化学結合は、2つ以上の原子やイオンの間の複雑な相互作用であり、分子の位置エネルギーを減少させます。ギルバート・N・ルイスは、化学結合形成の描写を単純化し、一般的な化合物に見られる化学結合をわかりやすく説明した「ルイスモデル」と呼ばれるモデルを開発しました。

ルイスモデル

ルイスモデルでは、化学結合の形成を、安定した電子配置を得るための価電子の共有や移動によって表しています。金属と非金属の間で電子が移動するとイオン結合が形成され、2つの非金属の間で電子が共有されると共有結合が形成されます。

ルイスモデルは、隣接する原子の電子と原子核の間の引力と斥力に伴うエネルギー変化を考慮せずに、結合の形成を記述するためだけに使用されます。これらの相互作用は化学結合の中心となるものですが、その値を正確に決定することは複雑です。そこでルイスは、原子価電子による化学結合を表現するために、ルイス記号と呼ばれる特別な絵を考案しました。

ルイス記号

ルイス記号は、原子や単原子イオンの価電子の配置を表します。ルイス記号は、元素記号の周りを、その原子の価電子ごとに1つのドットで囲んだものです。例えば、ナトリウムは1個の価電子を持っているので、Naという記号の周りに1個のドットが描かれています。

主要族元素の場合、価電子の数は周期表のアルファベットの族番号で示されます。例えば、リチウム（Li）はIA族に属し、電子数は1個、ベリリウム（Be）はIIA族に属し、価電子数は2個です。

ルイスモデルには例外があります。ヘリウムでは、価電子の数と基数が一致しません。遷移金属、ランタノイド、アクチノイドは、内殻が不完全に満たされているため、単純なルイスのドット記号では書けません。

オクテット測

ハロゲン分子（F₂、Br₂、I₂、At₂）は、塩素分子のように、原子間に1つの単結合、原子あたり3つの孤立電子対という結合を形成します。これにより、各ハロゲン原子は希ガスの電子配置を持つことになります。sまたはpブロックの原子が8個の価電子を得るのに十分な結合を形成する傾向は、オクテット則として知られています。オクテット則は、結合したときの位置エネルギーが小さくなる原子の組み合わせを予測するものです。

原子が形成できる結合の数は、多くの場合、オクテット（8個の価電子）になるために必要な電子の数から予測できます。これは、特に周期表第2周期の非金属（C、N、O、F）に当てはまります。

• 14族元素は、最外殻に4個の電子を持っているため、オクテットになるにはさらに4個の電子が必要です。この4つの電子は、CH₄（メタン）の炭素やSiH₄（シラン）のケイ素のように、4つの共有結合を形成することで得ることができます。
• 窒素などの15族元素は、原子のルイス記号で、1つの孤立したペアと3つの不対電子の計5つの価電子を持ちます。これらの原子は、NH₃（アンモニア）のように、3つの共有結合を形成します。
• 酸素などの16族元素は、H₂O（水）の2つの水素原子との結合のように、2つの共有結合を形成することでオクテットを得ます。

オクテット測には例外があります。水素は、価電子を2個だけ持っていればよいので、オクテット測の例外となります。この場合、水素はデュエットに達していると言われます。遷移元素や内部遷移元素もオクテット測には従いません。

このテキストは 、 Openstax, Chemistry 2e, 第 7.3 章 : Lewis Symbols and Structures から引用しています。