Кіріспе

Молекула атомдары мен электронның жалғыз жұптары арасындағы байланысты көрсететін диаграммалар, Льюис нүктелік формулалары, Льюис нүктелік құрылымдары, электрондық нүктелік құрылымдар немесе Льюис электрондық нүктелік құрылымдар (LED) деп аталады – бұл молекула атомдары арасындағы байланысты, сондай-ақ молекулада болуы мүмкін жалғыз электронды жұптарды көрсететін диаграммалар. Льюис құрылымын кез келген ковалентті байланыстағы молекулалар үшін, сондай-ақ координациялық қосылыстар үшін салуға болады. Льюис құрылымы 1916 жылы "Атом және молекула" мақаласында таныстырған Гилберт Н. Льюис есімімен аталған. Льюис құрылымдары химиялық байланыстағы ортақ жұптарды бейнелеу үшін атомдар арасындағы сызықтарды қосу арқылы электрондық нүктелік диаграмманың тұжырымдамасын кеңейтеді. Льюис құрылымдары әр атомды және оның молекула құрылысындағы орнын химиялық символын пайдалана отырып көрсетеді. Бір-бірімен байланысқан атомдар арасында сызықтар тартылады (сызықтардың орнына нүктелер жұбы қолданылуы мүмкін). Жалғыз жұптар құрайтын артық электрондар нүктелер жұбы ретінде бейнеленеді және атомдардың жанына орналастырылады. Екінші кезеңдегі және одан кейінгі негізгі топ элементтері, әдетте, (8) электроннан тұратын толық октетпен валентті қабық электронды конфигурациясына қол жеткізгенге дейін электронды алу, жоғалту немесе бөлісу арқылы әрекет етеді, бірақ сутек (H) тек екі электронды бөлісетін байланыстарды ғана құра алады.

Резонанстық

Кейбір молекулалар мен иондар үшін қос немесе үш байланыстарды қалыптастыру үшін қай жалғыз электрон жұптарын жылжыту керектігін анықтау қиын, сондай-ақ бір молекула немесе ион үшін екі немесе одан да көп әртүрлі резонанстық құрылымдар жазылуы мүмкін. Мұндай жағдайларда, олардың барлығын екі бағытталған жебелермен байланыстырып жазу қалыпты жағдай. Бұл көбінесе бір типтегі бірнеше атомның орталық атомды қоршағанда болады, әсіресе полиатомдық иондар үшін бұл жиі кездеседі. Мұндай жағдай туғанда, молекуланың Льюис құрылымы резонанстық құрылым деп аталады, ал молекула резонанстық гибрид ретінде қарастырылады. Әр түрлі мүмкіндіктердің әрқайсысы біріне-бірі нақты келтіріледі және молекуланың Льюис құрылымы осы күйлердің бір комбинациясына тең деп есептеледі. Мысалы, нитрат ионы (NO3−) азот пен оттегілердің бірі арасында қос байланыс құруға тиіс, бұл азоттың октет ережесін қанағаттандыру үшін қажет. Алайда, молекула симметриялы болғандықтан, қос байланысты қай оттегі құратыны маңызды емес. Бұл жағдайда үш мүмкін резонанстық құрылым бар. Льюис құрылымдарын бейнелеген кезде резонансты білдіру үшін, әртүрлі резонанстық формаларды суреттеу және олардың арасына екі басты жебелер қою, немесе жартылай байланыстарды көрсету үшін нүктелі сызықтарды пайдалану мүмкін (бірақ соңғысы формальды түрде Льюис құрылымы емес, резонанстық гибридтің жақсы бейнесі болып табылады). Бір молекуланың резонанстық құрылымдарын салыстырғанда, әдетте, формальды зарядтары аз болғандары жалпы резонанстық гибридке үлкен үлес қосады. Формальды зарядтар қажет болған жағдайда, электронегативті элементтерде теріс зарядтары және электронегативті емес элементтерде оң зарядтары бар резонанстық құрылымдар басымдыққа ие. Жалғыз байланыстарды да осылай жылжытуға болады, мысалы, күкірт гексафториді сияқты гипервалентті молекулалар үшін резонанстық құрылымдар жасауға болады, бұл кванттық химиялық есептеулерге сәйкес дұрыс сипаттама болып табылады, жалпы кеңейтілген октет моделінен айырмашылығы. Резонанстық құрылымды молекуланың формалар арасында ауысатынын көрсету ретінде түсіндірмеу керек, оның орнына молекула бірнеше формалардың орташасы ретінде әрекет етеді.

Мысал

Нитрит ионының формуласы: |NO2−. Азот екеудің ішіндегі ең аз электронегативті атом, сондықтан ол бірнеше критерий бойынша орталық атом болып табылады. Валентті электронды санау. Азоттың 5 валентті электроны бар; әр оттегінің 6 электроны бар, барлығы (6 × 2) + 5 = 17. Ионның заряды −1, бұл бір артық электронды көрсетеді, сондықтан электрондардың жалпы саны 18. Атомдарды жеке байланыстармен қосу. Әр оттегі азотқа байланысуы керек, бұл әр байланыста төрт электронды, әрқайсысы екіден пайдаланады. Жалғыз электрон жұптарын орналастыру. Қалған 14 электронды бастапқыда 7 жалғыз жұп ретінде орналастыру керек. Әр оттегіге максимум 3 жалғыз жұп берілуі мүмкін, бұл әр оттегіге байланыс жұбын қоса 8 электрон береді. Жетінші жалғыз жұп азот атомына орналасуы керек. Октат ережесін қанағаттандыру. Екі оттегі атомының да қазіргі уақытта 8 электроны бар. Азот атомына тек 6 электрон ғана берілген. Оттегі атомының бір жалғыз жұбы қос байланыс құруы керек, бірақ екі атом да бірдей жақсы жұмыс істейді. Сондықтан резонанстық құрылым бар. Қалған мәселелерді шешу. Екі Льюис құрылымын салу керек: Әр құрылымда азот атомына қос байланысқан екі оттегі атомының бірі бар. Әрбір құрылымдағы екінші оттегі атомы азот атомына жеке байланысқан. Әрбір құрылымды жақшалармен қоршап, жақшалардың сыртындағы оң жақ жоғарғы бұрышына зарядты (−) қосу. Екі резонанстық форманың арасына екі басты жебе салу.

Баламалық құралымдар

Химиялық құрылымдар, әсіресе органикалық молекулаларды көрсеткенде, ықшамдау түрінде жазылуы мүмкін. Конденсацияланған құрылымдық формулалардағы көптеген, тіпті барлық ковалентті байланыстар көрсетілмеуі мүмкін, ал индекстер (субскрипттер) белгілі бір атомға қосылған бірдей топтардың санын көрсетеді. Тағы бір қысқартылған құрылымдық схема – скелеттік формула (кейде сызықтық формула немесе көміртектік қаңқа схемасы деп те аталады). Скелеттік формулаларда көміртектік атомдар С символымен емес, сызықтардың төбелерімен белгіленеді. Көміртектік атомдарға байланысқан сутек атомдары көрсетілмейді, оларды нақты көміртектік атомға байланыстардың санын санау арқылы табуға болады. Әр көміртектің барлығында төрт байланыс бар деп есептелінеді, сондықтан көрсетілмеген кез келген байланыс сутек атомдарына жатады. Басқа схемалар Льюис құрылымдарынан күрделірек болуы мүмкін, олар кеңістікті толтыру схемалары сияқты әртүрлі форматтарды қолдана отырып, 3D кеңістікте байланыстарды көрсетеді.

Пайдалану және шектеулер

ХХ ғасырдың басында химиялық байланыстарды түсіну әлі де жаңа кезеңде болған кезде олардың қарапайымдылығына және дамуына қарамастан, Льюис құрылымдары молекулалық жүйелердің электрондық құрылымының көптеген маңызды ерекшеліктерін, соның ішінде химиялық реактивтілікке қатыстыларын қамтиды. Сондықтан, олар химияшылар мен химияны оқытушылар арасында кеңінен қолданыла береді. Бұл әсіресе органикалық химия саласында ерекше маңызға ие, онда байланыстың дәстүрлі валенттік моделі әлі де басым, ал механизмдер көбінесе Льюис құрылымдарының қысқартылған түрі болып табылатын скелеттік формулаларға салынған қисық жебелер арқылы түсіндіріледі. Органикалық емес және органометалдық химияда кездесетін байланыс схемаларының алуан түрлілігіне байланысты, көптеген молекулаларды сипаттау үшін толыққанды делокализацияланған молекулалық орбитальдарды қолдану қажет, бұл Льюис құрылымдарын салыстырмалы түрде аз маңызды етеді (дегенмен, олар әлі де жиі қолданылады). Льюис сипаттамасының, кем дегенде өзгертілмеген түрінде, кейбір жағдайларда қате немесе дұрыс емес болуын ескеру қажет. Атап айтқанда, эксперименттік түрде жұптаспаған электрондары бар (мысалы, O2, NO және ClO2) молекулалар үшін Льюис құрылымдарын қарапайым түрде салу байланыс реті, байланыс ұзындығы және/немесе магниттік қасиеттер туралы дұрыс емес қорытындыларға әкелуі мүмкін. Льюис моделі сондай-ақ ароматикалық құбылысты ескермейді. Мысалы, Льюис құрылымдары циклдік C6H6 (бензол) қалыпты делокализациядан тыс ерекше тұрақтандыруды неге сезінетінін түсіндірмейді, ал C4H4 (циклобутадиен) керісінше, ерекше тұрақсыздануды сезінеді. Молекулалық орбитальдық теория осы құбылыстарды ең түсінікті түрде түсіндіреді.