9.2: Символы Льюиса и правило октетов

Химические связи представляют собой сложные взаимодействия между двумя или более атомами или ионами, которые уменьшают потенциальную энергию молекулы. Гилберт Льюис разработал модель, которая упростила отображение химического соединения и предоставила простые объяснения для химических связей, наблюдающихся в большинстве распространенных соединений.  

Модель Льюиса

Модель Льюиса описывает формирование химической связи путем разделения или передачи валентных электронов, что помогает достичь стабильной электронной конфигурации. Ионная связь образуется при передаче электронов между металлом и неметаллом, в то время как ковалентная связь образуется при разделении электронов между двумя неметаллами.

Модель Льюиса используется исключительно для описания связных образований без учета изменений энергии, связанных с притяжениями и отталкиваниеми между электронами и ядрами на соседних атомах. Несмотря на то, что эти взаимодействия имеют центральное значение для химического соединения, точное определение значений является сложным. Вместо этого Льюис спроектировал специальные рисунки для отображения химических связей с использованием валентных электронов, называемых символами Льюиса.  

Символы Льюиса

Символы Льюиса описывают конфигурации электронов валентности атомов и моноатомных ионов. Символ Льюиса состоит из элементарного символа, окруженного одной точкой для каждого из его валентных электронов. Например, натрий имеет один валентный электрон, поэтому вокруг символа Na рисуется одна точка.  

Для элементов основной группы количество валентных электронов указывается в таблице периодических значений с помощью маркированных номеров группы. Например, литий (Li) принадлежит к группе IA и имеет один электрон; бериллий (Ве) является элементом группы IIA и имеет два валентных электрона.  

Существуют исключения для модели Льюиса. В гелие число электронов валентности не совпадает с номером группы. Переходные металлы, лантаниды и актиниды имеют неполностью заполненные внутренние оболочки, поэтому их нельзя записать простыми символами точки Льюиса.  

Правило октета

Молекулы галогена (F₂, BR₂, I₂ и AT₂) образуют связи, как в молекуле хлора: Одна одинарная связь между атомами и тремя одиночными парами электронов на атом. Это позволяет каждому атому галогена иметь благородную конфигурацию электрона. Склонность атомов s- или p-блока к формированию достаточного количества связей для получения восьми валентных электронов известна как правило октета. Правило октета предсказывает комбинации атомов, которые будут иметь меньшую потенциальную энергию при соединении.

Количество связей, которые может сформировать атом, часто можно предсказать из числа электронов, необходимых для достижения октета (восемь валентных электронов); это особенно верно для неметаллов второго периода периодической таблицы (C, N, O и F).  

• Элементы группы 14 имеют четыре электрона в самой дальней оболочке и поэтому для доступа к октету требуется еще четыре электрона. Эти четыре электрона можно получить, образовав четыре ковалентные связи, такие как углерод в CH₄ (метан) и кремний в SiH₄ (силан).  
• Элементы группы 15, такие как азот, имеют пять валентных электронов в символе атомарного Льюиса: Однунеподелённую пару и три неспаренных электрона. Эти атомы образуют три ковалентные связи, как в NH₃ (аммиак).  
• Элементы группы 16, такие как кислород и другие атомы, получают октет, образуя две ковалентные связи - как связывание с двумя атомами водорода в H2O (воде).

Существуют исключения из правила октета. Поскольку водороду требуется только два электрона для заполнения его оболочки валентности, это исключение из правила октета. В этом случае водород, как говорят, достиг дуэта. Переходные элементы и внутренние переходные элементы также не следуют правилу октета.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., глава 7.3: Символы и структуры Льюиса.

Химическая связь включает в себя обмен или передачу валентных электронов между двумя или более атомами, что приводит к снижению потенциальной энергии фактору, способствующего образованию связи. Процесс образования связи с использованием валентных электронов объясняется моделью Льюиса. В модели Льюиса каждый валентный электрон атома из s-или p-блока обозначен точкой, окружающей сокращенное название элемента, которое называется символом Льюиса.

Кислород, например, имеет электронную конфигурацию 1s2, 2s2, 2p4 и, следовательно, шесть валентных электронов. Первые четыре точки расположены с каждой стороны символа кислорода, по одной точке в каждом направлении. Оставшиеся два валентных электрона размещены с двух других сторон вокруг атома.

Каждая сторона эквивалентна и может принимать максимум два электрона. Количество непарных точек представляет собой количество связей, которые может образовывать каждый атом этого элемента. Элементы последней группы, как и неон, являются благородными газами и не образуют химических связей.

Благородные газы обладают высокой энергией ионизации и очень стабильны, учитывая их электронную конфигурацию полной внешней оболочки. У символа Льюиса для неона восемь точек, по две точки с каждой стороны, представляющих заполненную электронную конфигурацию;другими словами, октет. Правило октетов гласит, что атом имеет тенденцию терять, приобретать или делиться электронами в форме связей до тех пор, пока не будет достигнута стабильная электронная конфигурация, октет.

Рассмотрим двуокись углерода. Углерод имеет четыре неспаренных электрона, а кислород два. Количество неспаренных электронов представляет собой количество электронов, необходимое для образования октета.

Следовательно, углерод делит два электрона с одним кислородом, а два других электрона с другим кислородом, так что каждый атом может достичь октета. Водород и гелий являются исключением из правила октетов, поскольку у них есть только одна s-орбиталь, которая может содержать всего 2 электрона;поэтому говорят, что водород или гелий образуют дуэт.