Ettevalmistus Keemiaolümpiaadiks/Lewisi-struktuurid

Enne Lewisi struktuuri joonistamist tasub teada, et

• Valentselektronideks nimetakse aatomi väliselektronkihi elektrone. s- ja p-elementide puhul on rühmanumbri viimane number võrdne valentselektronide arvuga (kui rühmad on nummerdatud 1–18). Nt fluor asub rühmas 17 ning omab 7 valentselektroni.
• Valentselektrone, mis osalevad sideme moodustamisel, nimetatakse jagatud elektronideks. Lewisi struktuurides, igas sidemes on kahe aatomi vahel jagatud kaks elektroni.
• Kõiki teisi valentselektrone nimetakse jagamata elektronideks ning joonistakse paari(de)na.
• Kui aatomi väliskihis on 8 elektroni, siis nimetatakse seda oktetiks. Kui vesiniku väliskihis on 2 elektroni, siis nimetatakse seda dubletiks.

Kasutame järgmiseid tähiseid

• S_i on i-aatomi jagatud elektronide arv (ingl Shared electrons).
• U_i on i-aatomi jagamata elektronide arv (ingl Unshared electrons).
• V_i on i-aatomi valentselektronide arv (ingl Valence electrons).
• F_i on i-aatomi formaalne laeng (ingl Formal charge).
• O on kõigi aatomite dubletti/oktetti reegli täimiseks vajalik elektronide arv (ingl Octet rule).
• V on kõigi aatomite valentselektronide summa miinus iooni laeng (ingl Valence electrons).
• B, S ja M on vastavalt sidemete, üksiksidemete ja kordsete sidemete arvud (ingl Bond, Single and Multiple bond). Sideme arv i-aatomi ümber võrdub S_i.
• U on jagamata elektronide summa (ingl Unshared electrons).

Lewisi struktuuri joonistamisel kasutame järgmist eeskirja.

1. Arvuta dubletti/oktetti reegli täimiseks vajalik elektronide (O), valentselektronide (V) ja sidemete arvud (B).
2. Joonista keskaatom, mis on tõenäoliselt:
   1. valemis kõige vähem esinev element [nt NH₃-s, SO₂ (väävel)];
   2. kõige elektropositiivsem element [nt N₂O (lämmastik), SCN⁻ (süsinik)].
3. Joonista aatomid ja nende vahelised S üksiksidemed.
4. Kui B > S, joonista veel M kordset sidet [SO₂ (üks kaksikside)].
5. Arvuta jagamata elektronide arv U ja täida okteti reegel alustades elektronegatiivsemate elementidest.
6. Arvuta ja kirjuta iga aatomi mittenulline formaalne laeng (F_i).

Kommentaarid eeskirjale

1. Valentselektronide arv on kõigi aatomite valentselektronide summa (Σ_i V_i) miinus iooni laeng (q). Kõigi aatomite dubletti/oktetti reegli täimiseks vajalik elektronide arv on summa O = 2·n(H) + 8·n(E). Sidemete arv võrdub allapoole ümardatud täisnumbrile B = (O − V)/2.
2. Tõenäolisem on „ühendatus”, milles ühendatud aatomite V_i korrutiste summa on minimaalne (min(Σ_ij V_i·V_j)). Seega on kolmeliikmelised tsüklid on ebastabiilsed ahela suhtes. Samuti on eelistatud ahelad, milles elektronegatiivsemad aatomid asetsevad vaheldumisi elektropositiivsemate aatomitega. Kompaktsemad struktuurid suurema keskaatomiga on stabiilsem.
3. Sellel sammul peaks kõigil vesinikuaatomitel täituma dublett (2 elektroni). Lewisi struktuurides vastab iga side kahele elektronile, kuid eranditeks on nt boraanid nagu B₂H₆.
4. Kordsete sidemete arv võrdub M = B − S. Kui B < S, on tegemist hüpervalentse ühendiga (nt PCl₅), ehk keskaatomiga võib olla jagatud rohkem, kui 8 elektroni.
5. Jagamata elektronide summa võrdub U = V − 2·max(B,S). Seega, kui B > S, joonista aatomite ümber V − 2·B jagamata elektrone; kui B ⩽ S, joonista aatomite ümber V − 2·S jagamata elektrone. Oktetireegli järgi saavutavad aatomid sideme moodustamisel väliskihti maksimaalse arvu elektrone, milleks üldjuhul on 8 (oktett). Radikaalidel on paaritu arv elektrone, mis tähendab, et mõnedel aatomitel pole oktett täidetud (nt lämmastikul NO₂-s).
6. i-aatomi formaalne laeng võrdub: F_i = V_i − S_i − U_i, kus V_i on vastava elemendi valentselektronide arv, S_i on i-aatomi jagatud elektronide arv ning U_i on i-aatomi jagamata elektronide arv.

Kontrolli järgmist.

• Struktuur vastab etteantud valemile.
• Formaalsete laengute summa võrdub iooni laenguga: Σ_i F_i = q;
• Jagatud ja jagamata elektronide summa võrdub valentselektronide arvuga: Σ_i S_i + Σ_i U_i = V = Σ_i V_i − Σ_i F_i.

Memo

1. O, V, B
2. Sümbolid
3. Üksiksidemed
4. Kordsed sidemed
5. Jagamata elektronid
6. Formaalse laengud

Valemid

1. O = 2·n(H) + 8·n(E)

V = Σ_i V_i − q

B = (O − V)/2 (ümardatud allapoole)

1. S üksiksidemed
2. M = B − S
3. U = V − 2·max(B,S)
4. F_i = V_i − S_i − U_i