5.3: Lewis-diagramok

Lewis egyszerű diagramokat (ma Lewis-diagramoknak nevezzük őket) használt arra, hogy számon tartsa, hány elektron van jelen egy adott atom legkülső, vagy valenciahéjában. Az atom magját, azaz az atommagot a belső elektronokkal együtt a kémiai jel ábrázolja, és csak a valenciaelektronokat rajzolja a kémiai jelet körülvevő pontokként. Így az Elektronok és valencia az 1. ábrán látható három atomot a következő Lewis-diagramokkal lehet ábrázolni:

Ha az atom nemesgázatom, két alternatív eljárás lehetséges. Vagy úgy tekintjük, hogy az atomnak nulla valenciaelektronja van, vagy a legkülső kitöltött héjat tekintjük valenciahéjnak. Az első három nemesgáz így írható fel:

Az előző példából észrevehetjük, hogy az alkálifémek Lewis-diagramjai a kémiai jelek kivételével azonosak. Ez szépen összhangban van az alkálifémek nagyon hasonló kémiai viselkedésével. Hasonlóképpen a többi csoportba tartozó elemek, például az alkáliföldfémek vagy a halogének Lewis-diagramjai is ugyanúgy néznek ki.

A Lewis-diagramok az elemek valenciájának előrejelzésére is használhatók. Lewis azt javasolta, hogy egy atom valenciáinak száma megegyezik a valenciahéjban lévő elektronok számával, illetve azon elektronok számával, amelyeket hozzá kell adni a valenciahéjhoz ahhoz, hogy a következő nemesgáz elektronhéjszerkezetét elérjük. Ennek az elképzelésnek a példájaként tekintsük a Be és az O elemeket. Lewis-diagramjaik, valamint a He és Ne nemesgázokéi a következők

A Be és He összehasonlításakor azt látjuk, hogy az előbbinek két elektronnal több van, ezért a valenciája 2-nek kellene lennie. Az O elemtől 6-os vagy 2-es valenciát várhatnánk, mivel hat valenciaelektronja van – kettővel kevesebb, mint a Ne-nek. Az így kidolgozott valencia-szabályok segítségével Lewis képes volt megmagyarázni a vegyületek indexeinek szabályos növekedését és csökkenését a Valencia fejezetben található és itt reprodukált táblázatban. Ezenkívül a táblázatban szereplő képletek több mint 50 százalékát meg tudta magyarázni. (A táblázatban színnel árnyékoltuk azokat, amelyek megegyeznek az elképzeléseivel. Érdemes most megnézni ezt a táblázatot, és ellenőrizni, hogy a jelzett képletek némelyike követi-e Lewis szabályait). Lewis sikere ezzel kapcsolatban egyértelmű jelét adta annak, hogy a molekulák kialakulásakor az elektronok a legfontosabb tényezők az atomok összetartásában.

A sikerek ellenére Lewis elméleteiben nehézségeket is találunk, különösen a periódusos rendszerben a kalciumon túli elemek esetében. A Br elem (Z = 35) például 17 elektronnal többel rendelkezik, mint a nemesgáz Ar (Z = 18). Ez arra enged következtetni, hogy a Br-nek 17 valenciaelektronja van, ami megnehezíti annak magyarázatát, hogy a Br miért hasonlít annyira a Cl-re és az F-re, holott e két atomnak csak hét valenciaelektronja van.