeind fyrir hverja neikvæða hleðslu.
2. Teiknaðu grindbyggingu sameindarinnar eða jónarinnar og raðaðu frumeindunum umhverfis miðjufrumeind. (Að jafnaði ætti að setja það frumefni sem er minnst rafneikvætt í miðjuna.) Tengdu hverja frumeind við miðjufrumeindina með eintengi (einu rafeindapari).
3. Dreifðu eftirstandandi rafeindum sem stökum rafeindapörum á endafrumeindirnar (að vetni undanskildu) þannig að áttareglan sé uppfyllt fyrir hverja frumeind.
4. Settu allar eftirstandandi rafeindir á miðjufrumeindina.
5. Endurraðaðu rafeindum endafrumeindanna til að mynda fjöltengi við miðjufrumeindina svo hægt sé að uppfylla áttaregluna þar sem því verður við komið.

Ákvarðum Lewisbyggingar fyrir SiH₄, CHO₂⁻, NO⁺ og OF₂ sem dæmi um hvernig þessari aðferð er beitt:

Ákvarðaðu heildarfjölda gildisrafeinda (á ysta hveli) í sameindinni eða jóninni.

Fyrir sameind leggjum við saman fjölda gildisrafeinda á hverri frumeind í sameindinni:

Fyrir neikvæða jón, eins og CHO₂⁻, bætum við fjölda gildisrafeinda frumeindanna við fjölda neikvæðra hleðslna á jóninni (ein rafeind bætist við fyrir hverja neikvæða hleðslu):

Fyrir jákvæða jón, eins og NO⁺, leggjum við saman fjölda gildisrafeinda frumeindanna í jóninni og drögum síðan fjölda jákvæðra hleðslna á jóninni (ein rafeind tapast fyrir hverja jákvæða hleðslu) frá heildarfjölda gildisrafeinda:

Þar sem OF₂ er hlutlaus sameind leggjum við einfaldlega saman fjölda gildisrafeinda:

Teiknaðu grindbyggingu sameindarinnar eða jónarinnar, raðaðu frumeindunum umhverfis miðjufrumeind og tengdu hverja frumeind við miðjufrumeindina með eintengi (einu rafeindapari). (Athugaðu að við táknum jónir með hornklofum utan um bygginguna og sýnum hleðsluna fyrir utan hornklofana:)

Þegar nokkrar uppraðanir frumeinda eru mögulegar, eins og fyrir CHO₂⁻, verðum við að nota tilraunagögn til að velja þá réttu. Almennt eru minna rafneikvæð frumefni líklegri til að vera miðjufrumeindir. Í CHO₂⁻, tekur minna rafneikvæða kolefnisfrumeindin miðjustöðuna og súrefnis- og vetnisfrumeindirnar umlykja hana. Önnur dæmi eru P í POCl₃, S í SO₂ og Cl í ClO₄⁻. Undantekning er að vetni er næstum aldrei miðjufrumeind. Þar sem flúor er rafneikvæðasta frumefnið getur það heldur ekki verið miðjufrumeind.

Dreifðu eftirstandandi rafeindum sem stökum rafeindapörum á endafrumeindirnar (nema vetni) til að fylla gildishvolfin með átta rafeindum.

Engar rafeindir eru eftir á SiH₄, þannig að það helst óbreytt:

Settu allar eftirstandandi rafeindir á miðjufrumeindina.

Fyrir SiH₄, CHO₂⁻ og NO⁺, eru engar rafeindir eftir; við höfum þegar komið fyrir öllum rafeindunum sem ákvarðaðar voru í skrefi 1.

Fyrir OF₂ voru 16 rafeindir eftir í skrefi 3 og við komum fyrir 12, þannig að 4 eru eftir sem þarf að setja á miðjufrumeindina:

Endurraðaðu rafeindum endafrumeindanna til að mynda fjöltengi við miðjufrumeindina svo að áttareglan sé uppfyllt þar sem því verður við komið.

SiH₄: Si uppfyllir þegar áttaregluna, svo ekkert þarf að gera.

CHO₂⁻: Við höfum dreift gildisrafeindunum sem stökum rafeindapörum á súrefnisfrumeindirnar, en kolefnisfrumeindina vantar átta rafeindir:

NO⁺: Fyrir þessa jón bættum við við átta gildisrafeindum, en hvorug frumeindin uppfyllir áttaregluna. Við getum ekki bætt við fleiri rafeindum þar sem við höfum þegar notað heildarfjöldann sem við fundum í skrefi 1, þannig að við verðum að færa rafeindir til að mynda fjöltengi:

Þetta uppfyllir samt ekki áttaregluna, svo við verðum að færa annað par og mynda þrítengi:

Í OF₂ hefur hver frumeind uppfyllir áttaregluna eins og byggingin er teiknuð, svo ekkert breytist.

Dæmi 7.4

Að teikna Lewisbyggingar

Cassini-Huygens leiðangur NASA greindi stórt ský af eitraðri vetnisblásýru (HCN) á Títan, einu af tunglum Satúrnusar. Títan inniheldur einnig etan (H₃CCH₃), asetýlen (HCCH) og ammoníak (NH₃). Hverjar eru Lewisbyggingar þessara sameinda?

Lausn

1. Reiknaðu fjölda gildisrafeinda. HCN: (1 × 1) + (4 × 1) + (5 × 1) = 10 H₃CCH₃: (1 × 3) + (2 × 4) + (1 × 3) = 14 HCCH: (1 × 1) + (2 × 4) + (1 × 1) = 10 NH₃: (5 × 1) + (3 × 1) = 8

2. Teiknaðu grindbyggingu og tengdu frumeindirnar með eintengjum. Mundu að H er aldrei miðjufrumeind:

   

3. Þar sem þörf krefur skal dreifa rafeindum á endafrumeindirnar:

   

HCN: sex rafeindir settar á N H₃CCH₃: engar rafeindir eftir HCCH: engar endafrumeindir sem geta tekið við rafeindum NH₃: engar endafrumeindir sem geta tekið við rafeindum

Skref 4. Þar sem þörf krefur skal setja eftirstandandi rafeindir á miðjufrumeindina:

HCN: engar rafeindir eftir H₃CCH₃: engar rafeindir eftir HCCH: fjórar rafeindir settar á kolefni NH₃: tvær rafeindir settar á köfnunarefni

Skref 5. Þar sem þörf krefur skal endurraða rafeindum til að mynda fjöltengi svo að áttareglan sé uppfyllt fyrir hverja frumeind: HCN: mynda tvö C–N tengi til viðbótar H₃CCH₃: allar frumeindir hafa réttan fjölda rafeinda HCCH: mynda þrítengi milli kolefnisfrumeindanna tveggja NH₃: allar frumeindir hafa réttan fjölda rafeinda

Prófaðu þig

Bæði kolmónoxíð, CO, og koldíoxíð, CO₂, eru myndefni við bruna jarðefnaeldsneytis. Báðar þessar lofttegundir valda einnig vandamálum: CO er eitrað og CO₂ hefur verið tengt við hnattrænar loftslagsbreytingar. Hverjar eru Lewisbyggingar þessara tveggja sameinda?

Svar:

Undantekningar frá áttareglunni

Margar samgildar sameindir hafa miðjufrumeindir sem hafa ekki átta rafeindir í Lewisbyggingum sínum. Þessar sameindir falla í þrjá flokka:

Sameindir með oddatölu gildisrafeinda hafa eina óparaða rafeind.

Sameindir með rafeindaskort hafa miðjufrumeind sem hefur færri rafeindir en þarf fyrir rafeindaskipan eðalgassinsins.

Ofgildar sameindir hafa miðjufrumeind sem hefur fleiri rafeindir en þarf fyrir rafeindaskipan eðalgassinsins.

Sameindir með oddatölu gildisrafeinda

Sameindir sem innihalda oddatölu gildisrafeinda kallast sindurefni. Köfnunarefnisoxíð, NO, er dæmi um sameind með oddatölu gildisrafeinda. Það myndast í brunahreyflum þegar súrefni og köfnunarefni hvarfast við háan hita.

Til að teikna Lewisbyggingu fyrir sameind með oddatölu gildisrafeinda eins og NO fylgjum við sömu fimm skrefum og fyrir aðrar sameindir, en með nokkrum smávægilegum breytingum:

Ákvarðaðu heildarfjölda gildisrafeinda (í ysta hveli). Summa gildisrafeindanna er 5 (frá N) + 6 (frá O) = 11. Oddatalan segir okkur strax að við erum með sindurefni, þannig að við vitum að ekki geta allar frumeindir haft átta rafeindir í gildishvolfi sínu.

Teiknaðu grindbyggingu sameindarinnar. Við getum auðveldlega teiknað grind með N–O eintengi: N–O

Dreifðu eftirstandandi rafeindum sem stökum rafeindapörum á endafrumeindirnar. Í þessu tilviki er engin miðjufrumeind, þannig að við dreifum rafeindunum umhverfis báðar frumeindirnar. Við gefum rafneikvæðari frumeindinni átta rafeindir í slíkum tilvikum; þannig fær súrefni fyllt gildishvolf:

Settu allar eftirstandandi rafeindir á miðjufrumeindina. Þar sem engar rafeindir eru eftir á þetta skref ekki við.

Endurraðaðu rafeindunum til að mynda fjöltengi við miðjufrumeindina til þess að ná átta gildisrafeindum þar sem því verður við komið. Við vitum að sameind með oddatölu gildisrafeinda getur ekki haft áttu fyrir hverja frumeind, en við viljum koma hverri frumeind eins nálægt áttareglunni og mögulegt er. Í þessu tilviki hefur köfnunarefni aðeins fimm rafeindir umhverfis sig. Til að færa köfnunarefni nær áttareglunni tökum við eitt af stökum rafeindapörum súrefnis og notum það til að mynda NO-tvítengi. (Við getum ekki tekið annað stakt rafeindapar frá súrefni og myndað þrítengi vegna þess að þá hefði köfnunarefni níu rafeindir:)

Rafeindaskertar sameindir

Við munum einnig rekast á nokkrar sameindir sem innihalda miðjufrumeindir sem hafa ekki fyllt gildishvolf. Almennt eru þetta sameindir með miðjufrumeindum úr flokkum 2 og 13, endafrumeindum sem eru vetni, eða aðrar frumeindir sem mynda ekki fjöltengi. Til dæmis innihalda sameindir beryllíumtvíhýdríðs, BeH₂, og bórþríflúoríðs, BF₃, miðjufrumeindir með aðeins tvær og þrjár gildisrafeindir, í sömu röð. Þar sem H er eina endafrumeindin er aðeins einn möguleiki fyrir Lewisbyggingu BeH₂, og hún uppfyllir ekki áttaregluna fyrir miðjufrumeindina Be (sjá hér á eftir). Hægt er að teikna byggingu með tvítengi milli bórfrumeindar og flúorfrumeindar í BF₃, sem uppfyllir áttaregluna, en tilraunagögn benda til þess að tengjalengdirnar séu nær því sem búast mætti við fyrir B–F eintengi. Þetta bendir til þess að besta Lewisbyggingin hafi þrjú B–F eintengi og rafeindasnautt bór. Hvarfgirni efnasambandsins er einnig í samræmi við rafeindasnautt bór. Hins vegar eru B–F tengin aðeins styttri en búast mætti við fyrir B–F eintengi, sem gefur til kynna að einhver tvítengiseinkenni finnist í sameindinni sjálfri.

Frumeind eins og bórfrumeindin í BF₃, sem hefur ekki átta rafeindir, er mjög hvarfgjörn. Hún sameinast auðveldlega sameind sem inniheldur frumeind með stakt rafeindapar. Til dæmis hvarfast NH₃ við BF₃ vegna þess að hægt er að deila staka rafeindaparinu á köfnunarefni með bórfrumeindinni:

Ofgildar sameindir

Frumefni í annarri lotu lotukerfisins (n = 2) geta aðeins hýst átta rafeindir í svigrúmum gildishvolfs síns vegna þess að þau hafa aðeins fjögur gildissvigrúm (eitt 2s og þrjú 2p svigrúm). Frumefni í þriðju lotu og ofar (n ≥ 3) hafa fleiri en fjögur gildissvigrúm og geta deilt fleiri en fjórum pörum rafeinda með öðrum frumeindum vegna þess að þau hafa tóm d-svigrúm í sama hveli. Sameindir sem myndast úr þessum frumefnum kallast stundum ofgildar sameindir. Mynd 7.12 sýnir Lewisbyggingar fyrir tvær ofgildar sameindir, PCl₅ og SF₆.

Í sumum ofgildum sameindum, eins og IF₅ og XeF₄, eru sumar rafeindirnar á ysta hvolfi miðjufrumeindarinnar stök rafeindapör:

Þegar við skrifum Lewisbyggingar fyrir þessar sameindir komumst við að því að við höfum afgangsrafeindir eftir að hafa fyllt gildishvolf endafrumeindanna með átta rafeindum. Þessum viðbótarrafeindum verður að úthluta til miðjufrumeindarinnar.

Dæmi 7.5

Að skrifa Lewisbyggingar: Frávik frá áttareglunni

Xenon er eðalgas, en það myndar fjölda stöðugra efnasambanda. Við skoðuðum XeF₄ áðan. Hverjar eru Lewisbyggingar XeF₂ og XeF₆?

Lausn

Við getum teiknað Lewisbyggingu hvaða samgildu sameindar sem er með því að fylgja skrefunum sex sem rædd voru áðan. Í þessu tilviki getum við dregið saman síðustu skrefin þar sem þau eiga ekki öll við.

1. Reiknaðu fjölda gildisrafeinda: XeF₂: 8 + (2 × 7) = 22 XeF₆: 8 + (6 × 7) = 50

2. Teiknaðu grindbyggingu þar sem frumeindirnar eru tengdar með eintengjum. Xenon verður miðjufrumeindin þar sem flúor getur ekki verið miðjufrumeind:

   

3. Dreifðu rafeindunum sem eftir eru. XeF₂: Við setjum þrjú stök rafeindapör umhverfis hverja F-frumeind, sem gerir 12 rafeindir og gefur hverri F-frumeind 8 rafeindir. Þannig eru sex rafeindir (þrjú stök rafeindapör) eftir. Þessi stöku rafeindapör verða að setja á Xe-frumeindina. Þetta er ásættanlegt þar sem Xe-frumeindir hafa tóm d-svigrúm í gildishvolfi og geta hýst meira en átta rafeindir. Lewisbygging XeF₂ sýnir tvö tengipör og þrjú stök rafeindapör umhverfis Xe-frumeindina:

   

XeF₆: Við setjum þrjú stök rafeindapör umhverfis hverja F-frumeind, sem gerir 36 rafeindir. Tvær rafeindir eru eftir og þetta staka rafeindapar er sett á Xe-frumeindina:

Prófaðu þig

Halógenar mynda flokk efnasambanda sem kallast millihalógenar, þar sem halógenfrumeindir tengjast hver annarri með samgildum tengjum. Skrifaðu Lewisbyggingar fyrir millihalógenana BrCl₃ og ICl₄⁻.

Svar: