LEWISOVA ŠTRUKTÚRA: ČO TO JE, AKO TO UROBIŤ, PRÍKLADY - CHÉMIA - 2026

Lewis štruktúra je všetko, čo znázornenie kovalentných väzieb vnútri molekuly alebo iónu. V tomto sú tieto väzby a elektróny reprezentované bodkami alebo dlhými čiarkami, hoci väčšinu času tieto bodky zodpovedajú nezdieľaným elektrónom a pomlčky kovalentným väzbám.

Čo je to kovalentná väzba? Je to zdieľanie páru elektrónov (alebo bodov) medzi akýmikoľvek dvoma atómami periodickej tabuľky. Pomocou týchto diagramov je možné pre danú zlúčeninu nakresliť mnoho kostrov. Ktorý je správny, bude závisieť od formálnych nábojov a chemickej povahy samotných atómov.

2-brómpropánová zlúčenina. Ben Mills, z Wikimedia Commons.

Na obrázku vyššie je príklad toho, čo je Lewisova štruktúra. V tomto prípade je predstavovanou zlúčeninou 2-brómpropán. Môžete vidieť čierne bodky zodpovedajúce elektrónom, tie, ktoré sa podieľajú na väzbách, ako aj tie, ktoré sa nezdieľajú (jediný pár tesne nad Br).

Ak by boli dvojice bodiek „:“ nahradené dlhou pomlčkou „-“, potom by bola uhlíková kostra 2-brómpropánu znázornená ako: C - C - C. Prečo to nemohlo byť C - H - H - C namiesto nakreslenej „molekulárnej štruktúry“? Odpoveď spočíva v elektronických charakteristikách každého atómu.

Preto, pretože vodík má k dispozícii jeden elektrón a jeden orbitál, ktorý je k dispozícii, tvorí iba jednu kovalentnú väzbu. Preto nikdy nemôže tvoriť dve väzby (nesmie sa zamieňať s vodíkovými väzbami). Na druhej strane, elektronická konfigurácia atómu uhlíka umožňuje (a vyžaduje) vytvorenie štyroch kovalentných väzieb.

Z tohto dôvodu musia byť Lewisove štruktúry, do ktorých zasahujú C a H, konzistentné a musia rešpektovať to, čo sa riadi ich elektronickými konfiguráciami. Týmto spôsobom, ak má uhlík viac ako štyri väzby alebo vodík viac ako jednu, potom je možné skicu vyhodiť a začať novú, ktorá bude viac v súlade s realitou.

Práve tu sa objavuje jeden z hlavných motívov alebo podporných štruktúr týchto štruktúr, ktorý predstavil Gilbert Newton Lewis pri hľadaní molekulárnych reprezentácií verných experimentálnym údajom: molekulárna štruktúra a formálne náboje.

Všetky existujúce zlúčeniny môžu byť reprezentované Lewisovými štruktúrami, čo dáva prvú aproximáciu toho, ako by mohla byť molekula alebo ióny.

Čo je to Lewisova štruktúra?

Je to reprezentatívna štruktúra valenčných elektrónov a kovalentných väzieb v molekule alebo ióne, ktorá slúži na získanie predstavy o jej molekulárnej štruktúre.

Táto štruktúra však nedokáže predpovedať niektoré dôležité detaily, ako je molekulárna geometria, pokiaľ ide o atóm a jeho prostredie (ak je štvorec, trigonálna rovina, bipyramidálna atď.).

Podobne nehovorí nič o tom, čo je chemická hybridizácia jeho atómov, ale hovorí, kde sa nachádzajú dvojité alebo trojité väzby a či je v štruktúre rezonancia.

Na základe týchto informácií je možné argumentovať reaktivitou zlúčeniny, jej stabilitou, ako a akým mechanizmom molekula bude reagovať, keď reaguje.

Z tohto dôvodu sa nikdy neuvažuje o Lewisových štruktúrach a sú veľmi užitočné, pretože v nich môže dôjsť ku kondenzácii nového chemického učenia.

Ako sa to robí?

Na nakreslenie alebo načrtnutie štruktúry, vzorca alebo Lewisovho diagramu je nevyhnutný chemický vzorec zlúčeniny. Bez nej nemôžete ani vedieť, ktoré atómy tvoria. Raz s ním sa periodická tabuľka používa na nájdenie skupín, do ktorých patria.

Napríklad, ak máte zlúčeninu C ₁₄ O ₂ N ₃ potom by musel hľadať skupiny, kde sú uhlík, kyslík a dusík. Akonáhle sa tak stane, bez ohľadu na to, čo je to zlúčenina, počet valenčných elektrónov zostáva rovnaký, takže skôr alebo neskôr sa zapamätajú.

Uhlík teda patrí do skupiny IVA, kyslík do skupiny VIA a dusík do VA. Číslo skupiny sa rovná počtu valenčných elektrónov (bodov). Všetci majú spoločnú tendenciu vyplniť oktet z valencie.

Čo je oktetové pravidlo?

To hovorí, že atómy majú tendenciu dokončiť svoju energetickú hladinu ôsmimi elektrónmi, aby dosiahli stabilitu. Platí to pre všetky nekovové prvky alebo prvky nachádzajúce sa v blokoch sop periodickej tabuľky.

Avšak nie všetky prvky sa riadia oktetovým pravidlom. Konkrétnymi prípadmi sú prechodné kovy, ktorých štruktúra je založená viac na formálnych poplatkoch a ich skupinách.

Počet elektrónov v valenčnom obale nekovových prvkov, tých, v ktorých sa môže prevádzkovať Lewisova štruktúra.

Aplikácia matematického vzorca

Keď vieme, do ktorej skupiny prvky patria, a preto počet valenčných elektrónov, ktoré sú k dispozícii na vytvorenie väzieb, pokračujeme s nasledujúcim vzorcom, ktorý je užitočný na kreslenie Lewisových štruktúr:

C = N - D

Kde C znamená zdieľané elektróny, to znamená tie, ktoré sa zúčastňujú kovalentných väzieb. Pretože každá väzba sa skladá z dvoch elektrónov, potom sa C / 2 rovná počtu väzieb (alebo pomlčiek), ktoré sa musia nakresliť.

N sú potrebné elektróny, ktoré musí mať atóm vo svojom valenčnom obale, aby boli izoelektronické voči vzácnemu plynu, ktorý ho sleduje v rovnakom období. Pre všetky prvky iné ako H (pretože si vyžaduje porovnanie dvoch elektrónov s He) potrebujú osem elektrónov.

D sú dostupné elektróny, ktoré sú určené skupinou alebo počtom valenčných elektrónov. Preto, keďže Cl patrí do skupiny VIIA, musí byť obklopený siedmimi čiernymi bodkami alebo elektrónmi a musí sa pamätať na to, že na vytvorenie väzby je potrebný pár.

Vďaka atómom, ich bodom a počtu väzieb C / 2 je možné improvizovať Lewisovu štruktúru. Ďalej je však potrebné mať predstavu o iných „pravidlách“.

Kde umiestniť najmenšie elektronegatívne atómy

Stredy zaberajú najmenej elektronegatívne atómy vo veľkej väčšine štruktúr. Z tohto dôvodu, ak máte zlúčeninu s atómami P, O a F, P sa preto musí nachádzať v strede hypotetickej štruktúry.

Je tiež dôležité si uvedomiť, že atómy vodíka sa zvyčajne viažu na vysoko elektronegatívne atómy. Ak máte Zn, H a O v zmesi, H pôjde spolu s O a nie so Zn (Zn - O - H a nie H - Zn - O). Existujú výnimky z tohto pravidla, ale zvyčajne sa vyskytuje u nekovových atómov.

Symetria a formálne zaťaženie

Príroda má vysokú prioritu pri vytváraní čo najsymetrickejších molekulárnych štruktúr. To pomáha vyhnúť sa vytváraniu chaotických štruktúr, pričom atómy sú usporiadané takým spôsobom, že nenasledujú žiadny zjavný vzorec.

Napríklad pre zlúčeninu C ₂ A ₃ , kde A je atóm fiktívna, najpravdepodobnejšou štruktúra by bola A - C - A - C - A. Všimnite si symetriu jeho strán, obidvoch odrazov ostatných.

Formálne poplatky tiež zohrávajú dôležitú úlohu pri kreslení Lewisových štruktúr, najmä pre ióny. Väzby tak môžu byť pridané alebo odstránené tak, že formálny náboj atómu zodpovedá celkovému vystavenému náboju. Toto kritérium je veľmi užitočné pre zlúčeniny prechodných kovov.

Obmedzenia v oktetovom pravidle

Reprezentácia fluoridu hlinitého, zlúčeniny, ktorá je nestabilná. Oba prvky sú tvorené šiestimi elektrónmi, ktoré vytvárajú tri kovalentné väzby, keď majú mať osem, aby sa dosiahla stabilita. Zdroj: Gabriel Bolívar

Nie všetky pravidlá sa dodržiavajú, čo nevyhnutne neznamená, že štruktúra je nesprávna. Typické príklady toho sú pozorované v mnohých zlúčeninách, v ktorých sú zahrnuté prvky skupiny IIIA (B, Al, Ga, In, Tl). Hliník trifluoridu (AlF ₃ ) je tu výslovne považované za .

Pri použití vyššie uvedeného vzorca máme:

D = 1 x 3 (jeden atóm hliníka) + 7 × 3 (tri atómy fluóru) = 24 elektrónov

Tu sú 3 a 7 príslušné skupiny alebo počty valenčných elektrónov dostupných pre hliník a fluór. Potom, berúc do úvahy potrebné elektróny N:

N = 8 × 1 (jeden atóm hliníka) + 8 × 3 (tri atómy fluóru) = 32 elektrónov

Zdieľané elektróny sú preto:

C = N - D

C = 32 - 24 = 8 elektrónov

C / 2 = 4 odkazy

Pretože hliník je najmenej elektronegatívny atóm, musí byť umiestnený v strede a fluór tvorí iba jednu väzbu. Vzhľadom na to máme Lewisovu štruktúru AlF ₃ (horný obrázok). Zdieľané elektróny sú zvýraznené zelenými bodkami, aby sa odlíšili od nezdieľaných.

Aj keď výpočty predpokladajú, že sa musia vytvoriť 4 väzby, hliník nemá dostatok elektrónov a neexistuje ani štvrtý atóm fluóru. V dôsledku toho hliník nespĺňa pravidlo oktetu a táto skutočnosť sa neodráža vo výpočtoch.

Príklady Lewisových štruktúr

jód

Nekovy jódu majú každý sedem elektrónov, takže zdieľaním jedného z týchto elektrónov vytvárajú kovalentnú väzbu, ktorá poskytuje stabilitu. Zdroj: Gabriel Bolívar

Jód je halogén, a preto patrí do skupiny VIIA. Má teda sedem valenčných elektrónov a táto jednoduchá kremelinová molekula môže byť predstavená ako improvizácia alebo použitie vzorca:

D = 2 x 7 (dva atómy jódu) = 14 elektrónov

N = 2 x 8 = 16 elektrónov

C = 16 - 14 = 2 elektróny

C / 2 = 1 odkaz

Ako 14 elektrónov 2 sa zúčastňujú kovalentnej väzby (zelené bodky a pomlčky), 12 zostáva ako nezdieľaných; a keďže ide o dva atómy jódu, musí sa 6 rozdeliť na jeden z nich (jeho valenčné elektróny). Iba táto štruktúra je možná v tejto molekule, ktorej geometria je lineárna.

amoniak

Dusík má 5 elektrónov, zatiaľ čo vodík iba 1. Dostatok na dosiahnutie stability zavedením troch kovalentných väzieb zložených z jedného elektrónu z N a druhého z H Zdroj: Gabriel Bolívar

Aká je Lewisova štruktúra molekuly amoniaku? Pretože dusík patrí do skupiny VA, má päť valenčných elektrónov a potom:

D = 1 x 5 (jeden atóm dusíka) + 1 x 3 (tri atómy vodíka) = 8 elektrónov

N = 8 x 1 + 2 x 3 = 14 elektrónov

C = 14 - 8 = 6 elektrónov

C / 2 = 3 odkazy

Tentoraz je vzorec správny s počtom odkazov (tri zelené odkazy). Keď sa 6 z 8 dostupných elektrónov zúčastňuje na väzbách, zostáva nad atómom dusíka nezdieľaný pár.

Táto štruktúra hovorí o amoniakovej báze všetko, čo je potrebné vedieť. Uplatnenie znalosti TEV a keď trpel sa usudzovať, že geometria je štvorboká narušená dusíka voľného páru, a že hybridizácia je teda sp ³ .

C

Zdroj: Gabriel Bolívar

Vzorec zodpovedá organickej zlúčenine. Pred použitím vzorca by sa malo pamätať na to, že vodíky tvoria jednoduchú väzbu, kyslík dva, uhlík štyri, a že štruktúra musí byť čo možno symetrickejšia. Postupujeme rovnako ako v predchádzajúcich príkladoch:

D = 6 × 1 (šesť atómov vodíka) + 6 × 1 (jeden atóm kyslíka) + 4 × 2 (dva atómy uhlíka) = 20 elektrónov

N = 6 × 2 (šesť atómov vodíka) + 8 × 1 (jeden atóm kyslíka) + 8 × 2 (dva atómy uhlíka) = 36 elektrónov

C = 36 - 20 = 16 elektrónov

C / 2 = 8 odkazov

Počet zelených pomlčiek zodpovedá 8 vypočítaným odkazom. Navrhovaná Lewis štruktúra je, že etanol CH ₃ CH ₂ OH. Bolo by však tiež bolo správne navrhnúť štruktúru dimetyléter CH ₃ OCH ₃ , čo je ešte viac symetrické.

Ktorá z nich je správna? Obe sú rovnako tak, pretože štruktúry vznikol ako štruktúrne izoméry rovnaký molekulárny vzorec C ₂ H ₆ O.

Permanganátový ión

Zdroj: Gabriel Bolívar

Situácia je komplikovaná, keď je potrebné pripraviť Lewisove štruktúry pre zlúčeniny prechodných kovov. Mangán patrí do skupiny VIIB a medzi dostupné elektróny sa musí pridať aj elektrón záporného náboja. Použitím vzorca máme:

D = 7 × 1 (jeden atóm mangánu) + 6 × 4 (štyri atómy kyslíka) + 1 elektrónový náboj = 32 elektrónov

N = 8 x 1 + 8 × 4 = 40 elektrónov

C = 40 - 32 = 8 zdieľaných elektrónov

C / 2 = 4 odkazy

Prechodné kovy však môžu mať viac ako osem valenčných elektrónov. Okrem toho, pre MnO ₄ ^- ion vykazujú negatívny náboj, je nutné znížiť formálne obvinenia z atómov kyslíka. Ako? Prostredníctvom dvojitých väzieb.

Ak sú všetky väzby MnO ₄ ^- boli jednoduché, formálne obvinenia z atómov kyslíka by sa rovnala -1. Keďže sú štyri, výsledný poplatok by bol za anión -4, čo samozrejme nie je pravda. Keď sa vytvoria dvojité väzby, je zaručené, že jeden kyslík má záporný formálny náboj, odrážajúci sa v ióne.

V permanganátovom ióne je vidieť, že existuje rezonancia. To znamená, že jediná väzba Mn - O sa delokalizuje medzi štyrmi atómami O.

Dichromátový ión

Zdroj: Gabriel Bolívar

A konečne, podobný prípad nastane s dichrómanu iónu (CR ₂ O ₇ ). Chróm patrí do skupiny VIB, takže má šesť valenčných elektrónov. Použitie vzorca znova:

D = 6 × 2 (dva atómy chrómu) + 6 × 7 (sedem atómov kyslíka) + 2 elektróny krát dvojmocný náboj = 56 elektrónov

N = 8 × 2 + 8 × 7 = 72 elektrónov

C = 72 - 56 = 16 zdieľaných elektrónov

C / 2 = 8 odkazov

Nie je tu však 8 väzieb, ale 12. Z tých istých dôvodov musia byť v manganistanom ióne ponechané dva kyslíky s negatívnymi formálnymi nábojmi, ktoré zvyšujú až -2, náboj dichrómanového iónu.

Takto sa pridá toľko dvojitých väzieb, koľko je potrebné. Týmto spôsobom sa dostaneme k Lewisovej štruktúre obrazu pre Cr ₂ O ₇ ^2– .

Referencie

1. Whitten, Davis, Peck a Stanley. Chémia. (8. vydanie). CENGAGE Learning, s. 251.
2. Lewis Structures. Prevzaté z: chemed.chem.purdue.edu
3. Steven A. Hardinger, Katedra chémie a biochémie, UCLA. (2017). Lewisova štruktúra. Prevzaté z: chem.ucla.edu
4. Wayne Breslyn. (2012). Kreslenie štruktúr Lewis. Prevzaté z: terpconnect.umd.edu
5. Webmaster. (2012). Lewis ("elektrónová bodka") Štruktúry. Katedra chémie, Univerzita v Maine, Orono. Prevzaté z: chemistry.umeche.maine.edu
6. Lancaster, Sean. (25. apríla 2017). Ako zistiť, koľko bodiek je na Lewis Dot štruktúre prvku. Sciencing. Obnovené z: sciencing.com