СТРУКТУРА ЛЬЮИСА: ЧТО ЭТО ТАКОЕ, КАК СДЕЛАТЬ, ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2026

Структура Льюиса - это все, что представляет собой ковалентные связи внутри молекулы или иона. В нем эти связи и электроны представлены точками или длинными штрихами, хотя в большинстве случаев точки соответствуют неподеленным электронам, а штрихы - ковалентным связям.

Но что такое ковалентная связь? Это разделение пары электронов (или точек) между любыми двумя атомами периодической таблицы. С помощью этих диаграмм можно нарисовать множество скелетов для данного соединения. Какой из них правильный, будет зависеть от формальных зарядов и химической природы самих атомов.

2-бромпропановое соединение. Автор Бен Миллс, из Wikimedia Commons.

На изображении выше у вас есть пример того, что такое структура Льюиса. В этом случае представляемое соединение представляет собой 2-бромпропан. Вы можете видеть черные точки, соответствующие электронам, как тем, которые участвуют в связях, так и не разделяют (единственная пара чуть выше Br).

Если бы пары точек «:» были заменены длинным тире «-», то углеродный скелет 2-бромпропана был бы представлен как: C - C - C. Почему это не могло быть C - H - H - C вместо нарисованного «молекулярного каркаса»? Ответ кроется в электронных характеристиках каждого атома.

Таким образом, поскольку водород имеет один электрон и одну орбиталь, доступную для заполнения, он образует только одну ковалентную связь. Следовательно, он никогда не может образовывать две связи (не путать с водородными связями). С другой стороны, электронная конфигурация атома углерода позволяет (и требует) образование четырех ковалентных связей.

По этой причине структуры Льюиса, в которых участвуют C и H, должны быть когерентными и учитывать то, что регулируется их электронными конфигурациями. Таким образом, если углерод имеет более четырех связей или водород более одной, то эскиз можно отбросить и начать новый, более соответствующий реальности.

Именно здесь появляется один из основных мотивов или подтверждений этих структур, введенный Гилбертом Ньютоном Льюисом в его поисках молекулярных представлений, верных экспериментальным данным: молекулярная структура и формальные заряды.

Все существующие соединения могут быть представлены структурами Льюиса, что дает первое приближение к тому, на что могут быть похожи молекула или ионы.

Что такое структура Льюиса?

Это типичная структура валентных электронов и ковалентных связей в молекуле или ионе, которая позволяет получить представление о ее молекулярной структуре.

Однако эта структура не может предсказать некоторые важные детали, такие как геометрия молекулы относительно атома и его окружения (квадрат, тригональная плоскость, бипирамидальность и т. Д.).

Точно так же он ничего не говорит о химической гибридизации его атомов, но говорит, где расположены двойные или тройные связи и есть ли резонанс в структуре.

Обладая этой информацией, можно спорить о реакционной способности соединения, его стабильности, о том, как и по какому механизму будет следовать молекула, когда она вступит в реакцию.

По этой причине структуры Льюиса никогда не перестают быть рассмотрены и очень полезны, поскольку в них можно сконцентрировать новое химическое обучение.

Как это делается?

Чтобы нарисовать или набросать структуру, формулу или диаграмму Льюиса, необходима химическая формула соединения. Без него вы даже не сможете узнать, из каких атомов он состоит. Однажды с ним, периодическая таблица используется, чтобы определить, к каким группам они принадлежат.

Например, если у вас есть соединение C ₁₄ O ₂ N _3, вам нужно будет искать группы, в которых находятся углерод, кислород и азот. Как только это будет сделано, неважно, что это за соединение, количество валентных электронов останется прежним, поэтому рано или поздно они запоминаются.

Таким образом, углерод относится к группе IVA, кислород - к группе VIA, а азот - к VA. Номер группы равен количеству валентных электронов (точек). Все они имеют общую тенденцию заполнять октет валентной оболочки.

Что такое правило октетов?

Это говорит о том, что атомы стремятся заполнить свой энергетический уровень восемью электронами для достижения стабильности. Это относится ко всем неметаллическим элементам или элементам, содержащимся в блоках sop периодической таблицы.

Однако не все элементы подчиняются правилу октетов. Частными случаями являются переходные металлы, структура которых основана больше на формальных зарядах и их групповом номере.

Число электронов в валентной оболочке неметаллических элементов, в которых может работать структура Льюиса.

Применяя математическую формулу

Зная, к какой группе принадлежат элементы, и, следовательно, количество валентных электронов, доступных для образования связей, мы действуем по следующей формуле, которая полезна для построения структур Льюиса:

C = N - D

Где C означает общие электроны, то есть те, которые участвуют в ковалентных связях. Поскольку каждая связь состоит из двух электронов, то C / 2 равно количеству связей (или штрихов), которые необходимо нарисовать.

N - необходимые электроны, которые атом должен иметь в своей валентной оболочке, чтобы быть изоэлектронным благородному газу, который следует за ним в тот же период. Для всех элементов, кроме H (поскольку для сравнения с He требуется два электрона), им нужно восемь электронов.

D - доступные электроны, которые определяются группой или числом валентных электронов. Таким образом, поскольку Cl принадлежит к группе VIIA, он должен быть окружен семью черными точками или электронами, и имейте в виду, что пара необходима для образования связи.

Имея атомы, их точки и количество связей C / 2, структура Льюиса может быть импровизирована. Но дополнительно необходимо иметь представление о других «правилах».

Где разместить наименее электроотрицательные атомы

Наименее электроотрицательные атомы в подавляющем большинстве структур занимают центры. По этой причине, если у вас есть соединение с атомами P, O и F, P, следовательно, должен находиться в центре гипотетической структуры.

Также важно отметить, что водороды обычно связываются с сильно электроотрицательными атомами. Если у вас есть Zn, H и O в составе, H будет идти вместе с O, а не с Zn (Zn - O - H, а не H - Zn - O). Из этого правила есть исключения, но обычно это происходит с неметаллическими атомами.

Симметрия и формальные нагрузки

Природа отдает предпочтение созданию максимально симметричных молекулярных структур. Это помогает избежать создания беспорядочных структур с атомами, расположенными таким образом, что они не подчиняются какой-либо видимой схеме.

Например, для соединения C ₂ A ₃ , где A - фиктивный атом, наиболее вероятной структурой будет A - C - A - C - A. Обратите внимание на симметрию его сторон, оба отражения друг друга.

Формальные заряды также играют важную роль при рисовании структур Льюиса, особенно для ионов. Таким образом, связи могут быть добавлены или удалены так, чтобы формальный заряд атома соответствовал показанному общему заряду. Этот критерий очень полезен для соединений переходных металлов.

Ограничения правила октетов

Представление трифторида алюминия, соединения, которое является нестабильным. Оба элемента состоят из шести электронов, которые образуют три ковалентные связи, тогда как для достижения стабильности их должно быть восемь. Источник: Габриэль Боливар

Не все правила соблюдаются, что не обязательно означает, что структура неправильная. Типичные примеры этого наблюдаются во многих соединениях, в которых задействованы элементы группы IIIA (B, Al, Ga, In, Tl). Здесь специально рассматривается трифторид алюминия (AlF ₃ ).

Применяя затем формулу, описанную выше, мы имеем:

D = 1 × 3 (один атом алюминия) + 7 × 3 (три атома фтора) = 24 электрона

Здесь 3 и 7 - соответствующие группы или числа валентных электронов, доступных для алюминия и фтора. Затем, учитывая необходимые электроны N:

N = 8 × 1 (один атом алюминия) + 8 × 3 (три атома фтора) = 32 электрона

И поэтому общие электроны:

C = N - D

C = 32-24 = 8 электронов

C / 2 = 4 звена

Поскольку алюминий является наименее электроотрицательным атомом, его нужно поместить в центр, а фтор образует только одну связь. Учитывая это, мы имеем структуру Льюиса AlF ₃ (верхнее изображение). Общие электроны выделены зелеными точками, чтобы отличить их от других.

Хотя расчеты предсказывают, что должно быть образовано 4 связи, в алюминии не хватает электронов, а также нет четвертого атома фтора. В результате алюминий не соответствует правилу октетов, и этот факт не отражается в расчетах.

Примеры структур Льюиса

йод

Неметаллы йода имеют по семь электронов каждый, поэтому, разделяя по одному из этих электронов, они создают ковалентную связь, которая обеспечивает стабильность. Источник: Габриэль Боливар

Йод является галогеном и поэтому относится к группе VIIA. Таким образом, она имеет семь валентных электронов, и эту простую двухатомную молекулу можно представить импровизацией или применением формулы:

D = 2 × 7 (два атома йода) = 14 электронов

N = 2 × 8 = 16 электронов

C = 16-14 = 2 электрона

C / 2 = 1 ссылка

Из 14 электронов 2 участвуют в ковалентной связи (зеленые точки и тире), 12 остаются неразделенными; и поскольку они представляют собой два атома йода, необходимо разделить 6 на один из них (его валентные электроны). Только такая структура возможна в этой молекуле, геометрия которой линейна.

аммоний

Азот имеет 5 электронов, а водород только 1. Достаточно для достижения стабильности путем установления трех ковалентных связей, состоящих из одного электрона от N и другого от H Источник: Габриэль Боливар

Какова структура Льюиса у молекулы аммиака? Поскольку азот относится к группе VA, он имеет пять валентных электронов, а затем:

D = 1 × 5 (один атом азота) + 1 × 3 (три атома водорода) = 8 электронов

N = 8 × 1 + 2 × 3 = 14 электронов

C = 14-8 = 6 электронов

C / 2 = 3 звена

На этот раз формула верна с количеством ссылок (три зеленые ссылки). Поскольку 6 из 8 доступных электронов участвуют в связях, остается неподеленная пара, которая расположена над атомом азота.

Эта структура говорит все, что нужно знать об аммиачной основе. Применяя знания о TEV и TRPEV, можно сделать вывод, что геометрия является тетраэдрической, искаженной парой, свободной от азота, и, следовательно, ее гибридизация имеет sp ³ .

С

Источник: Габриэль Боливар

Формула соответствует органическому соединению. Перед применением формулы следует помнить, что атомы водорода образуют одинарную связь, кислород два, углерод четыре и что структура должна быть как можно более симметричной. Действуя, как в предыдущих примерах, мы имеем:

D = 6 × 1 (шесть атомов водорода) + 6 × 1 (один атом кислорода) + 4 × 2 (два атома углерода) = 20 электронов

N = 6 × 2 (шесть атомов водорода) + 8 × 1 (один атом кислорода) + 8 × 2 (два атома углерода) = 36 электронов

C = 36-20 = 16 электронов

C / 2 = 8 звеньев

Количество зеленых штрихов соответствует 8 расчетным ссылкам. Предлагаемая структура Льюиса представляет собой этанол CH ₃ CH ₂ OH. Однако было бы также правильно предложить структуру диметилового эфира CH ₃ OCH ₃ , которая является еще более симметричной.

Какой из двух «более» правильный? Обе они одинаковы, поскольку структуры возникли как структурные изомеры одной и той же молекулярной формулы C ₂ H ₆ O.

Перманганат-ион

Источник: Габриэль Боливар

Ситуация усложняется, когда желательно получить структуры Льюиса для соединений переходных металлов. Марганец относится к группе VIIB, аналогично электрон отрицательного заряда должен быть добавлен к имеющимся электронам. Применяя формулу, получаем:

D = 7 × 1 (один атом марганца) + 6 × 4 (четыре атома кислорода) + 1 электрон, умноженный на заряд = 32 электрона

N = 8 × 1 + 8 × 4 = 40 электронов

C = 40-32 = 8 общих электронов

C / 2 = 4 звена

Однако переходные металлы могут иметь более восьми валентных электронов. Кроме того, чтобы ион MnO ₄ ^- показал отрицательный заряд, необходимо уменьшить формальные заряды атомов кислорода. Как? Через двойные связи.

Если бы все связи MnO ₄ ^- были простыми, формальные заряды атомов кислорода были бы равны -1. Поскольку их четыре, результирующий заряд для аниона будет -4, что, очевидно, неверно. Благодаря образованию двойных связей гарантируется, что отдельный кислород имеет отрицательный формальный заряд, отраженный в ионе.

В перманганат-ионе видно, что есть резонанс. Это означает, что единственная одинарная связь Mn - O делокализована между четырьмя атомами O.

Дихромат-ион

Источник: Габриэль Боливар

Наконец, аналогичный случай имеет место с дихромат-ионом (Cr ₂ O ₇ ). Хром принадлежит к группе VIB, поэтому имеет шесть валентных электронов. Снова применяя формулу:

D = 6 × 2 (два атома хрома) + 6 × 7 (семь атомов кислорода) + 2 электрона, умноженные на двухвалентный заряд = 56 электронов

N = 8 × 2 + 8 × 7 = 72 электрона

C = 72 - 56 = 16 общих электронов

C / 2 = 8 звеньев

Но здесь не 8 связей, а 12. По тем же причинам, обнаруженным в перманганат-ионе, должны оставаться два атома кислорода с отрицательными формальными зарядами, которые в сумме составляют -2, заряд дихромат-иона.

Таким образом, добавляется столько двойных связей, сколько необходимо. Таким образом, мы приходим к структуре Льюиса изображения Cr ₂ O ₇ ^2– .

Ссылки

1. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. Химия. (8-е изд.). CENGAGE Learning, стр. 251.
2. Lewis Structures. Взято с: chemed.chem.purdue.edu
3. Стивен А. Хардингер, факультет химии и биохимии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. (2017). Структура Льюиса. Взято с: chem.ucla.edu
4. Уэйн Бреслин. (2012). Рисование структур Льюиса. Взято с: terpconnect.umd.edu
5. Веб-мастер. (2012). Льюис («электронная точка») Структуры. Департамент химии, Университет штата Мэн, Ороно. Взято с: chemistry.umeche.maine.edu
6. Ланкастер, Шон. (25 апреля 2017 г.). Как определить количество точек в структуре точек Льюиса элемента. Sciencing. Получено с: sciencing.com