Die Lewis-Formel – Darstellung von Strukturen

Im Rahmen der Allgemeinen Chemie wird bei Darstellungen von chemischen Strukturen sehr oft die Lewis-Formel bzw. die sogenante Lewis-Schreibweise verwendet. Das Konzept der Lewis-Schreibweise geht auf deren “Erfinder” Lewis zurück. Die Lewis-Formel berücksichigt, dass an einer chemischen Bindung nur die Valenzelektronen beteiligt sind. Die chemischen Eigenschaften werden hauptsächlich durch die Bindungselektronen und freien Elektronen bestimmt. Bei den Bindungselektronen und den freien Elektronen handelt es sich dabei immer um Valenzelektronen (also die Elektronen auf der äußersten Schale – nach dem Bohrschen Atommodell). Innere Elektronen spielen bei der “Ausprägung” von chemischen (und physikalischen) Merkmalen kaum eine Rolle.

Die Lewis-Schreibweise macht sich in Form der Lewis-Formeln genau diese “Eigenschaft” zu nutze, so dass in einfacher Form eine einfache und aussagekräftige Struktur eines Moleküls bzw. Verbindung gezeichnet werden kann. Daher werden bei der Lewis-Formel nur die Elektronen der äußersten Schale (Valenzschale) eines Atoms betrachtet und in Lewis-Formel eingebaut. Alle inneren Elektronen werden bei der Lewis-Schreibweise von chemischen Strukturen vernachlässigt. Die Valenzstrichformel dient dazu, bei Molekülen die Bindung zwischen den Bindungspartner (zweidimensional) zu veranschaulichen. Auch soll besser dargestellt werden, welche Bindungspartner sich Bindungselektronen teilen.

Dabei beruht die Lewis-Formeln (bzw. die Schreibweise von Lewis-Formeln) auf nur ein paar wesentlichen Regeln:

• In der Lewis-Formel schreibt man für jedes Elektron, dass sich um ein Atom in seiner Valenzschale befindet, einen Punkt

• Sind zwei Elektronen bzw. “zwei Punkte” werden die beiden Punkte als Striche dargestellt. Diese “Striche” dienen in der Lewis-Formel zur Darstellung von Bindungsstrichen oder freie Elektronenpaaren

• Die Anzahl der Valenzelektronen eines Atoms entspricht der Hauptgruppennummer im Periodensystem

Lewis-Formel für ein einzelnes Atom

Wollen wir die Lewis-Schreibweise bzw. Lewis-Formel für ein einzelnes Atom aufstellen, so ist dies relativ einfach möglich. Im ersten Schritt ermitteln wir dazu die Zahl der Valenzelektronen des Elements. Bei Hauptgruppenelementen gilt für das betreffende Atom: die Anzahl der Valenzelektronen ist gleich der Hauptgruppennummer. Nun müssen wir bei der Lewis-Schreibweise zwei Fälle betrachten: Atome mit weniger/gleich vier Valenzelektronen bzw. mehr als vier Valenzelektronen.

Atom mit 1 bis 4 Valenzelektronen:

Bei der Erstellung der Lewis-Formel werden die Valenzelektronen als Punkte in den vier Himmelsrichtungen (bzw. oben, unten, links und rechts) um das Elementsymbol gruppiert. Beispielsweise das Kohlenstoffatom (da es in der 4. Hauptgruppe steht, weist es 4 Valenzelektronen auf) 4 Valenzelektronen, die nun um das Elementsymbol “C” gruppiert werden. Die Lewis-Schreibweise (oft auch als Lewis-Formel bezeichnet) sieht für das Kohlenstoffatom folgendermaßen aus:

Atom mit 5 bis 8 Valenzelektronen:

Wollen wir die Lewis-Formel bei einem Atom mit mehr als vier Valenzelektronen anwenden, gehen wir folgendermaßen vor. Nachdem 4 Valenzelektronen um das Elementsymbol gruppiert sind, beginnt man wieder von neuem und gruppiert die nächsten 1 – 4 Valenzelektronen in den vier Himmelsrichtungen um das Elementsymbol herum. Sind nun in einer Himmelsrichtung (bzw. auf einer Seite) zwei “Punkte” wird aus beiden “Punkten” ein Strich gezeichnet (=> ein Elektronenpaar). Beispielsweise ist nachfolgend die Lewis-Formel das Chloratom mit 7 Valenzelektronen angegeben:

Lewis-Formel für binäre Verbindungen (Typ A_xB_y):

In der Regel empfiehlt es sich bei der Erstellung von Lewis-Schreibweisen (Lewis-Formel) für binäre Verbindungen schrittweise vorgehen.

Wenn man am Anfang im Umgang mit der Erstellung von Lewis-Formeln noch nicht sicher ist, empfiehlt sich die Berechnung der bindenden Elektronenpaare einer Verbindung. Die Zahl der Bindungselektronen ergibt sich als Summe der Valenzelektronen der Bindungspartner, die von der für die Edelgaskonfiguration nötigen Valenzelektronen abgezogen wird.

Nehmen wir das Beispiel CO₂, für das wir die Lewis-Formel aufstellen wollen

• benötigte VE: Sowohl Kohlenstoff als auch Sauerstoff benötigen 8 VE für das Erreichen der Edelgaskonfiguration: 3 x 8 VE = 24 VE
• vorhandene VE: 4 VE (für das Kohlenstoffatom) und 2 x 6 VE (für die beiden Sauerstoffatome) = 16 VE
• bindende Elektronen: benötigte VE – vorhandene VE = 24- 16 = 8

Mit Hilfe dieser Berechnung wissen wir, dass die Lewis-Schreibweise bzw. Lewis-Formel von Kohlenstoffdioxid 4 bindende Elektronenpaare (= 8 Elektronen) zeigt. Dies zeigt uns bereits, dass in der Lewis-Formel von Kohlenstoffdioxid mindestens eine Doppelbindung vorhanden sein muss (3 Atome und 4 Bindungen).

Die Regel zur Erstellung der Lewis-Formel “klingt” relativ einfach. Die einzelnen Lewis-Formeln der Atome werden so miteinander kombiniert, dass alle Atome in der Verbindung die Edelgaskonfiguration erreichen.

Hier noch ein paar “Tricks”, wie man sich die Erstellung einer Lewis-Formel einfacher gestalten kann:

• Wasserstoffatom ist immer einbindig und stehen damit am Rand eines Moleküls (das Wasserstoffatom kann nur einen Bindungspartner haben)
• Das Atom mit größter Wertigkeit ist meist zentral angeordnet
• Bei binären Verbindungen wird die “Bindigkeit” der einzelnen Atome in der Regel eingehalten.

Nun zu unserem Beispiel: Lewis-Formel von Kohlenstoffdioxid

• Kohlenstoff hat mit “4” die größte Wertigkeit (Sauerstoff hat die Wertigkeit “2”). Daher setzen wir in der Valenzstrichformel das Elementsymbol “C” zentral in die Mitte.

• Kohlenstoff ist vierbindig, während Sauerstoff zweibindig ist. Das bedeutet, es ist davon auszugehen, dass jedes Sauerstoffatom mit dem Kohlenstoffatom zwei Elektronenpaarbindungen teilt:

• Zwischenergebnis: O=C=O

• Nun müssen wir noch die “nichtbindenden” Elektronen verteilen, so dass alle Atome in der Verbindung die Edelgaskonfiguration erreichen. Daher fehlen bei jedem Sauerstofflatom noch vier Elektronen.

Nun können wir noch überprüfen, ob unsere Lewis-Formel für Kohlenstoffdixoxid korrekt ist:

• Es müssen vier Elektronenpaarbindungen vorhanden sein (=> sind vorhanden, zwei Doppelbindungen)
• Insgesamt müssen 16 Valenzelektronen vorhanden sein (=> sind vorhanden)
• Alle Atome in der Verbindung “besitzen” Edelgaskonfiguration (=> stimmt)