Opi piirtämään aidot Lewikset

Lukiokemia on mahdollista pelata läpi laudaturin arvoisesti, vaikka ei osaisi selittää, mikä on Lewisin kaava. Silti jokainen osaa piirtää näitä rakenteita, sillä harjoittelu on aloitettu jo peruskoulussa.

Kun kirjoittaa Googleen ”lewisin kaava”, saa ehdotukseksi ”kloorin lewisin kaava” ja ”lewisin kaava otsoni”. Näitä nimittäin kysytään Mooli 1:ssä (s. 105, tehtävä 6).

Vimmaista guuglausta selittää se, että Lewisin kaavasta on kirjassa vain pieni maininta kuvatekstissä. Englanninkielisissä kemian kirjoissa otsonin Lewisin kaavan piirtämiseen päästään noin kymmenen sivun selityksen jälkeen. Sikäli ei tule yllätyksenä, että Moolin vastaus jättää toivomisen varaa: siitä puuttuvat resonanssimuodot ja muodolliset varaukset.

Lewisin kaavat ovat orgaanisesta kemiasta tuttuja kaavoja, joissa atomeja kuvataan kemiallisilla merkeillä ja niiden välisiä sidoksia viivoilla. Lisäksi esitetään yleensä sidoksiin osallistumattomat ulkoelektronit pisteillä.

Lewisin kaavat: kloori
Klooriatomin ja kloorimolekyylin Lewisin kaavat.

Sidoksiin osallistumattomia elektronipareja sanotaan suomen kielessä tavallisesti vapaiksi elektronipareiksi. Suomalaiseen ajatteluun tuntuu istuvan se, että atomissa kiinni olevat elektronit ovat vapaita. Sen sijaan maassa, joka kansallislaulussaan julistautuu vapaiden valtakunnaksi, free electron tarkoittaa omin nokin kulkevaa hiukkasta. Toisaalta vapaan elektroniparin englanninkielinen vastine lone pair on silkkaa oksimoronia.

Vapaiden elektroniparien sijasta täsmällisempää olisi puhua sitomattomista elektronipareista. Laajemmin ajateltuna sana vahvistaisi valenssisidosteorian elektroniparien ja molekyyliorbitaaliteorian sitomattomien molekyyliorbitaalien välistä yhteyttä.

Jokin tässä sanassa on kuitenkin aina tökkinyt, ja nyt olen tainnut sen keksiä. Sitomaton haava tarkoittaa nimittäin haavaa, jota ei ole sidottu – ei haavaa, joka ei ole sitonut. Samalla tavalla sitomaton elektronipari ei oikeastaan voi tarkoittaa elektroniparia, joka ei ole sitonut atomeja toisiinsa.

Kuvaavin nimitys olisi Holtzclaw’n ja kumppanien kirjasta General Chemistry löytämäni jakamaton elektronipari. Siis elektronipari, jota ei ole jaettu kovalenttiseksi sidokseksi.

Elektroniparilla voi olla monta nimeä, mutta sillä on vain kaksi symbolia: viiva ja kaksoispiste. Yleensä merkitään sidosta viivalla ja jakamatonta elektroniparia kahdella pisteellä. Jos merkitset kaikkia elektronipareja viivalla, olet laiska. Jos merkitset kaikkia elektronipareja kahdella pisteellä, olet boheemi. Jos taas merkitset sidoksia kahdella pisteellä ja jakamattomia elektronipareja viivalla, olet eksentrinen.

Lewisin kaavat: typpi
Typpimolekyylin Lewisin kaava kolmella yleisesti käytetyllä tavalla. Vasemmanpuoleinen viivojen ja pisteiden yhdistelmä on tavallisin ja suositeltavin.

Lewisin kaavalla kuvataan ulko- eli valenssielektronien sijoittumista. Sen takia aluksi pitää laskea ulkoelektronien lukumäärä. Ensimmäisessä kuvassa on näytetty klooriatomin 7 ulkoelektronia ja kloorimolekyylin 14 ulkoelektronia. Toisessa kuvassa typpimolekyylillä on 10 elektronia, sillä typpiatomilla on 5 ulkoelektronia.

Kun ulkoelektronien määrä on selvitetty, ne pitää ripotella atomien ympärille. Ensin atomit yhdistetään yksinkertaisilla sidoksilla. Molekyyli rakentuu usein keskusatomin ympärille: vedessä H2O keskusatomina on happi, ja rikkitrioksidissa SO3 keskusatomina on rikki. Lisäksi olisi hyvä tuntea molekyylin muoto, vaikka Lewisin kaavassa kiinnitetäänkin enemmän huomiota elektronien jakautumiseen kuin atomien suuntautumiseen.

Lewisin kaavat: kehikot
Vesi on V:n mallinen ja rikkitrioksidi on tasomainen kolmio.

Seuraavaksi ulkoelektronit pitää pyrkiä asettelemaan niin, että oktettisääntö toteutuu. Atomien ympärillä on siis oltava kahdeksan elektronia, paitsi vedyn ympärillä kaksi. Jos elektronit tuntuvat loppuvan kesken, niitä pitää alkaa jakaa eli yksinkertaisten sidosten muodostamaan kehikkoon pitää sijoittaa kaksois- tai kolmoissidoksia.

Oktettisääntö on vähän niin kuin laissa säädetty polkupyöräilijöiden kypäränkäyttövelvollisuus: sitä rikotaan kaiken aikaa. Esimerkiksi boorilla on toisinaan ympärillään vain kuusi elektronia. Toisaalta kolmannesta jaksosta lähtien elektroneja saa olla vaikka tusina. Jos nimittäin s- ja p-alakuoret pääsevät täyttymään, on d:llä vielä tilaa.

Lewisin kaavat: vesi ja rikkitrioksidi
Vedessä kumpaakin vetyä ympäröi kaksi elektronia ja happea ympäröi kahdeksan elektronia. Rikkitrioksidin kaavassa happiatomeilla on oktetti mutta rikillä on ympärillään 12 ulkoelektronia.

Rikkitrioksidille on piirretty kolme kaksoissidosta, vaikka oktettisääntö toteutuisi yhdellä kaksoissidoksella ja kahdella yksinkertaisella sidoksella. Oktetti on sivuutettu, koska sen mukainen rakenne tuottaa atomeille varauksia. Seuraava vaihe Lewisin kaavojen kirjoittamisessa onkin varausten tarkastelu.

Muodollinen varaus on nimensä mukaisesti kirjanpidollinen, ei todellinen. Siinä atomille lasketaan kuuluvan sen jakamattomat elektronit sekä puolet jaetuista elektroneista. Varsin muodollinen ja diplomaattinen määritelmä siis, sillä todellisuudessa elektronegatiiviset alkuaineet eivät tällaiseen tasajakoon suostuisi.

Vedyllä on molekyyleissä aina kaksi sidoselektronia, joten sille kuuluu laskuissa yksi elektroni. Koska yksinäisellä vetyatomilla on silläkin yksi elektroni, vedyllä ei molekyyleissä ole koskaan muodollista varausta.

Hapella on vesimolekyylissä ympärillään kaksi sidosta ja kaksi elektroniparia. Siten hapelle kuuluu kaksi yhteistä elektronia ja kaikki neljä omaa elektronia. Yhteensä elektroneja on kuusi eli saman verran kuin eristetyssä happiatomissa. Hapenkin muodollinen varaus on siis vesimolekyylissä nolla.

Vastaavasti voidaan laskea muodolliset varaukset rikkitrioksidissa. Rikillä on vapaana atomina kuusi ulkoelektronia ja tässä molekyylissä kolme kaksoissidosta: 6 − 3 ⋅ ½ ⋅ 4 = 0. Hapella on vapaana atomina kuusi ulkoelektronia ja tässä molekyylissä yksi kaksoissidos ja kaksi jakamatonta elektroniparia: 6 − ½ ⋅ 4 − 2 ⋅ 2 = 0.

Jos rikillä olisi rikkitrioksidissa yksi kaksoissidos ja kaksi yksinkertaista sidosta, sen muodollinen varaus olisi 6 − ½ ⋅ 4 − 2 ⋅ ½ ⋅ 2 = +2. Kaksoissidoksella liittyneen hapen muodollinen varaus olisi edelleen 0, mutta kahden muun hapen muodolliset varaukset olisivat 6 − ½ ⋅ 2 − 3 ⋅ 2 = −1. Yhteen laskettuna rikin ja hapen varaukset kumoaisivat toisensa, kuten sähköisesti neutraalilla molekyylillä pitääkin tapahtua. Lewisin kaavoja piirrettäessä yritetään kuitenkin välttää muodollisia varauksia, tai ainakin ne pidetään mahdollisimman pieninä.

Lewisin kaavat: rikkitrioksidi varauksellisena
Tässä kaavassa rikkitrioksidin atomeilla on muodollisia varauksia.

Kun piirretään ionien Lewisin kaavoja, ulkoelektronien määrässä pitää ottaa huomioon ionin varaus. Vedessä H2O on 2 ⋅ 1 + 6 = 8 ulkoelektronia. Oksoniumionissa H3O+ on 3 ⋅ 1 + 6 − 1 = 8 ulkoelektronia. Hydroksidi-ionissa OH on 6 + 1 + 1 = 8 ulkoelektronia. Sulfiitti-ionissa SO32− on 6 + 3 ⋅ 6 + 2 = 26 ulkoelektronia.

Muodollisten varausten summan pitää olla yhtä suuri kuin ionin varaus. Oksoniumionissa vedyillä ei ole varausta ja hapen muodolliseksi varaukseksi saadaan 6 − 3 ⋅ ½ ⋅ 2 − 2 = +1. Hydroksidi-ionissa vedyllä ei ole varausta ja hapen muodollinen varaus on 6 − ½ ⋅ 2 − 3 ⋅ 2 = −1. Sulfiitti-ionissa rikin muodollinen varaus on 6 − ½ ⋅ 4 − 2 ⋅ ½ ⋅ 2 − 2 = 0. Kaksoissidoksellisen hapen muodollinen varaus on 6 − ½ ⋅ 4 − 2 ⋅ 2 = 0. Yksinkertaisella sidoksella sitoutuneiden kahden hapen muodolliset varaukset ovat kummallakin 6 − ½ ⋅ 2 − 3 ⋅ 2 = −1. Sulfiitti-ionin kokonaisvaraukseksi tulee siten −2.

Lewisin kaavat: ionit
Oksoniumionin, hydroksidi-ionin ja sulfiitti-ionin muodolliset varaukset. Kokonaisvaraus voidaan merkitä oikeaan yläkulmaan, kun ionin ympärille lisätään hakasulkeet.

Sulfiitti-ionille piirretty rakenne näyttää epäilyttävältä. Voisiko yksi rikin ja hapen välisistä sidoksista olla muita lyhyempi, kun luonnolla tuntuu olevan suoranainen pakkomielle symmetriaa kohtaan?

Todellisuudessa sulfiitti-ionin sidokset ovat kaikki samanlaisia. Päästään Lewisin kaavojen viimeiseen kohtaan, resonanssimuotojen piirtämiseen. Sulfiitti-ionin tapauksessa piirretään kolme kaavaa, joissa kukin happi saa vuorollaan kokea kaksoissidoksen jämäkkyyden. Kaavat erotetaan toisistaan yksinkertaisilla kaksipäisillä nuolilla.

Vaikka fysiikan käsitteenä resonanssi tuo mieleen värähtelyn, sulfiitti-ioni ei hyppele resonanssirakenteesta toiseen. Eri kaavat ovat yrityksiä mallintaa todellisuutta, eikä mikään niistä yksinään osu oikeaan. Lähemmäksi totuutta päästään ottamalla keskiarvo: tällöin jokaisessa sidoksessa on yksi osa kaksoissidosta ja kaksi osaa yksinkertaista sidosta. Samaan tapaan energiajuoma ei ole pelkkää vettä, pelkkää sokeria tai pelkkää kofeiinia, vaan sekoittamalla aineita yhtä suuret määrät saavutetaan suunnilleen oikea makuelämys.

Lewisin kaavat: sulfiitti-ioni
Sulfiitti-ionin Lewisin kaavaan kuuluu kolme resonanssimuotoa. Muodolliset varaukset jätetään usein merkitsemättä. Ionille on tällöin ilmoitettava kokonaisvaraus.

Tästä tuli vähän pidempi sepustus kuin Moolin kuvatekstistä, mutta vasta näillä tiedoilla on mahdollista vastata alkuperäiseen kysymykseen siitä, mikä on otsonin Lewisin kaava.

Otsonissa O3 on 3 ⋅ 6 = 18 ulkoelektronia. Koska rakenteessa on happi keskusatomina, voimme arvata molekyylin olevan taipunut eli V-kirjaimen mallinen.
Lewisin kaavat: otsoni 1
Kahden ensimmäisen sidoksen jälkeen ulkoelektroneja on jäljellä 14. Yritetään ensin käyttää elektronit lisäämällä kehikkoon pelkkiä jakamattomia elektronipareja.
Lewisin kaavat: otsoni 2
Jokaisessa näistä rakenteista on yhdellä hapella vain kuusi elektronia ympärillään, eli elektroneja on kaksi liian vähän. Elektroneja on siis pakko jakaa, joten piirretään kaavaan yksi kaksoissidos.
Lewisin kaavat: otsoni 3
Tämä on Mooli 1:n vastaus, mutta siinä sidokset eivät ole tasa-arvoiset. Lisätään siis toinen resonanssimuoto.
Lewisin kaavat: otsoni 4
Täydelliseen Lewisin kaavaan kuuluvat myös nollasta poikkeavat muodolliset varaukset. Kaksoissidoksellisella päätyhapella on neljä omaa elektronia ja neljä jaettua elektronia, joten muodollisesti sillä on kuusi elektronia eli sama määrä kuin vapaassa atomissa. Keskimmäisellä hapella on kaksi omaa elektronia ja kuusi jaettua elektronia, siis muodollisesti viisi. Se on yksi vähemmän kuin vapaassa atomissa, joten muodollinen varaus on +1. Koska otsoni on kokonaisuutena varaukseton, jäljelle jäävän hapen varauksen on oltava −1. Se voidaan laskea myös lausekkeella 6 − ½ ⋅ 2 − 3 ⋅ 2.

Lewisin kaavat: otsoni 5
Otsonin Lewisin kaava resonanssimuotoineen ja muodollisine varauksineen.

Orgaanisessa kemiassa muodolliset varaukset merkitään yleensä näkyviin. Niitä ei tarvitse laskea erikseen, sillä ne muodostuvat tavallisesti vetyionin H+ liittymisestä tai poistumisesta. Tällöin kokonaisvaraus kasvaa tai pienenee yhdellä.

Lewisin kaavat: orgaaniset
Orgaanisten happojen ja emästen sekä niitä vastaavien ionien Lewisin kaavoja. Orgaanisessa kemiassa resonanssimuodot jätetään piirtämättä, ellei niitä jostain syystä haluta tarkastella erikseen. Kaavoista nähdään, että neljä sidosta muodostavalla typellä on positiivinen varaus ja yhden ainoan sidoksen muodostavalla hapella on negatiivinen varaus.

Lewisin kaavat eivät varsinaisesti kuulu lukiokemiaan, mutta niiden hallitseminen antaa tietynlaisen etulyöntiaseman. Kaavojen piirtämiseen tulee tarkkuutta, ja resonanssimuotojen avulla on mahdollista päätellä funktionaalisten ryhmien happamuutta (siitä lisää myöhemmin).

Lewisin kaavoja oppii tekemään vain harjoittelemalla. Piirrä seuraavien molekyylien ja ionien Lewisin kaavat. Muista antaa mahdolliset muodolliset varaukset ja oleelliset resonanssimuodot.
1. HF
2. CCl4
3. O2
4. CH3NH2
5. HCN
6. H2O2
7. NO+
8. CH3CO2
9. BH3
10. ClO4

Katso malliratkaisu.

Kommentoi tai kysy aiheesta

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Google photo

Olet kommentoimassa Google -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s