7.3 Lewis-tákn og Lewis-myndir

Hingað til í þessum kafla höfum við fjallað um hinar ýmsu gerðir tengja sem myndast milli frumeinda og/eða jóna. Í öllum tilvikum fela þessi tengi í sér samnýtingu eða flutning gildisrafeinda milli frumeinda. Í þessum kafla munum við kanna hina dæmigerðu aðferð til að sýna gildisrafeindir og efnatengi, þ.e. Lewis-tákn og Lewis-myndir.

Lewis-tákn

Við notum Lewis-tákn til að lýsa gildisrafeindaskipan frumeinda og eineindajóna. Lewis-tákn (e. lewis symbol) samanstendur af tákni frumefnis umkringdu einum punkti fyrir hverja gildisrafeind þess:

A Lewis structure of calcium is shown. A lone pair of electrons are shown to the right of the symbol.

Mynd 7.9 sýnir Lewis-tákn fyrir frumefnin í þriðju lotu lotukerfisins.

A table is shown that has three columns and nine rows. The header row reads “Atoms,” “Electronic Configuration,” and “Lewis Symbol.” The first column contains the words “sodium,” “magnesium,” “aluminum,” “silicon,” “phosphorus,” “sulfur,” “chlorine,” and “argon.” The second column contains the symbols and numbers “[ N e ] 3 s superscript 2,” “[ N e ] 3 s superscript 2, 3 p superscript 1,” “[ N e ] 3 s superscript 2, 3 p superscript 2,” “[ N e ] 3 s superscript 2, 3 p superscript 3,” “[ N e ] 3 s superscript 2, 3 p superscript 4,” “[ N e ] 3 s superscript 2, 3 p superscript 5,” and “[ N e ] 3 s superscript 2, 3 p superscript 6.” The third column contains Lewis structures for N a with one dot, M g with two dots, A l with three dots, Si with four dots, P with five dots, S with six dots, C l with seven dots, and A r with eight dots. — Mynd 7.9 Lewis-tákn sem sýna fjölda gildisrafeinda fyrir hvert frumefni í þriðju lotu lotukerfisins.

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

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

Mynd 7.10 sýnir notkun Lewis-tákna til að sýna flutning rafeinda við myndun jónaefnasambanda.

A table is shown with four rows. The header row reads “Metal,” “Nonmetal,” and “Ionic Compound.” The second row shows the Lewis structures of a reaction. A sodium symbol with one dot, a plus sign, and a chlorine symbol with seven dots lie to the left of a right-facing arrow. To the right of the arrow a sodium symbol with a superscripted plus sign is drawn next to a chlorine symbol with eight dots surrounded by brackets with a superscripted negative sign. One of the dots on the C l atom is red. The terms “sodium atom,” “chlorine atom,” and “sodium chloride ( sodium ion and chloride ion )” are written under the reaction. The third row shows the Lewis structures of a reaction. A magnesium symbol with two red dots, a plus sign, and an oxygen symbol with six dots lie to the left of a right-facing arrow. To the right of the arrow a magnesium symbol with a superscripted two and a plus sign is drawn next to an oxygen symbol with eight dots, two of which are red, surrounded by brackets with a superscripted two a and a negative sign. The terms “magnesium atom,” “oxygen atom,” and “magnesium oxide ( magnesium ion and oxide ion )” are written under the reaction. The fourth row shows the Lewis structures of a reaction. A calcium symbol with two red dots, a plus sign, and a fluorine symbol with a coefficient of two and seven dots lie to the left of a right-facing arrow. To the right of the arrow a calcium symbol with a superscripted two and a plus sign is drawn next to a fluorine symbol with eight dots, one of which is red, surrounded by brackets with a superscripted negative sign and a subscripted two. The terms “calcium atom,” “fluorine atoms,” and “calcium fluoride ( calcium ion and two fluoride ions )” are written under the reaction. — Mynd 7.10 Katjónir myndast þegar frumeindir tapa rafeindum, sem táknað er með færri Lewis-punktum, en anjónir myndast þegar frumeindir fá rafeindir. Heildarfjöldi rafeinda breytist ekki.

Lewis-myndir

Áttureglan

Hinar halógensameindirnar (F₂, Br₂, I₂ og At₂) mynda tengi eins og þau í klórsameindinni: eitt eintengi milli frumeinda og þrjú rafeindapör á hverri frumeind. Þetta gerir hverri halógenfrumeind kleift að hafa rafeindaskipan eðalgass. Sú tilhneiging aðalflokka frumeinda til að mynda nægilega mörg tengi til að fá átta gildisrafeindir er þekkt sem áttureglan (e. octet rule).

Oft er hægt að spá fyrir um fjölda tengja sem frumeind getur myndað út frá þeim fjölda rafeinda sem þarf til að ná áttund (átta gildisrafeindum); þetta á sérstaklega við um málmleysingja í annarri lotu lotukerfisins (C, N, O og F). Til dæmis hefur hver frumeind í hópi 14 fjórar rafeindir í ysta hvolfi sínu og þarf því fjórar rafeindir í viðbót til að ná áttund. Hægt er að fá þessar fjórar rafeindir með því að mynda fjögur samgild tengi, eins og sýnt er hér fyrir kolefni í CCl₄ (koltetraklóríði) og kísil í SiH₄ (silani). Þar sem vetni þarf aðeins tvær rafeindir til að fylla gildishvolf sitt er það undantekning frá áttureglunni. Hliðarmálmar og innri hliðarmálmar fylgja heldur ekki áttureglunni:

Two sets of Lewis dot structures are shown. The left structures depict five C l symbols in a cross shape with eight dots around each, the word “or” and the same five C l symbols, connected by four single bonds in a cross shape. The name “Carbon tetrachloride” is written below the structure. The right hand structures show a S i symbol, surrounded by eight dots and four H symbols in a cross shape. The word “or” separates this from an S i symbol with four single bonds connecting the four H symbols in a cross shape. The name “Silane” is written below these diagrams.

Frumefni í hópi 15, eins og nitur, hafa fimm gildisrafeindir í Lewis-tákni frumeindarinnar: eitt rafeindapar og þrjár óparaðar rafeindir. Til að ná áttund mynda þessar frumeindir þrjú samgild tengi, eins og í NH₃ (ammoníaki). Súrefni og aðrar frumeindir í hópi 16 ná áttund með því að mynda tvö samgild tengi:

Three Lewis structures labeled, “Ammonia,” “Water,” and “Hydrogen fluoride” are shown. The left structure shows a nitrogen atom with a lone pair of electrons and single bonded to three hydrogen atoms. The middle structure shows an oxygen atom with two lone pairs of electrons and two singly-bonded hydrogen atoms. The right structure shows a hydrogen atom single bonded to a fluorine atom that has three lone pairs of electrons.

Tvítengi og þrítengi

Eins og áður hefur komið fram, þegar par frumeinda deilir einu rafeindapari, köllum við það eintengi. Hins vegar gæti par frumeinda þurft að deila fleiri en einu rafeindapari til að ná tilskilinni áttund. Tvítengi (e. double bond) myndast þegar tveimur rafeindapörum er deilt á milli tveggja frumeinda, eins og milli kolefnis- og súrefnisfrumeindanna í CH₂O (formaldehýði) og milli tveggja kolefnisfrumeinda í C₂H₄ (etýleni):

Two pairs of Lewis structures are shown. The left pair of structures shows a carbon atom forming single bonds to two hydrogen atoms. There are four electrons between the C atom and an O atom. The O atom also has two pairs of dots. The word “or” separates this structure from the same diagram, except this time there is a double bond between the C atom and O atom. The name, “Formaldehyde” is written below these structures. On the right are two more structures. The left shows two C atoms with four dots in between them and each forming single bonds to two H atoms. The word “or” lies to the left of the second structure, which is the same except that the C atoms form double bonds with one another. The name, “Ethylene” is written below these structures.

Þrítengi (e. triple bond) myndast þegar þremur rafeindapörum er deilt á milli tveggja frumeinda, eins og í kolmónoxíði (CO) og sýaníðjóninni (CN^–):

Two pairs of Lewis structures are shown. The left pair of structures show a C atom and an O atom with six dots in between them and a lone pair on each. The word “or” and the same structure with a triple bond in between the C atom and O atom also are shown. The name “Carbon monoxide” is written below this structure. The right pair of structures show a C atom and an N atom with six dots in between them and a lone pair on each. The word “or” and the same structure with a triple bond in between the C atom and N atom also are shown. The name “Cyanide ion” is written below this structure.

Við notum einnig Lewis-tákn til að gefa til kynna myndun samgildra tengja, sem eru sýnd í Lewis-myndum (e. lewis structures), teikningum sem lýsa tengslum í sameindum og fjöleindajónum. Til dæmis, þegar tvær klórfrumeindir mynda klórsameind, deila þær einu rafeindapari:

A Lewis dot diagram shows a reaction. Two chlorine symbols, each surrounded by seven dots are separated by a plus sign. The dots on the first atom are all black and the dots on the second atom are all read. The phrase, “Chlorine atoms” is written below. A right-facing arrow points to two chlorine symbols, each with six dots surrounding their outer edges and a shared pair of dots in between. One of the shared dots is black and one is red. The phrase, “Chlorine molecule” is written below.

Lewis-myndin gefur til kynna að hver Cl-frumeind hafi þrjú rafeindapör sem ekki eru notuð í tengslum (kölluð rafeindapör (e. lone pairs)) og eitt sameiginlegt rafeindapar (skrifað á milli frumeindanna). Strik (eða lína) er stundum notað til að tákna sameiginlegt rafeindapar:

Two Lewis structures are shown. The left-hand structure shows two H atoms connected by a single bond. The right-hand structure shows two C l atoms connected by a single bond and each surrounded by six dots.

Eitt sameiginlegt rafeindapar er kallað eintengi (e. single bond). Hver Cl-frumeind hefur víxlverkun við átta gildisrafeindir: þær sex í rafeindapörunum og þær tvær í eintenginu.

Að skrifa Lewis-myndir með áttureglunni

Ákvarðaðu heildarfjölda gildisrafeinda (rafeinda á ysta hveli) í sameindinni eða jóninni.
- Fyrir sameind leggjum við saman fjölda gildisrafeinda á hverri frumeind í sameindinni:
- Fyrir neikvæða jón, eins og ${{\text{CHO}}_{2}^{\text{−}},}$ , leggjum við saman fjölda gildisrafeinda á frumeindunum við fjölda neikvæðra hleðslna á jóninni (einni rafeind er bætt við fyrir hverja staka neikvæða hleðslu):
- Fyrir jákvæða jón, eins og NO⁺, leggjum við saman fjölda gildisrafeinda á frumeindunum í jóninni og drögum síðan fjölda jákvæðra hleðslna á jóninni frá heildarfjölda gildisrafeinda (ein rafeind tapast fyrir hverja staka jákvæða hleðslu):
- Þar sem OF₂ er hlutlaus sameind leggjum við einfaldlega saman fjölda gildisrafeinda:
Teiknaðu beinagrindarmynd af sameindinni eða jóninni, raðaðu frumeindunum í kringum miðjufrumeind og tengdu hverja frumeind við miðjufrumeindina með eintengi (einu rafeindapari). (Athugaðu að við táknum jónir með hornklofum utan um myndina og sýnum hleðsluna fyrir utan hornklofana:)

Þegar nokkrar mögulegar uppraðanir frumeinda eru fyrir hendi, eins og fyrir ${{\text{CHO}}_{2}^{\text{−}},}$ , verðum við að nota tilraunagögn til að velja þá réttu. Almennt er líklegra að frumefni með minni rafneikvæðni séu miðjufrumeindir. Í ${{\text{CHO}}_{2}^{\text{−}},}$ er kolefnisfrumeindin með minni rafneikvæðni í miðjunni og súrefnis- og vetnisfrumeindirnar umhverfis hana. Önnur dæmi eru P í POCl₃, S í SO₂ og Cl í ${{{\text{ClO}}}_{4}^{\text{−}}.}$ . Undantekning er að vetni er nánast aldrei miðjufrumeind. Flúor, sem er rafneikvæðasta frumefnið, getur heldur ekki verið miðjufrumeind.
Deildu rafeindunum sem eftir eru sem rafeindapörum á endastæðu frumeindirnar (nema vetni) til að fullgera gildishvel þeirra með átta rafeindum.
- Engar rafeindir eru eftir á SiH₄, svo það er óbreytt:
Settu allar rafeindir sem eftir eru á miðjufrumeindina.
- Fyrir SiH₄, ${{{\text{CHO}}}_{2}^{\text{−}},}$ og NO⁺ eru engar rafeindir eftir; við höfum þegar sett allar rafeindirnar sem ákvarðaðar voru í skrefi 1.
- Fyrir OF₂ áttum við 16 rafeindir eftir í skrefi 3 og við settum 12, sem skilur eftir 4 til að setja á miðjufrumeindina:
Endurraðaðu rafeindum ytri frumeindanna til að mynda fjöltengi við miðjufrumeindina til að fá áttundarreglu uppfyllta þar sem það er mögulegt.
- SiH₄: Si hefur þegar uppfyllt áttundarregluna, svo ekkert þarf að gera.
- ${{{\text{CHO}}}_{2}^{\text{−}}:}$ : Við höfum deilt gildisrafeindunum sem rafeindapörum á súrefnisfrumeindirnar, en kolefnisfrumeindin uppfyllir ekki áttundarregluna:
- NO⁺: Fyrir þessa jón bættum við við átta gildisrafeindum, en hvorug frumeindin uppfyllir áttundarregluna. Við getum ekki bætt við fleiri rafeindum þar sem við höfum þegar notað heildarfjöldann sem við fundum í skrefi 1, svo við verðum að færa rafeindir til að mynda fjöltengi:
  
  Þetta uppfyllir enn ekki áttundarregluna, svo við verðum að færa annað par og mynda þrítengi:
- Í OF₂ hefur hver frumeind uppfyllt áttundarregluna eins og teiknað er, svo ekkert breytist.

Fyrir mjög einfaldar sameindir og sameindajónir getum við skrifað Lewis-myndirnar með því einu að para saman ópöruðu rafeindirnar á frumeindunum sem mynda þær. Sjá þessi dæmi:

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

Finndu heildarfjölda gildisrafeinda (rafeinda á ysta hveli). Fyrir katjónir skal draga eina rafeind frá fyrir hverja jákvæða hleðslu. Fyrir anjónir skal bæta einni rafeind við fyrir hverja neikvæða hleðslu.
Teiknaðu beinagrindarmynd af sameindinni eða jóninni og raðaðu frumeindunum í kringum miðjufrumeind. (Yfirleitt ætti að setja frumefnið með minnsta rafneikvæðni í miðjuna.) Tengdu hverja frumeind við miðjufrumeindina með eintengi (einu rafeindapari).
Deildu rafeindunum sem eftir eru sem rafeindapörum á endastæðu frumeindirnar (nema vetni) og ljúktu við áttundarregluna í kringum hverja frumeind.
Settu allar rafeindir sem eftir eru á miðjufrumeindina.
Endurraðaðu rafeindum ytri frumeindanna til að mynda fjöltengi við miðjufrumeindina til að fá áttundarreglu uppfyllta þar sem það er mögulegt.

Við skulum ákvarða Lewis myndir fyrir SiH₄, ${{\text{CHO}}_{2}^{\text{−}},}$ NO⁺ og OF₂ sem dæmi með því að fylgja þessari aðferð:

Four Lewis diagrams are shown. The first shows one silicon single boned to four hydrogen atoms. The second shows a carbon which forms a single bond with an oxygen and a hydrogen and a double bond with a second oxygen. This structure is surrounded by brackets and has a superscripted negative sign near the upper right corner. The third structure shows a nitrogen single bonded to an oxygen and surrounded by brackets with a superscripted plus sign in the upper right corner. The last structure shows two fluorine atoms single bonded to a central oxygen.

Four Lewis structures are shown. The first shows one silicon single boned to four hydrogen atoms. The second shows a carbon single bonded to two oxygen atoms that each have three lone pairs and single bonded to a hydrogen. This structure is surrounded by brackets and has a superscripted negative sign near the upper right corner. The third structure shows a nitrogen single bonded to an oxygen, each with three lone pairs of electrons. This structure is surrounded by brackets with a superscripted plus sign in the upper right corner. The last structure shows two fluorine atoms, each with three lone pairs of electrons, single bonded to a central oxygen.

A Lewis structure shows two fluorine atoms, each with three lone pairs of electrons, single bonded to a central oxygen which has two lone pairs of electrons.

Two Lewis diagrams are shown with the word “gives” in between them. The left diagram, surrounded by brackets and with a superscripted positive sign, shows a nitrogen atom single bonded to an oxygen atom, each with two lone pairs of electrons. The right diagram, surrounded by brackets and with a superscripted positive sign, shows a nitrogen atom double bonded to an oxygen atom. The nitrogen atom has two lone pairs of electrons and the oxygen atom has one.

A Lewis structure shows a nitrogen atom with one lone pair of electrons triple bonded to an oxygen with a lone pair of electrons. The structure is surrounded by brackets and has a superscripted positive sign.

\begin{array}{l} {SiH}_{4} \\ Si: 4 valence electrons/atom \times 1 atom = 4 \\ \underline{+ H: 1 valence electron/atom \times 4 atoms = 4} \\ = 8 valence electrons \end{array}

\begin{array}{l} {CHO}_{2}^{−} \\ C: 4 valence electrons/atom \times 1 atom = 4 \\ H: 1 valence electron/atom \times 1 atom = 1 \\ O: 6 valence electrons/atom \times 2 atoms = 12 \\ \underline{+ 1 additional electron = 1} \\ = 18 valence electrons \end{array}

\begin{array}{l} {NO}^{+} \\ N: 5 valence electrons/atom \times 1 atom = 5 \\ O: 6 valence electron/atom \times 1 atom = 6 \\ \underline{+ −1 electron (positive charge) = −1} \\ = 10 valence electrons \end{array}

\begin{array}{l} {OF}_{2} \\ O: 6 valence electrons/atom \times 1 atom = 6 \\ \underline{+ F: 7 valence electrons/atom \times 2 atoms = 14} \\ = 20 valence electrons \end{array}

Dæmi 7.4

Að skrifa Lewis myndir

Cassini-Huygens geimfar NASA greindi stórt ský af eitruðu vetnissýaníði (HCN) á Títan, einu af tunglum Satúrnusar. Á Títan er einnig að finna etan (H₃CCH₃), asetýlen (HCCH) og ammóníak (NH₃). Hverjar eru Lewis myndir þessara sameinda?

Lausn

Reiknaðu út 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 beinagrind og tengdu frumeindirnar með eintengjum. Mundu að H er aldrei miðfrumeind:
Þar sem þörf krefur, dreifðu rafeindum á endastæðar frumeindir:

HCN: sex rafeindum komið fyrir á N
H₃CCH₃: engar rafeindir eftir
HCCH: engar endastæðar frumeindir sem geta tekið við rafeindum
NH₃: engar endastæðar frumeindir sem geta tekið við rafeindum
Þar sem þörf krefur, komdu eftirstandandi rafeindum fyrir á miðfrumeindinni:

HCN: engar rafeindir eftir
H₃CCH₃: engar rafeindir eftir
HCCH: fjórum rafeindum komið fyrir á kolefni
NH₃: tveimur rafeindum komið fyrir á nitri
Þar sem þörf krefur, endurraðaðu rafeindum til að mynda fjöltengi til að fá áttundarreglu á hverja frumeind:
HCN: myndaðu tvö C–N efnatengi til viðbótar
H₃CCH₃: allar frumeindir hafa réttan fjölda rafeinda
HCCH: myndaðu þrítengi milli kolefnisfrumeindanna tveggja
NH₃: allar frumeindir hafa réttan fjölda rafeinda

Kannaðu þekkingu þína

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

Hvernig vísindagreinar tengjast

Efnafræði fúllerena

Kolefni, í ýmsum myndum og efnasamböndum, hefur verið þekkt frá forsögulegum tíma. Sót hefur verið notað sem litarefni (oft kallað kolefnissvart) í þúsundir ára. Viðarkol, sem eru rík af kolefni, hafa sömuleiðis verið mikilvæg fyrir þróun mannkyns. Kolefni er lykilaukefnið í járn við stálframleiðslu og demantar hafa einstakan sess bæði í menningu og iðnaði. Með allri þessari notkun fylgdu umfangsmiklar rannsóknir, sérstaklega með tilkomu lífrænnar efnafræði. Og jafnvel með öllum þekktum myndum og hlutverkum frumefnisins, fóru vísindamenn að uppgötva möguleika á enn fjölbreyttari og víðtækari kolefnisbyggingum.

Strax á sjöunda áratug síðustu aldar fóru efnafræðingar að taka eftir flóknum kolefnisbyggingum, en þeir höfðu litlar sannanir til að styðja hugmyndir sínar, eða vinna þeirra náði ekki útbreiðslu. Eiji Osawa spáði fyrir um kúlulaga form byggt á athugunum á svipaðri byggingu, en vinna hans var ekki víða þekkt utan Japan. Á svipaðan hátt var líklega umfangsmesta framfaraskrefið tekið af tölvuefnafræðingnum Elenu Galpern, sem árið 1973 spáði fyrir um mjög stöðuga, 60 kolefnisfrumeinda sameind; vinna hennar var einnig einangruð við heimaland hennar, Rússland. Enn síðar reyndi Harold Kroto, í samvinnu við kanadíska útvarpsstjörnufræðinga, að afhjúpa eðli langra kolefniskeðja sem höfðu fundist í geimnum milli stjarna.

Kroto reyndi að nota vél sem teymi Richard Smalley við Rice-háskóla hafði þróað til að læra meira um þessar myndanir. Ásamt Robert Curl, sem hafði kynnt þá, og þremur framhaldsnemum – James Heath, Sean O'Brien og Yuan Liu – gerðu þeir ítarlegar tilraunir sem leiddu til stórrar 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 buckminsterfullerene-sameindina (Mynd 7.1). Heill flokkur efnasambanda, þar á meðal kúlur og rör af ýmsum stærðum, var uppgötvaður á grundvelli C₆₀. Þessi tegund sameindar, sem kallast fullerene, lofar góðu í ýmsum tilgangi. Vegna stærðar sinnar og lögunar geta fullerene-sameindir umlukið aðrar sameindir og hafa því sýnt möguleika í ýmsum notkunum, allt frá vetnisgeymslu til markvissra lyfjagjafakerfa. Þær hafa einnig einstaka rafræna og ljósfræðilega eiginleika sem hafa verið nýttir 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 fullerene-efnafræðinnar. Við andlát hans árið 2005 heiðraði öldungadeild Bandaríkjaþings hann sem „föður nanótækninnar“. (heimild: Orkustofnun Bandaríkjanna)

Undantekningar frá áttureglunni

Sameindir með oddatölu rafeinda

Ákvarðið heildarfjölda gildisrafeinda (í ysta hveli). Summa gildisrafeinda er 5 (frá N) + 6 (frá O) = 11. Oddatalan segir okkur strax að við erum með sindurefni, svo við vitum að ekki geta allar frumeindir haft átta rafeindir í gildishvelinu sínu.
Teiknið beinagrindarmynd af sameindinni. Við getum auðveldlega teiknað beinagrind með N–O eintengi:
N–O
Dreifið þeim rafeindum sem eftir eru sem rafeindapörum á endastæðar frumeindir. Í þessu tilfelli er engin miðfrumeind, svo við dreifum rafeindunum í kringum báðar frumeindirnar. Við gefum rafeindaneikvæðari frumeindinni átta rafeindir í slíkum aðstæðum; þannig hefur súrefni fyllt gildishvel:
Setjið allar eftirstandandi rafeindir á miðfrumeindina. Þar sem engar rafeindir eru eftir á þetta skref ekki við.
Endurraðið rafeindunum til að mynda margföld efnatengi við miðfrumeindina til að ná áttund þar sem það er mögulegt. Við vitum að sameind með oddatölu rafeinda getur ekki haft áttund fyrir hverja frumeind, en við viljum koma hverri frumeind eins nálægt áttund og mögulegt er. Í þessu tilfelli hefur nitur aðeins fimm rafeindir í kringum sig. Til að komast nær áttund fyrir nitur tökum við eitt af rafeindapörunum frá súrefni og notum það til að mynda NO-tvítengi. (Við getum ekki tekið annað rafeindapar af súrefni og myndað þrítengi því þá hefði nitur níu rafeindir:)

Við köllum sameindir sem innihalda oddatölu rafeinda sindurefni (e. free radicals). Nituroxíð, NO, er dæmi um sameind með oddatölu rafeinda; það myndast í brunahreyflum þegar súrefni og nitur hvarfast við hátt hitastig.

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

A Lewis structure shows a nitrogen atom, with one lone pair and one lone electron single bonded to an oxygen atom with three lone pairs of electrons.

A Lewis structure shows a nitrogen atom, with one lone pair and one lone electron double bonded to an oxygen atom with two lone pairs of electrons.

Rafeindaskortssameindir

Við munum einnig rekast á nokkrar sameindir sem innihalda miðfrumeindir sem hafa ekki fyllt gildishvel. Almennt eru þetta sameindir með miðfrumeindir úr flokkum 2 og 13, ytri frumeindir sem eru vetni, eða aðrar frumeindir sem mynda ekki margföld efnatengi. Til dæmis innihalda sameindir beryllíumdíhýdríðs, BeH₂, og bórtríflúoríðs, BF₃, miðfrumeindir með aðeins tvær og þrjár gildisrafeindir, í sömu röð. Með aðeins H sem ytri frumeindir er aðeins einn möguleiki fyrir Lewis mynd BeH₂, og hún uppfyllir ekki átturegluna fyrir miðfrumeindina Be (sjá hér á eftir). Það er hægt að teikna mynd með tvítengi milli bórfrumeindar og flúorfrumeindar í BF₃, sem uppfyllir átturegluna, en tilraunagögn benda til þess að tengilengdirnar séu nær því sem búist er við fyrir B–F eintengi. Þetta bendir til þess að besta Lewis myndin hafi þrjú B–F eintengi og rafeindaskort á bór. Hvarfgirni efnasambandsins er einnig í samræmi við rafeindaskort á bór. Hins vegar eru B–F efnatengin örlítið styttri en raunverulega er búist við fyrir B–F eintengi, sem gefur til kynna að einhver tvítengiseinkenni finnist í raunverulegu sameindinni.

Two Lewis structures are shown. The left shows a beryllium atom single bonded to two hydrogen atoms. The right shows a boron atom single bonded to three fluorine atoms, each with three lone pairs of electrons.

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

Ofgildar sameindir

Frumefni í annarri lotu lotukerfisins (n = 2) geta aðeins rúmað átta rafeindir í girðihvolfssvigrúmum sínum vegna þess að þau hafa aðeins fjögur girðisvigrúm (eitt 2s og þrjú 2p svigrúm). Frumefni í þriðju lotu og hærri lotum (n ≥ 3) hafa fleiri en fjögur girðisvigrúm og geta deilt fleiri en fjórum rafeindapörum með öðrum frumeindum vegna þess að þau hafa tóm d svigrúm í sama hvolfi. Sameindir sem myndast úr þessum frumefnum eru stundum kallaðar ofgildar sameindir (e. hypervalent molecules). Mynd 7.12 sýnir Lewis myndir fyrir tvær ofgildar sameindir, PCl₅ og SF_6.

Two Lewis structures are shown. The left shows a phosphorus atom single bonded to five chlorine atoms, each with three lone pairs of electrons. The right shows a sulfur atom single bonded to six fluorine atoms, each with three lone pairs of electrons. — Mynd 7.12 Í PCl₅ deilir miðjufrumeindin fosfór fimm rafeindapörum. Í SF₆ deilir brennisteinn sex rafeindapörum.

Í sumum ofgildum sameindum, eins og IF₅ og XeF₄, eru sumar rafeindanna í ytra hvolfi miðjufrumeindarinnar einmana pör:

Two Lewis structures are shown. The left shows an iodine atom with one lone pair single bonded to five fluorine atoms, each with three lone pairs of electrons. The right diagram shows a xenon atom with two lone pairs of electrons single bonded to four fluorine atoms, each with three lone pairs of electrons.

Þegar við skrifum Lewis myndir fyrir þessar sameindir komumst við að því að við höfum rafeindir afgangs eftir að hafa fyllt girðihvolf ytri frumeindanna með átta rafeindum. Þessum viðbótarrafeindum verður að úthluta til miðjufrumeindarinnar.

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

Sameindir með oddatölu rafeinda hafa oddatölu girðirafeinda og hafa því óparaða rafeind.
Rafeindasnauðar sameindir hafa miðjufrumeind sem hefur færri rafeindir en þarf fyrir eðalgasstillingu.
Ofgildar sameindir hafa miðjufrumeind sem hefur fleiri rafeindir en þarf fyrir eðalgasstillingu.

Dæmi 7.5

Að skrifa Lewis myndir: Brot á áttureglunni

Xenon er eðalgas en það myndar fjölda stöðugra efnasambanda. Við skoðuðum XeF₄ áður. Hverjar eru Lewis myndir XeF₂ og XeF₆?

Lausn

Við getum teiknað Lewis mynd hvaða samgildu sameindar sem er með því að fylgja skrefunum sex sem fjallað var um áður. Í þessu tilviki getum við þjappað saman síðustu skrefunum þar sem þau eiga ekki öll við.

Reiknaðu út fjölda gildisrafeinda:
XeF₂: 8 + (2 $\times$ 7) = 22
XeF₆: 8 + (6 $\times$ 7) = 50
Teiknaðu beinagrind sem tengir frumeindirnar með eintengjum. Xenon verður miðfrumeindin því flúor getur ekki verið miðfrumeind:
Deildu rafeindunum sem eftir eru.
XeF₂: Við setjum þrjú rafeindapör í kringum hverja F-frumeind, sem eru 12 rafeindir og gefur hverri F-frumeind 8 rafeindir. Þannig eru sex rafeindir (þrjú rafeindapör) eftir. Þessi rafeindapör verða að vera á Xe-frumeindinni. Það er í lagi því Xe-frumeindir hafa tóm d-svigrúm í gildishvolfinu og geta rúmað fleiri en átta rafeindir. Lewis mynd XeF₂ sýnir tvö bindandi pör og þrjú rafeindapör í kringum Xe-frumeindina:

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

Kannaðu þekkingu þína

Halógenarnir mynda flokk efnasambanda sem kallast millihalógenar, þar sem halógenfrumeindir tengjast hvor annarri með samgildum efnatengjum. Skrifaðu Lewis myndir fyrir millihalógenana BrCl₃ og ${{\text{ICl}}_{4}^{\text{−}}.}$

Námsmarkmið