מבנה לואיס: מה זה, איך להכין אותו, דוגמאות - כִּימִיָה - 2025

מבנה לואיס הוא כל מצג של קשרים קוולנטיים בתוך מולקולה או יון. בתוכה, קשרים ואלקטרונים אלה מיוצגים על ידי נקודות או מקפים ארוכים, אם כי רוב הזמן הנקודות תואמות את האלקטרונים הלא-משותפים ואת המקפים לקשרים הקוואלנטיים.

אבל מהו קשר קוולנטי? זהו שיתוף של זוג אלקטרונים (או נקודות) בין שני אטומים בטבלה המחזורית. בעזרת דיאגרמות אלה ניתן לצייר שלדים רבים לתרכובת נתונה. מי מהם הנכון יהיה תלוי במטענים הרשמיים ובאופי הכימי של האטומים עצמם.

תרכובת 2-ברומופרופן. מאת בן מילס, מ- Wikimedia Commons.

בתמונה למעלה יש לך דוגמא למה זה מבנה של לואיס. במקרה זה התרכובת המיוצגת היא 2-ברומופרופן. ניתן לראות את הנקודות השחורות המתאימות לאלקטרונים, הן אלה שמשתתפים בקשרים והן אלה שאינם משותפים (הזוג היחיד שמעל מעל Br).

אם זוגות הנקודות ":" הוחלפו על ידי מקף ארוך "-", אז שלד הפחמן של 2-ברומופרופן היה מיוצג כ- C - C - C. מדוע זה לא יכול להיות C - H - H - C במקום "המסגרת המולקולרית" המצוירת? התשובה נעוצה במאפיינים האלקטרוניים של כל אטום.

לפיכך, מכיוון שלמימן יש אלקטרון בודד ומסלולית יחידה זמינים למילוי, הוא יוצר רק קשר קוולנטי אחד. לכן הוא לעולם אינו יכול ליצור שני קשרים (לא להתבלבל עם קשרי מימן). מצד שני, התצורה האלקטרונית של אטום הפחמן מאפשרת (ומחייבת) היווצרות של ארבעה קשרים קוולנטים.

מסיבה זו, על מבני לואיס שבהם C ו- H מתערבים להיות קוהרנטיים ולכבד את מה שנשלט על ידי התצורות האלקטרוניות שלהם. בדרך זו, אם יש לפחמן יותר מארבעה קשרים, או מימן יותר מאחד, אז ניתן למחוק את הסקיצה ולהתחיל אחד חדש העומד בקנה אחד עם המציאות.

כאן מופיע אחד המוטיבים העיקריים או ההמלצות של מבנים אלה, שהוצג על ידי גילברט ניוטון לואיס בחיפושו אחר ייצוגים מולקולריים הנאמנים לנתונים ניסויים: המבנה המולקולרי והמטענים הפורמליים.

ניתן לייצג את כל התרכובות הקיימות על ידי מבנים של לואיס, נותנים קירוב ראשון לאופן בו יכולה להיות המולקולה או היונים.

מהו מבנה לואיס?

זהו מבנה מייצג של אלקטרונים הערכיות והקשרים הקוואלנטים במולקולה או יון המשמשים לקבל מושג על המבנה המולקולרי שלה.

עם זאת, מבנה זה אינו מצליח לחזות כמה פרטים חשובים כמו הגיאומטריה המולקולרית של האטום וסביבתו (אם הוא ריבוע, מישור טריגונאלי, דו-פירמידי וכו ').

כמו כן, היא לא אומרת דבר על מה הכלאה כימית של האטומים שלה, אבל היא כן אומרת היכן נמצאים הקשרים הכפולים או המשולשים ואם יש תהודה במבנה.

בעזרת מידע זה ניתן להתווכח על תגובתיות של תרכובת, על יציבותו, כיצד ובאיזו מנגנון המולקולה תגיע לאחר שהיא תגיב.

מסיבה זו, מבני לואיס לא מפסיקים להתחשב בהם והם מועילים מאוד, מכיוון שניתן למצות בהם למידה כימית חדשה.

איך זה נעשה?

כדי לצייר או לשרטט מבנה, פורמולה או תרשים לואיס, הנוסחה הכימית של התרכובת חיונית. בלעדיו, אינך יכול אפילו לדעת מהם האטומים המרכיבים אותו. ברגע שאיתו משתמשים בטבלה המחזורית לאיתור לאילו קבוצות הם שייכים.

לדוגמה, אם יש לך את המתחם C ₁₄ O ₂ N _3, היית צריך לחפש את הקבוצות בהן פחמן, חמצן וחנקן. לאחר סיום זה, לא משנה מה המתחם, מספר האלקטרונים של הערך נשאר זהה, במוקדם או במאוחר הם משוננים.

לפיכך, פחמן שייך לקבוצה IVA, חמצן לקבוצה VIA וחנקן ל- VA. מספר הקבוצה שווה למספר האלקטרונים של עריכה (נקודות). למשותף לכולם נטייה למלא את שמיכת קליפות הערכיות.

מהו כלל שמינייה?

זה אומר שיש נטייה לאטומים להשלים את רמת האנרגיה שלהם עם שמונה אלקטרונים להשגת יציבות. זה חל על כל האלמנטים הלא מתכתיים או על אלה שנמצאים בגושי הסופ של הטבלה המחזורית.

עם זאת, לא כל האלמנטים מצייתים לכלל השמינייה. מקרים מסוימים הם מתכות מעבר, שהמבנים שלהן מבוססים יותר על מטענים רשמיים ומספר הקבוצה שלהם.

מספר האלקטרונים במעטפת הערכיות של אלמנטים לא מתכתיים, אלה שבהם ניתן להפעיל את מבנה לואיס.

החלת הנוסחה המתמטית

בידיעה לאיזו קבוצה האלמנטים שייכים, ולכן מספר האלקטרונים הערכיים הזמינים ליצירת קשרים, אנו ממשיכים עם הנוסחה הבאה, שמועילה לשרטוט מבנים של לואיס:

C = N - D

כאשר C פירושו אלקטרונים משותפים, כלומר אלה שמשתתפים בקשרים קוולנטיים. מכיוון שכל קשר מורכב משני אלקטרונים, אז C / 2 שווה למספר הקשרים (או המקפים) שצריך למשוך.

N הם האלקטרונים הנחוצים, שעל האטום להיות במעטפת הערכיות שלו כדי להיות איזואלקטריים לגז האצילי שעוקב אחריו באותה תקופה. עבור כל האלמנטים שאינם H (מכיוון שהיא מחייבת שני אלקטרונים להשוואה לה) הם צריכים שמונה אלקטרונים.

D הם האלקטרונים הזמינים, אשר נקבעים על ידי הקבוצה או מספרים של אלקטרונים ערכיים. לפיכך, מכיוון ש Cl שייך לקבוצה VIIA, עליו להיות מוקף בשבע נקודות או אלקטרונים שחורים, ויש לזכור שצריך זוג כדי ליצור קשר.

לאחר שיש את האטומים, הנקודות שלהם ומספר קשרי ה- C / 2, ניתן לאלתר מבנה של לואיס. אך בנוסף, יש צורך לקבל מושג של "כללים" אחרים.

היכן למקם את האטומים הפחות אלקטרוניים

האטומים האלקטרוניים הנמוכים ביותר ברוב המוחלט של המבנים תופסים את המרכזים. מסיבה זו, אם יש לך תרכובת עם אטומי P, O ו- F, על כן P צריך להיות ממוקם במרכז המבנה ההיפותטי.

כמו כן, חשוב לציין כי בדרך כלל הידרוגנים נקשרים לאטומים אלקטרוניים מאוד. אם יש לך Zn, H ו- O במתחם, H ילך יחד עם O ולא עם Zn (Zn - O - H ולא H - Zn-O). ישנם חריגים לכלל זה, אך בדרך כלל הוא מתרחש עם אטומים לא מתכתיים.

סימטריה ועומסים רשמיים

לטבע עדיפות גבוהה ליצירת מבנים מולקולריים שהם סימטריים ככל האפשר. זה עוזר להימנע מיצירת מבנים מבולגנים, כאשר האטומים מסודרים בצורה כזו שהם לא מצייתים לדפוס כלשהו לכאורה.

לדוגמה, עבור המתחם C ₂ A ₃ , בו A הוא אטום פיקטיבי, המבנה הסביר ביותר יהיה A - C - A - C - A. שימו לב לסימטריה של דפנותיה, שתי השתקפויותיו של האחר.

מטענים רשמיים ממלאים גם תפקיד חשוב בעת ציור מבנים של לואיס, במיוחד עבור יונים. כך ניתן להוסיף או להסיר קשרים כך שהמטען הפורמלי של אטום תואם את המטען הכולל המוצג. קריטריון זה מועיל מאוד לתרכובות מתכת מעבר.

מגבלות על כלל שמינייה

ייצוג טריפלואוריד מאלומיניום, תרכובת שאינה יציבה. שני האלמנטים מורכבים משישה אלקטרונים, המייצרים שלושה קשרים קוולנטים, כאשר עליהם להיות שמונה כדי להשיג יציבות. מקור: גבריאל בוליבר

לא כל החוקים מתקיימים, מה שלא אומר בהכרח שהמבנה שגוי. דוגמאות אופייניות לכך נצפות בתרכובות רבות בהן מעורבים יסודות קבוצת IIIA (B, Al, Ga, In, Tl). טריפלואוריד אלומיניום (AlF ₃ ) נחשב כאן במיוחד .

להחיל את הנוסחה המתוארת לעיל, יש לנו:

D = 1 × 3 (אטום אלומיניום אחד) + 7 × 3 (שלושה אטומי פלואור) = 24 אלקטרונים

כאן 3 ו- 7 הם הקבוצות או המספרים האלקטרונים של הערך הזמינים לאלומיניום ופלואור. ואז, בהתחשב באלקטרונים הנחוצים N:

N = 8 × 1 (אטום אלומיניום אחד) + 8 × 3 (שלושה אטומי פלואור) = 32 אלקטרונים

ולכן האלקטרונים המשותפים הם:

C = N - D

C = 32 - 24 = 8 אלקטרונים

C / 2 = 4 קישורים

מכיוון שאלומיניום הוא האטום האלקטרוניטיבי הכי פחות, עליו להציב אותו במרכז, ופלואור מהווה רק קשר אחד. בהתחשב בזה יש לנו את מבנה לואיס של AlF ₃ (תמונה עליונה). אלקטרונים משותפים מודגשים בנקודות ירוקות כדי להבדיל ביניהם לבין אלה שאינם משותפים.

למרות שחישובים מנבאים שיש ליצור 4 קשרים, אלומיניום חסר אלקטרונים מספיקים וגם אין אטום פלואור רביעי. כתוצאה מכך אלומיניום אינו עומד בכלל האוקטט ועובדה זו אינה באה לידי ביטוי בחישובים.

דוגמאות למבני לואיס

יוֹד

ללא מתכות של יוד יש שבעה אלקטרונים כל אחד, ולכן על ידי שיתוף של אחד מהאלקטרונים הללו כל אחד, הם מייצרים קשר קוולנטי המספק יציבות. מקור: גבריאל בוליבר

יוד הוא הלוגן ולכן הוא שייך לקבוצה VIIA. לפיכך יש לו שבעה אלקטרונים של עריכת ערך, וניתן לייצג את המולקולה הדיאטומית הפשוטה תוך אילתור או יישום של הנוסחה:

D = 2 × 7 (שני אטומי יוד) = 14 אלקטרונים

N = 2 × 8 = 16 אלקטרונים

C = 16 - 14 = 2 אלקטרונים

C / 2 = קישור 1

החל מ -14 אלקטרונים 2 משתתפים בקשר הקוולינטי (נקודות ירוקות ונקודה), 12 נותרו כלא משותפים; ומכיוון שהם שני אטומי יוד, 6 צריך להיות מחולק לאחד מהם (האלקטרונים הערכיים שלו). רק מבנה זה אפשרי במולקולה זו, שהגיאומטריה שלה היא לינארית.

אַמוֹנִיָה

לחנקן יש 5 אלקטרונים, ואילו מימן בלבד 1. די בכדי להשיג יציבות על ידי יצירת שלושה קשרים קוולנטיים, המורכבים מאלקטרון אחד מ- N ומשני אחר H. מקור: גבריאל בוליבר

מהו מבנה לואיס למולקולת האמוניה? מכיוון שחנקן הוא מהקבוצה VA יש לו חמישה אלקטרונים ערכיים ואז:

D = 1 × 5 (אטום חנקן אחד) + 1 × 3 (שלושה אטומי מימן) = 8 אלקטרונים

N = 8 × 1 + 2 × 3 = 14 אלקטרונים

C = 14 - 8 = 6 אלקטרונים

C / 2 = 3 קישורים

הפעם הנוסחה נכונה עם מספר הקישורים (שלושה קישורים ירוקים). כאשר 6 מתוך 8 האלקטרונים הזמינים משתתפים בקשרים, נותר זוג לא משותף שנמצא מעל אטום החנקן.

מבנה זה אומר את כל מה שצריך לדעת על בסיס האמוניה. על ידי יישום הידע של TEV ו- TRPEV, ניתן להסיק כי הגיאומטריה מעוותת על ידי הזוג החופשי חנקן וכי ההכלאה של זה היא אפוא sp ³ .

ג

מקור: גבריאל בוליבר

הנוסחה תואמת לתרכובת אורגנית. לפני יישום הפורמולה, יש לזכור כי הידרוגנים מהווים קשר יחיד, חמצן שניים, פחמן ארבע וכי על המבנה להיות סימטרי ככל האפשר. בהמשך לדוגמאות הקודמות, יש לנו:

D = 6 × 1 (שישה אטומי מימן) + 6 × 1 (אטום חמצן) + 4 × 2 (שני אטומי פחמן) = 20 אלקטרונים

N = 6 × 2 (שישה אטומי מימן) + 8 × 1 (אטום חמצן אחד) + 8 × 2 (שני אטומי פחמן) = 36 אלקטרונים

C = 36 - 20 = 16 אלקטרונים

C / 2 = 8 קישורים

מספר המקפים הירוקים תואם את 8 הקישורים המחושבים. המבנה המוצע של לואיס הוא של אתנול CH ₃ CH ₂ OH. עם זאת, זה היה גם היה נכון להציע את המבנה של דימתיל אתר CH ₃ Och ₃ , וזה אפילו יותר סימטרי.

מי מהשניים נכון יותר? שניהם כן באותה מידה, מכיוון שהמבנים נוצרו כאיזומרים חומרים מבניים עם אותה נוסחה מולקולרית C ₂ H ₆ O.

יון פרמנגנט

מקור: גבריאל בוליבר

המצב מורכב כאשר רצוי ליצור מבנים של לואיס לתרכובות מתכת מעבר. המנגן שייך לקבוצה VIIB, כמו כן, יש להוסיף את האלקטרון של המטען השלילי בין האלקטרונים הזמינים. החלת הנוסחה שיש לנו:

D = 7 × 1 (אטום מנגן אחד) + 6 × 4 (ארבעה אטומי חמצן) + מטען פעמים אלקטרונים = 32 אלקטרונים

N = 8 × 1 + 8 × 4 = 40 אלקטרונים

C = 40 - 32 = 8 אלקטרונים משותפים

C / 2 = 4 קישורים

עם זאת, למתכות מעבר יכולות להיות יותר משמונה אלקטרונים בעלי ערך. יתר על כן, כדי שה- MnO ₄ ^- ion יציג את המטען השלילי, יש צורך להוריד את המטענים הרשמיים של אטומי החמצן. אֵיך? דרך הקשרים הכפולים.

אם כל הקשרים של MnO ₄ ^- היו פשוטים, המטענים הרשמיים של אוקסיגנים היו שווים ל -1. מכיוון שישנם ארבעה, המטען המתקבל יהיה -4 עבור האניון, וזה ברור שאינו נכון. כאשר נוצרים הקשרים הכפולים מובטח כי לחמצן בודד יש מטען פורמלי שלילי, המשתקף ביון.

ביון הפרמנגנט ניתן לראות שיש תהודה. זה מרמז כי הקשר היחיד Mn-O היחיד ממוקד בין ארבעת אטומי ה- O.

יון דיכרומט

מקור: גבריאל בוליבר

לבסוף, מקרה דומה מתרחש ביון הדיכרומט (Cr ₂ O ₇ ). כרום שייך לקבוצה VIB, ולכן יש לו שישה אלקטרונים בעלי ערך. החלת הנוסחה שוב:

D = 6 × 2 (שני אטומי כרום) + 6 × 7 (שבעה אטומי חמצן) + 2 אלקטרונים פי המטען הדיוואלי = 56 אלקטרונים

N = 8 × 2 + 8 × 7 = 72 אלקטרונים

C = 72 - 56 = 16 אלקטרונים משותפים

C / 2 = 8 קישורים

אבל אין 8 קשרים, אלא 12. מאותן הסיבות שנמצאו, ביון הפרמנגנאט יש להשאיר שני אוקסיגנים עם מטענים פורמליים שליליים שמסכמים עד -2, המטען של היון הדיכרומט.

כך מתווספים כמה שיותר קשרים כפולים לפי הצורך. בדרך זו אנו מגיעים למבנה לואיס של התמונה עבור Cr ₂ O ₇ ^2– .

הפניות

1. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. כִּימִיָה. (מהדורה 8). לימוד CENGAGE, עמ '251.
2. מבנים של לואיס. נלקח מ: chemed.chem.purdue.edu
3. סטיבן א. הרדינגר, המחלקה לכימיה וביוכימיה, UCLA. (2017). מבנה לואיס. נלקח מ: chem.ucla.edu
4. וויין ברסלין. (2012). ציור לואיס מבנים. נלקח מ: terpconnect.umd.edu
5. מנהל האתר. (2012). מבנים של לואיס ("נקודת אלקטרונים"). המחלקה לכימיה, אוניברסיטת מיין, אורונו. נלקח מ: chemistry.umeche.maine.edu
6. לנקסטר, שון. (25 באפריל 2017). כיצד לקבוע כמה נקודות נמצאות במבנה הנקודה של לואיס של אלמנט. מדע. התאושש מ: sciencing.com