77 Efnatengi og sameindarúmfræði

7.3 Lewis-tákn og byggingar

7.3 Lewistákn og Lewisbyggingar

Námsmarkmið

Að loknum þessum kafla munt þú geta:

skrifa Lewistákn fyrir óhlaðnar frumeindir og jónir
teikna Lewisbyggingar sem sýna tengin í einföldum sameindum

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.

Tafla er sýnd sem hefur þrjá dálka og níu raðir. Fyrirsagnarröðin hljóðar svo: „Frumeindir“, „Rafeindaskipan“ og „Lewistákn“. Fyrsti dálkurinn inniheldur orðin „natríum“, „magnesíum“, „ál“, „kísill“, „fosfór“, „brennisteinn“, „klór“ og „argon“. Annar dálkurinn inniheldur táknin og tölurnar „[Ne] 3s í veldinu 2“, „[Ne] 3s í veldinu 2, 3p í veldinu 1“, „[Ne] 3s í veldinu 2, 3p í veldinu 2“, „[Ne] 3s í veldinu 2, 3p í veldinu 3“, „[Ne] 3s í veldinu 2, 3p í veldinu 4“, „[Ne] 3s í veldinu 2, 3p í veldinu 5“ og „[Ne] 3s í veldinu 2, 3p í veldinu 6“. Þriðji dálkurinn inniheldur Lewisbyggingar fyrir Na með einum punkti, Mg með tveimur punktum, Al með þremur punktum, Si með fjórum punktum, P með fimm punktum, S með sex punktum, Cl með sjö punktum og Ar með átta punktum. — **Mynd 7.9.** Lewistákn sem sýna fjölda gildisrafeinda fyrir hvert frumefni 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:

Tvær skýringarmyndir eru sýndar. Vinstra megin er Lewistákn natríums með einum punkti og ör til hægri að Na⁺ ásamt e⁻; merkingarnar eru „natríumfrumeind“ og „natríumkatjón“. Hægra megin er Lewistákn kalsíums með tveimur punktum og ör til hægri að Ca²⁺ ásamt 2e⁻; merkingarnar eru „kalsíumfrumeind“ og „kalsíumkatjón“.

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

Tvær skýringarmyndir eru sýndar. Vinstra megin er Lewistákn klórs með sjö punktum og e⁻, síðan ör til Cl⁻ með átta punktum; merkingarnar eru „klórfrumeind“ og „klóríðanjón“. Hægra megin er Lewistákn brennisteins með sex punktum og 2e⁻, síðan ör til S²⁻ með átta punktum; merkingarnar eru „brennisteinsfrumeind“ og „brennisteinsanjón“.

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:

Lewispunktamynd sýnir hvarf. Tvær klórfrumeindir, hvor með sjö punkta, eru aðskildar með plúsmerki. Ör vísar til Cl₂-sameindar þar sem klórfrumeindirnar deila einu rafeindapari og hvor hefur þrjú stök rafeindapör.

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:

Tvö sett af Lewisbyggingum eru sýnd. Vinstra megin er CCl₄ sýnt bæði með punktum og með fjórum eintengjum frá C til Cl; heitið „kolefnistetraklóríð“ stendur fyrir neðan. Hægra megin er SiH₄ sýnt bæði með punktum og með fjórum Si-H eintengjum; heitið „sílan“ stendur fyrir neðan.

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:

Þrjár Lewisbyggingar merktar „ammóníak“, „vatn“ og „vetnisflúoríð“ eru sýndar. Ammóníak hefur N-frumeind með einu stöku rafeindapari og þremur N-H eintengjum. Vatn hefur O-frumeind með tveimur stökum rafeindapörum og tveimur O-H eintengjum. Vetnisflúoríð hefur H-F eintengi og F-frumeind með þremur stökum rafeindapörum.

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):

Tvö pör Lewisbygginga eru sýnd. Vinstra parið sýnir formaldehýð, CH₂O, annars vegar með fjórum punktum milli C og O og hins vegar með C=O tvítengi. Hægra parið sýnir etýlen, C₂H₄, annars vegar með fjórum punktum milli kolefnisfrumeindanna og hins vegar með C=C tvítengi.

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

Tvö pör Lewisbygginga eru sýnd. Vinstra parið sýnir kolmónoxíð, CO, með sex punktum eða þrítengi milli C og O og einu stöku rafeindapari á hvorri frumeind. Hægra parið sýnir sýaníðjónina, CN⁻, með sex punktum eða þrítengi milli C og N og einu stöku rafeindapari á hvorri frumeind.

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:

Þrjú hvörf eru sýnd með Lewispunktamyndum: H og Br mynda HBr, tvær H-frumeindir og S mynda H₂S, og tvær N-frumeindir mynda N₂ með sex sameiginlegum rafeindum milli köfnunarefnisfrumeindanna. Stök rafeindapör eru sýnd á Br, S og N eftir því sem við á.

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

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.
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).
Dreifðu eftirstandandi rafeindum sem stökum rafeindapörum á endafrumeindirnar (að vetni undanskildu) þannig að áttareglan sé uppfyllt fyrir hverja frumeind.
Settu allar eftirstandandi rafeindir á miðjufrumeindina.
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, ${C H O_{2}}^{-},$ 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:

\begin{array}{l} {SiH}_{4} \\ Si: 4 gildisrafeindir/frumeind \times 1 frumeind = 4 \\ \underline{+ H: 1 gildisrafeind/frumeind \times 4 frumeindir = 4} \\ = 8 gildisrafeindir \end{array}

Fyrir neikvæða jón, eins og ${C H O_{2}}^{-},$ bætum við fjölda gildisrafeinda frumeindanna við fjölda neikvæðra hleðslna á jóninni (ein rafeind bætist við fyrir hverja neikvæða hleðslu):

\begin{array}{l} {CHO}_{2}^{−} \\ C: 4 gildisrafeindir/frumeind \times 1 frumeind = 4 \\ H: 1 gildisrafeind/frumeind \times 1 frumeind = 1 \\ O: 6 gildisrafeindir/frumeind \times 2 frumeindir = 12 \\ \underline{+ 1 rafeind til viðbótar = 1} \\ = 18 gildisrafeindir \end{array}

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:

\begin{array}{l} {NO}^{+} \\ N: 5 gildisrafeindir/frumeind \times 1 frumeind = 5 \\ O: 6 gildisrafeindir/frumeind \times 1 frumeind = 6 \\ \underline{+ −1 rafeind (jákvæð hleðsla) = −1} \\ = 10 gildisrafeindir \end{array}

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

\begin{array}{l} {OF}_{2} \\ O: 6 gildisrafeindir/frumeind \times 1 frumeind = 6 \\ \underline{+ F: 7 gildisrafeindir/frumeind \times 2 frumeindir = 14} \\ = 20 gildisrafeindir \end{array}

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:)

Fjórar Lewisbyggingar eru sýndar: SiH₄ með fjórum Si-H eintengjum, CHO₂⁻ með C-H eintengi, C-O eintengi og C=O tvítengi innan hornklofa með neikvæðri hleðslu, NO⁺ með N-O eintengi innan hornklofa með jákvæðri hleðslu, og OF₂ með tveimur O-F eintengjum.

Þegar nokkrar uppraðanir frumeinda eru mögulegar, eins og fyrir ${C H O_{2}}^{-},$ verðum við að nota tilraunagögn til að velja þá réttu. Almennt eru minna rafneikvæð frumefni líklegri til að vera miðjufrumeindir. Í ${C H O_{2}}^{-},$ tekur minna rafneikvæða kolefnisfrumeindin miðjustöðuna og súrefnis- og vetnisfrumeindirnar umlykja hana. Önnur dæmi eru P í POCl₃, S í SO₂ og Cl í ${Cl O_{4}}^{-} .$ 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:

Fjórar Lewisbyggingar eru sýndar: SiH₄ með fjórum Si-H eintengjum; CHO₂⁻ þar sem C tengist H og tveimur O-frumeindum með eintengjum og súrefnin hafa þrjú stök rafeindapör; NO⁺ með N-O eintengi og stökum rafeindapörum; og OF₂ með tveimur O-F eintengjum og stökum rafeindapörum á flúorfrumeindunum.

Settu allar eftirstandandi rafeindir á miðjufrumeindina.

Fyrir SiH₄, ${C H O_{2}}^{-}$ 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.

${C H O_{2}}^{-} :$ Við höfum dreift gildisrafeindunum sem stökum rafeindapörum á súrefnisfrumeindirnar, en kolefnisfrumeindina vantar átta rafeindir:

Tvær Lewisbyggingar með orðinu „gefur“ á milli eru sýndar fyrir CHO₂⁻. Vinstri byggingin, innan hornklofa með neikvæðri hleðslu, sýnir C eintengt við H og tvær O-frumeindir. Sveigð ör sýnir að stakt rafeindapar frá súrefni færist að kolefni. Hægri byggingin sýnir C=O tvítengi, C-O eintengi og C-H eintengi.

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:

Tvær Lewisbyggingar með orðinu „gefur“ á milli eru sýndar fyrir NO⁺. Vinstri byggingin, innan hornklofa með jákvæðri hleðslu, sýnir N-O eintengi og stök rafeindapör. Hægri byggingin sýnir N=O tvítengi; köfnunarefni hefur tvö stök rafeindapör og súrefni eitt.

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

Lewisbygging sýnir köfnunarefnisfrumeind með eitt stakt rafeindapar í þrítengi við súrefnisfrumeind sem hefur eitt stakt rafeindapar. Byggingin er innan hornklofa og hefur jákvæða hleðslu.

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

Reiknaðu fjölda gildisrafeinda. HCN: (1 $\times ⁠$ 1) + (4 $\times ⁠$ 1) + (5 $\times ⁠$ 1) = 10 H₃CCH₃: (1 $\times ⁠$ 3) + (2 $\times ⁠$ 4) + (1 $\times ⁠$ 3) = 14 HCCH: (1 $\times ⁠$ 1) + (2 $\times ⁠$ 4) + (1 $\times ⁠$ 1) = 10 NH₃: (5 $\times ⁠$ 1) + (3 $\times ⁠$ 1) = 8
Teiknaðu grindbyggingu og tengdu frumeindirnar með eintengjum. Mundu að H er aldrei miðjufrumeind:
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:

Fjórar Lewisbyggingar eru sýndar. HCN hefur C-H og C-N eintengi og þrjú stök rafeindapör á N. H₃CCH₃ hefur C-C eintengi og þrjú H á hvoru kolefni. HCCH hefur C-C eintengi, eitt H á hvoru kolefni og eitt stakt rafeindapar á hvoru C. NH₃ hefur eitt stakt rafeindapar á N og þrjú N-H eintengi.

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

Fjórar Lewisbyggingar eru sýndar. Fyrir HCN sýna sveigðar örvar rafeindapör færast frá Nað C og gefa <span class=

C \equiv N

þrítengi. H₃CCH₃ er sýnt með C-C eintengi og C-H eintengjum. Fyrir HCCH sýna sveigðar örvar rafeindapör færast milli kolefnanna og gefa

C \equiv C

þrítengi. NH₃ er sýnt með einu stöku rafeindapari á N og þremur N-H eintengjum." width="975" height="200">

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?

Hvernig vísindagreinar tengjast

Efnafræði fúlleren-efna

Kolefni, í ýmsum formum og efnasamböndum, hefur verið þekkt frá forsögulegum tíma. Sót hefur verið notað sem litarefni (oft kallað kolsvart) í þúsundir ára. Viðarkol, sem eru rík af kolefni, hafa sömuleiðis verið mikilvæg fyrir þróun mannkyns. Kolefni er lykilviðbót við járn í stálgerð og demantar hafa sérstakan sess bæði í menningu og iðnaði. Með allri þessari notkun fylgdu miklar rannsóknir, sérstaklega með tilkomu lífrænnar efnafræði. Og jafnvel þótt öll þekkt form og hlutverk frumefnisins væru ljós, fóru vísindamenn að uppgötva möguleika á enn fjölbreyttari og stærri kolefnisbyggingum.

Strax á sjöunda áratug síðustu aldar fóru efnafræðingar að taka eftir flóknum kolefnisbyggingum, en þeir höfðu lítil gögn til stuðnings hugmyndum sínum og verk þeirra rötuðu ekki í meginstrauminn. Eiji Osawa spáði fyrir um kúlulaga form út frá athugunum á svipaðri byggingu, en verk hans voru lítt þekkt utan Japans. Á sama hátt var ítarlegasta framlagið líklega frá tölvuefnafræðingnum Elenu Galpern, sem árið 1973 spáði fyrir um afar stöðuga sameind með 60 kolefnisfrumeindum; verk hennar voru einnig einangruð við heimaland hennar Rússland. Síðar leitaðist Harold Kroto, í samstarfi við kanadíska útvarpsstjörnufræðinga, við að leiða í ljós eðli langra kolefniskeðja sem höfðu fundist í geimnum milli stjarnanna.

Kroto vildi nota vél sem teymi Richards Smalley við Rice-háskóla hafði þróað til að læra meira um þessar byggingar. Ásamt Robert Curl, sem hafði kynnt þá, og þremur framhaldsnemum — James Heath, Sean O’Brien og Yuan Liu — framkvæmdu þeir viðamikla röð tilrauna sem leiddu til mikilvægrar uppgötvunar.

Árið 1996 voru Nóbelsverðlaunin í efnafræði veitt Richard Smalley (mynd 7.11), Robert Curl og Harold Kroto fyrir vinnu þeirra við að uppgötva nýtt form kolefnis, C₆₀ buckminsterfúlleren-sameindina (mynd 7.1). Heill flokkur efnasambanda, þar á meðal kúlur og rör af ýmsu formi, uppgötvaðist út frá C₆₀. Þessi tegund sameinda, sem kallast fúlleren, lofar góðu í margvíslegum notkunarmöguleikum. Vegna stærðar sinnar og lögunar geta fúlleren-efni hjúpað aðrar sameindir, svo þau hafa sýnt möguleika í ýmsum notkunarmöguleikum, allt frá vetnisgeymslu til markvissra lyfjagjafakerfa. Þau búa einnig yfir einstökum rafeinda- og ljóseiginleikum sem hafa nýst vel í sólarknúnum tækjum og efnafræðilegum skynjurum.

Mynd 7.11. Richard Smalley (1943–2005), prófessor í eðlisfræði, efnafræði og stjörnufræði við Rice-háskóla, var einn helsti talsmaður fúlleren-efnafræði. Við andlát hans árið 2005 heiðraði öldungadeild Bandaríkjaþings hann sem „föður nanótækninnar“. (mynd: Orkumálaráðuneyti Bandaríkjanna)

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.

Tvær Lewisbyggingar eru sýndar. Sú vinstri sýnir BeH₂ með beryllíum eintengt við tvær vetnisfrumeindir. Sú hægri sýnir BF₃ með bór eintengt við þrjár flúorfrumeindir, sem hver hefur þrjú stök rafeindapör.

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:

Hvarf er sýnt með þremur Lewisbyggingum. BF₃, þar sem bór er eintengt við þrjár flúorfrumeindir, hvarfast við NH₃, þar sem köfnunarefni hefur eitt stakt rafeindapar og þrjú N-H eintengi. Ör leiðir að myndefni þar sem B-N tengi hefur myndast; það tengi er litað rautt.

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.

Tvær Lewisbyggingar eru sýndar. Sú vinstri sýnir fosfórfrumeind sem er eintengd við fimm klórfrumeindir, sem hver hefur þrjú stök rafeindapör. Sú hægri sýnir brennisteinsfrumeind sem er eintengd við sex flúorfrumeindir, sem hver hefur þrjú stök rafeindapör. — **Mynd 7.12.** Í PCl₅ deilir miðjufrumeindin fosfór fimm pörum rafeinda. Í SF₆ deilir brennisteinn sex pörum rafeinda.

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

Tvær Lewisbyggingar eru sýndar. Sú vinstri sýnir IF₅, þar sem joð hefur eitt stakt rafeindapar og fimm I-F eintengi. Sú hægri sýnir XeF₄, þar sem xenon hefur tvö stök rafeindapör og fjögur Xe-F eintengi.

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.

Reiknaðu fjölda gildisrafeinda: XeF₂: 8 + (2 $\times ⁠$ 7) = 22 XeF₆: 8 + (6 $\times ⁠$ 7) = 50
Teiknaðu grindbyggingu þar sem frumeindirnar eru tengdar með eintengjum. Xenon verður miðjufrumeindin þar sem flúor getur ekki verið miðjufrumeind:
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:

Þessi bygging sýnir XeF₆: xenon er eintengt við sex flúorfrumeindir, sem hver hefur þrjú stök rafeindapör.

Prófaðu þig

Halógenar mynda flokk efnasambanda sem kallast millihalógenar, þar sem halógenfrumeindir tengjast hver annarri með samgildum tengjum. Skrifaðu Lewisbyggingar fyrir millihalógenana BrCl₃ og ${I {Cl}_{4}}^{-} .$