Lewis-rakenne

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Vetyfluoridin Lewis-rakenne. Fluorilla on kolme vapaata elektroniparia.

Lewis-rakenne eli elektronipisterakenne, -diagrammi tai -esitys on molekyylistä piirretty esitys, joka kuvaa molekyylin atomienvälistä sitoutumista ja mahdollisia vapaita elektronipareja.[1] Lewis-rakenteen ei ole tarkoitus kuvata kolmiulotteista rakennetta.[2] Rakenne esittää valenssielektronit pisteinä, mutta jaetut sidoksia muodostavat elektroniparit yksinkertaistetaan yleensä viivoiksi. Yksi atomienvälinen viiva kuvaa sidoskertalukua yksi, kaksi viivaa sidoskertalukua kaksi ja niin edelleen. Ytimiä kuvaavat alkuaineiden tunnukset. Lewis-rakenne on nimetty rakenteen keksineen G. N. Lewisin mukaan. Hän esitti rakenteen vuonna 1916.

Elektronien lukumäärä Lewis-rakenteessa vastaa valenssielektronien lukumäärää yksittäisissä atomeissa. Oktettisäännön mukaan atomi on vakain, kun sitä ympäröi kahdeksan valenssielektronia. Kahdeksan valenssielektronin tilaan, oktettiin, atomi pyrkii jakamalla elektroneja eli muodostamalla kovalenttisia sidoksia. Esimerkiksi fluori, jolla on seitsemän valenssielektronia, pyrkii jakamaan yhden elektroneistaan ja muodostamaan siten yksinkertaisen kovalenttisen sidoksen. Oktettisääntö on kuitenkin pelkkä malli ja siihen on lukuisia poikkeuksia. Esimerkiksi vety ja eräät toisen jakson alkuaineet (litium ja beryllium) pyrkivät kahdeksan elektronin sijasta kahden elektronin valenssielektronitilaan (heliumin valenssielektronitila [He]). Toisaalta boori pyrkii kuuden elektronin valenssielektronitilaan eli niin sanottuun sekstettiin. Eräillä alkuaineilla, kuten fosforilla ja rikillä oktettisääntö voi myös ylittyä.

Joskus molekyylillä on useita sopivia Lewis-rakenteita, jolloin sen Lewis-rakenteet ovat resonanssirakenteita ja aine on resonanssihybridi eli eri rakenteiden sekoitus. Esimerkiksi nitriitti-ionille voidaan tuottaa rakenteet:

Nitrite-ion-lewis-canonical.png

Resonanssi kuvataan rakenteiden välisellä nuolella. Mikään yksittäinen resonanssirakenne ei ole todellinen.[3] Molekyyli ei siis vaihtele muodosta toiseen vaan siinä on eri resonanssimuotojen piirteitä.

Lewis-rakenteen piirtäminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lewis-rakenne kuvaa molekyylin tai ionin kovalenttisia sidoksia sen atomien välillä, sekä mahdollisia vapaita elektronipareja. Lewis-rakenteesta selviää molekyylin tai ionin valenssielektronien järjestäytyminen. Lewis-rakenteet ovat osa valenssisidosteorian, jota joskus kutsutaan lokalisoituneet elektronit -malliksi, mukaista kovalenttisen sidoksen käsittelyä.

Lewis-rakenne ionille NO3-

1. Vaihe: Määritetään rakenteen valenssielektronit
Lasketaan yhdisteen kaikkien atomien valenssielektronien lukumäärä jaksollisen järjestelmän avulla. Ionien ollessa kyseessä lisätään (anionit) tai vähennetään (kationit) ionin varauksen osoittama määrä elektroneja.

2. Vaihe: Piirretään molekyylin runko
Yhdistetään rakenteen atomit toisiinsa yksinkertaisilla sidoksilla. Yksinkertaisessa sidoksessa on yksi elektronipari. Useimmiten kaavassa ensimmäisenä olevan atomin oletetaan olevan keskusatomi, johon muut atomit ovat sidoksissa. Tärkeimpiä poikkeuksia ovat vedyllä H alkavat kaavat, joiden keskusatomiksi tulee valita kaavassa seuraavana oleva atomi, sillä vedyllä voi olla vain kaksi elektronia ympärillään.

3. Vaihe: Täydennetään elektronien lukumäärä
Lisätään loput elektronit rakenteeseen vapaina elektronipareina aloittaen keskusatomiin kiinnittyneistä atomeista oktettisääntöä noudattaen. Mikäli kaikki elektronit on käytetty, siirrytään suoraan viidenteen vaiheeseen.

4. Vaihe: Jäljelle jäävät elektronit
Jos edellisestä vaiheesta jää jäljelle elektroneja, lisätään jäljelle jääneet elektronit elektronipareina keskusatomille, jos tämä kuuluu vähintään jaksoon 3. Tällöin keskusatomi ylittää oktetin.

5. Vaihe: Tarkistetaan molekyylin rakenne
Mikäli kaikilla atomeilla on kahdeksan elektronia (vedyllä kaksi) ympärillään, niin Lewis-rakenne on valmis. Rakenteessa näkyvien valenssielektronien lukumäärän tulee vastata alun perin laskettua valenssielektronien lukumäärää. Jos elektronien määrä ei riitä tuottamaan kaikille oktettia, muodostetaan tarvittavat kaksois- ja kolmoissidokset niin, että jokainen atomi on oktetissa.[4] [5]

Resonanssirakenteet

Kaikissa tapauksissa molekyylin tai ionin ominaisuuksia ei voida esittää vain yhdellä Lewis-rakennekaavalla, jolloin tulee käyttää resonanssirakennetta. Resonanssirakenteissa molekyylillä on sama runko eli atomien paikat eivät muutu, ainoastaan moninkertaisten sidosten paikat vaihtuvat.[6]

Esimerkiksi nitraatti-ionin Lewis-rakenteet:

Nitraatti-ionin Lewis-rakenteet

Lähdeviitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Catherine E. Housecroft, Alan G. Sharpe: Inorganic Chemistry, 2nd ed. Pearson Education Limited, 2005. ISBN 0130-39913-2. (englanniksi)
  2. J.G. Smith: Organic Chemistry 2/e, McGraw-Hill, 2007, ISBN 978-0-07-304986-1 (englanniksi)
  3. John McMurry: Organic Chemistry (5th edition), s. 47. Brooks/Cole, 2000. ISBN 0-534-37366-6. (englanniksi)
  4. Steven Zumdahl: Chemical Principles. Cengage Learning; 6 edition (May 18, 2010), 2010. ISBN-10: 1111580650. (englanniksi)
  5. Tapio Nevalainen: KP2-luentomoniste, Kemian perusteet osa II. Tapio Nevalainen.
  6. Steven Zumdahl: Chemical Principles. Cengage Learning; 6 edition (May 18, 2010), 2010. ISBN-10: 1111580650. (englanniksi)