Model atomu Lewisa

Model atomu Lewisa (w oryginale ang. cubical model, pol. model sześcienny) – historyczny model budowy atomu, opublikowany w 1916 (choć opracowany już w 1902) przez amerykańskiego fizykochemika Gilberta N. Lewisa. Zakłada on m.in., że powłoki elektronowe mają kształt sześcianów, a elektrony rozmieszczone są na ich wierzchołkach. Model Lewisa ma charakter jakościowy. W przeciwieństwie do konkurencyjnego wówczas modelu atomu Bohra nie dostarcza aparatu matematycznego do obliczenia np. energii powłok czy długości linii widmowych^[1]. Jest także sprzeczny z ówczesną, choć nieugruntowaną jeszcze wówczas^[2], wiedzą o kształcie atomów czy też ruchu elektronów na powłokach. Pozwala on jednak przewidzieć niektóre własności wiązań chemicznych (np. regułę Abegga). Był punktem wyjścia do opracowania przez Lewisa teorii wiązania kowalencyjnego i koncepcji struktury punktowej^[1].

Model Lewisa – schematy ostatnich powłok elektronowych pierwiastków drugiego okresu

Model wyszedł z użycia w obliczu rozwoju mechaniki kwantowej^[3], której jednym z rezultatów jest wprowadzona do obiegu naukowego w 1926 teoria atomu oparta na koncepcji orbitali.

Lewis zdawał sobie sprawę z niekompletności modelu, dostrzegając np. to, że nie wyjaśnia on własności chemicznych pierwiastków spoza grup głównych^[4], jak również błędnie implikuje obecność 8 elektronów na powłoce zewnętrznej atomu helu^[5].

Postulaty Lewisa

Systematyczny opis swojego modelu Lewis opublikował w 1916 w artykule „The Atom and the Molecule” (pol. Atom i cząsteczka). Swoje rozumowanie skoncentrował wokół sześciu postulatów o strukturze atomowej^[6].

1. Atom posiada część wewnętrzną („jądro”), która nie ulega zmianom podczas typowych przemian chemicznych. W „jądrze” występuje nadmiar elektrycznego ładunku dodatniego w ilości zależnej od numeru grupy głównej układu okresowego, w której znajduje się pierwiastek.
2. Atom posiada także część zewnętrzną („powłokę”), w której znajdują się elektrony. W swobodnym atomie (obojętnym elektrycznie) liczba elektronów odpowiada numerowi grupy układu okresowego. W wyniku przemian chemicznych liczba ta może się zmieniać od 0 do 8.
3. Atom zmierza do posiadania parzystej liczby elektronów na „powłoce”, a w szczególności do posiadania tam 8 elektronów. Elektrony w normalnych warunkach rozmieszczone są symetrycznie na 8 wierzchołkach sześcianu.
4. Dwie powłoki atomowe mogą się wzajemnie przenikać.
5. Elektrony mogą zmieniać swoją pozycję na „powłoce”, jednak są one utrzymywane w miejscu przez pewne więzy. Wielkość sił wiążących oraz dokładne położenie elektronu są determinowane przez rodzaj atomu i atomów z nim związanych.
6. Siły elektryczne pomiędzy cząstkami znajdującymi się bardzo blisko siebie nie spełniają prawa Coulomba.

„Jądro” (ang. kernel), o którym mowa w pierwszym postulacie, nie jest tożsame z jądrem atomowym we współczesnym rozumieniu – raczej z całym atomem z wyłączeniem powłoki walencyjnej. Zgodnie z nomenklaturą stosowaną przez Lewisa, „powłoka” wypełniona 8 elektronami staje się częścią „jądra”, natomiast dodanie kolejnego elektronu skutkuje stworzeniem kolejnej „powłoki”^[4]. W ten sposób powstawać miały współśrodkowe sześcienne powłoki elektronowe^[4].

Wiązania chemiczne w modelu Lewisa

Według modelu Lewisa, atomy tworzą wiązania kowalencyjne poprzez łączenie się ze sobą sześciennych powłok elektronowych. Wiązanie pojedyncze powstaje wówczas, gdy powłoki złączą się jedną krawędzią (uwspólniając w ten sposób jedną parę elektronów)^[7], natomiast podwójne wtedy, kiedy łączą się czterema krawędziami (uwspólniając 2 pary elektronów)^[8].

A – wiązanie jonowe, B – stan przejściowy prowadzący do wiązania pojedynczego, C – wiązanie pojedyncze.

Wiązanie podwójne.

Wiązanie jonowe modelowane jest przez przejście pojedynczego elektronu z powłoki jednego atomu na powłokę drugiego. Powłoki pozostają jednak niezłączone^[7].

Istnienie wiązania potrójnego Lewis wyjaśniał, posiłkując się dodatkową hipotezą. Przypuszczał, że w niektórych przypadkach 8 atomów powłoki może łączyć się w 4 pary umieszczone na wierzchołkach czworościanu foremnego. Połączenie trzema krawędziami dwóch takich powłok powoduje uwspólnienie trzech par elektronów (wiązanie potrójne)^[9].

Łączenie elektronów w pary leżące na wierzchołkach tetraedru

Przypisy

Bibliografia

• Gilbert N. Lewis. The Atom and the Molecule. „Journal of the American Society”. 38 (4), s. 762-785, 1916-04. DOI: 10.1021/ja02261a002 (ang.). 
• Irving Langmuir. The Arrangement of Electrons in Atoms and Molecules. „Journal of the American Society”. 41 (6), s. 868-934, 1919-06. DOI: 10.1021/ja02227a002 (ang.). }
• Linus Pauling: The Nature of the Chemical Bond. Ithaca: Cornell University Press, 1960. ISBN 0-8014-0333-2.}

Modele atomów Atom Jądro atomowe Pojedyncze atomy Model Daltona Model Thomsona Model Lewisa Model Nagaoki Model Rutherforda Model Bohra Model Bohra-Sommerfelda Model Gryzińskiego Model Schrödingera Atomy w ciałach stałych Model Drudego Model Drudego-Sommerfelda Model elektronów prawie swobodnych Pasmowa teoria przewodnictwa Teoria funkcjonału gęstości Atomy w cieczach Ciekły hel Atomy w gazach Gazy szlachetne Wodór atomowy Uczeni Felix Bloch Niels Bohr John Dalton Paul Drude Michał Gryziński Irving Langmuir Gilbert Lewis Hantaro Nagaoka Ernest Rutherford Erwin Schrödinger Arnold Sommerfeld Joseph John Thomson