LEWISOVA STRUKTURA: CO TO JE, JAK TO UDĚLAT, PŘÍKLADY - CHEMIE - 2025

Lewis struktura je vše, co znázornění kovalentních vazeb uvnitř molekuly nebo iontu. V tom jsou tyto svazky a elektrony reprezentovány tečkami nebo dlouhými pomlčkami, i když většinu času tečky odpovídají nezdařeným elektronům a pomlčky kovalentním vazbám.

Co je to kovalentní pouto? Je to sdílení páru elektronů (nebo bodů) mezi libovolnými dvěma atomy periodické tabulky. S těmito diagramy lze pro danou sloučeninu nakreslit mnoho koster. Který je správný, bude záviset na formálních nábojích a chemické povaze samotných atomů.

2-brompropanová sloučenina. Ben Mills z Wikimedia Commons.

Na obrázku výše je příklad toho, co je struktura Lewis. V tomto případě je představovanou sloučeninou 2-brompropan. Můžete vidět černé tečky odpovídající elektronům, a to jak ty, které se účastní svazků, tak ty, které nejsou sdíleny (jediný pár těsně nad Br).

Pokud by byly dvojice teček ":" nahrazeny dlouhou pomlčkou "-", pak by byla uhlíková kostra 2-brompropanu představována jako: C - C - C. Proč by to nemohlo být místo C - H - H - C namísto „molekulární struktury“ nakreslené? Odpověď spočívá v elektronické charakteristice každého atomu.

Proto, protože vodík má k dispozici jeden elektron a jediný orbitál, který lze vyplnit, tvoří pouze jednu kovalentní vazbu. Proto nikdy nemůže tvořit dvě vazby (nezaměňovat s vodíkovými vazbami). Na druhé straně, elektronická konfigurace atomu uhlíku umožňuje (a vyžaduje) vytvoření čtyř kovalentních vazeb.

Z tohoto důvodu musí být Lewisovy struktury, do kterých C a H zasáhnou, soudržné a musí respektovat to, co se řídí jejich elektronickými konfiguracemi. Tímto způsobem, pokud má uhlík více než čtyři vazby nebo vodík více než jednu, může být skica vyřazena a může být spuštěna nová, více v souladu s realitou.

Právě zde se objevuje jeden z hlavních motivů nebo potvrzení těchto struktur, představený Gilbertem Newtonem Lewisem při hledání molekulárních reprezentací věrných experimentálním datům: molekulární struktura a formální náboje.

Všechny existující sloučeniny mohou být reprezentovány Lewisovými strukturami, což dává první aproximaci toho, jak by mohla být molekula nebo ionty podobné.

Co je Lewisova struktura?

Je to reprezentativní struktura valenčních elektronů a kovalentních vazeb v molekule nebo iontu, která slouží k získání představy o její molekulární struktuře.

Tato struktura však nedokáže předpovídat některé důležité detaily, jako je molekulární geometrie týkající se atomu a jeho prostředí (pokud je čtverec, trigonální rovina, bipyramidální atd.).

Podobně nehovoří nic o tom, co je chemická hybridizace jeho atomů, ale říká, kde jsou umístěny dvojné nebo trojné vazby a zda je ve struktuře rezonance.

Na základě této informace lze argumentovat reaktivitou sloučeniny, její stabilitou, jak a jakým mechanismem molekula bude reagovat, když reaguje.

Z tohoto důvodu Lewisovy struktury nikdy nepřestávají být brány v úvahu a jsou velmi užitečné, protože v nich může kondenzovat nové chemické učení.

Jak se to dělá?

Pro nakreslení nebo načrtnutí struktury, vzorce nebo Lewisova diagramu je nezbytný chemický vzorec sloučeniny. Bez toho nemůžete ani vědět, jaké atomy tvoří. Jednou s ním se periodická tabulka používá k nalezení, do kterých skupin patří.

Například, pokud máte sloučeninu C ₁₄ O ₂ N ₃ pak by musel hledat skupiny, kde jsou uhlík, kyslík a dusík. Jakmile to bude provedeno, bez ohledu na to, co je složeno, počet valenčních elektronů zůstává stejný, takže dříve nebo později se uloží do paměti.

Uhlík tedy patří do skupiny IVA, kyslík do skupiny VIA a dusík do VA. Číslo skupiny se rovná počtu valenčních elektronů (bodů). Všichni mají společnou tendenci vyplňovat oktet valence.

Co je oktetové pravidlo?

To říká, že atomy mají tendenci dokončit svou energetickou hladinu osmi elektrony, aby dosáhly stability. To platí pro všechny nekovové prvky nebo ty, které se nacházejí v blocích sop periodické tabulky.

Ne všechny prvky však dodržují pravidlo oktetu. Konkrétními případy jsou přechodné kovy, jejichž struktury jsou založeny spíše na formálních poplatcích a jejich počtu skupin.

Počet elektronů ve valenčním pouzdru nekovových prvků, těch, ve kterých může být Lewisova struktura provozována.

Použití matematického vzorce

Když víme, do které skupiny prvky patří, a proto počet valenčních elektronů, které jsou k dispozici pro vytvoření vazeb, postupujeme následujícím vzorcem, který je užitečný pro kreslení Lewisových struktur:

C = N - D

Kde C znamená sdílené elektrony, tj. Ty, které se účastní kovalentních vazeb. Protože každá vazba je tvořena dvěma elektrony, pak C / 2 se rovná počtu vazeb (nebo pomlček), které musí být nakresleny.

N jsou nezbytné elektrony, které musí mít atom ve své valenční skořápce, aby byly izoelektronické vůči ušlechtilému plynu, který jej sleduje ve stejné periodě. Pro všechny prvky jiné než H (protože k porovnání s He vyžaduje dva elektrony) potřebují osm elektronů.

D jsou dostupné elektrony, které jsou určeny skupinou nebo počtem valenčních elektronů. Jelikož tedy Cl patří do skupiny VIIA, musí být obklopen sedmi černými tečkami nebo elektrony a musí mít na paměti, že pro vytvoření svazku je zapotřebí dvojice.

Díky atomům, jejich bodům a počtu vazeb C / 2 je možné improvizovat Lewisovu strukturu. Je však nutné mít ponětí o jiných „pravidlech“.

Kam umístit nejméně elektronegativní atomy

Nejmenší elektronegativní atomy v naprosté většině struktur zabírají centra. Z tohoto důvodu, pokud máte sloučeninu s atomy P, O a F, musí být P umístěna ve středu hypotetické struktury.

Je také důležité si uvědomit, že vodíky se normálně vážou na vysoce elektronegativní atomy. Pokud máte Zn, H a O ve směsi, H půjde společně s O a ne se Zn (Zn - O - H a ne H - Zn - O). Existují výjimky z tohoto pravidla, ale obvykle se vyskytuje u nekovových atomů.

Symetrie a formální zatížení

Příroda má vysokou přednost při vytváření molekulárních struktur, které jsou co nej symetričtější. To pomáhá vyhnout se vytváření chaotických struktur, přičemž atomy jsou uspořádány takovým způsobem, že neposlouchají žádný zjevný vzorec.

Například pro sloučeninu C ₂ A ₃, kde A je atom fiktivní, nejpravděpodobnější struktura by byla A - C - A - C - A. Všimněte si symetrie jeho stran, obou odrazů ostatních.

Formální náboje také hrají důležitou roli při kreslení Lewisových struktur, zejména pro ionty. Vazby tak mohou být přidány nebo odstraněny tak, že formální náboj atomu odpovídá celkovému vystavenému náboji. Toto kritérium je velmi užitečné pro sloučeniny přechodných kovů.

Omezení pravidla oktetu

Reprezentace fluoridu hlinitého, sloučeniny, která je nestabilní. Oba prvky jsou tvořeny šesti elektrony, které generují tři kovalentní vazby, když mají být osm, aby se dosáhlo stability. Zdroj: Gabriel Bolívar

Ne všechna pravidla jsou dodržována, což nutně neznamená, že struktura je špatná. Typické příklady toho jsou pozorovány v mnoha sloučeninách, kde jsou zahrnuty prvky skupiny IIIA (B, Al, Ga, In, Tl). Konkrétně se zde uvažuje fluorid hlinitý (AlF ₃).

Při použití výše uvedeného vzorce máme:

D = 1 × 3 (jeden atom hliníku) + 7 × 3 (tři atomy fluoru) = 24 elektronů

Zde jsou 3 a 7 příslušné skupiny nebo počty valenčních elektronů dostupných pro hliník a fluor. Poté, s ohledem na nezbytné elektrony N:

N = 8 × 1 (jeden atom hliníku) + 8 × 3 (tři atomy fluoru) = 32 elektronů

Sdílené elektrony jsou tedy:

C = N - D

C = 32 - 24 = 8 elektronů

C / 2 = 4 odkazy

Protože hliník je nejméně elektronegativní atom, musí být umístěn ve středu a fluor tvoří pouze jednu vazbu. Vzhledem k tomu máme Lewisovu strukturu AlF ₃ (horní obrázek). Sdílené elektrony jsou zvýrazněny zelenými tečkami, aby byly odlišeny od nesdílených.

Ačkoli výpočty předpovídají, že musí být vytvořeny 4 vazby, hliník postrádá dostatek elektronů a neexistuje ani čtvrtý atom fluoru. V důsledku toho hliník nesplňuje pravidlo oktetu a tato skutečnost se ve výpočtech neodráží.

Příklady Lewisových struktur

Jód

Nonmetals jodu mají každý sedm elektrony každý, tak sdílením jeden z těchto elektronů každý, oni vytvoří kovalentní vazbu, která poskytuje stabilitu. Zdroj: Gabriel Bolívar

Jód je halogen, a proto patří do skupiny VIIA. Má tedy sedm valenčních elektronů a tuto jednoduchou diatomickou molekulu lze reprezentovat improvizací nebo použitím vzorce:

D = 2 × 7 (dva atomy jodu) = 14 elektronů

N = 2 × 8 = 16 elektronů

C = 16 - 14 = 2 elektrony

C / 2 = 1 odkaz

Jak 14 elektronů 2 účastní se kovalentní vazby (zelené tečky a pomlčka), 12 zůstane jak non-sdílené; a protože se jedná o dva atomy jodu, musí být 6 rozděleno pro jeden z nich (jeho valenční elektrony). Pouze tato struktura je možná v této molekule, jejíž geometrie je lineární.

Amoniak

Dusík má 5 elektronů, zatímco vodík pouze 1. Dost pro dosažení stability vytvořením tří kovalentních vazeb složených z jednoho elektronu od N a druhého od H Zdroj: Gabriel Bolívar

Jaká je Lewisova struktura pro molekulu amoniaku? Protože dusík patří do skupiny VA, má pět valenčních elektronů a poté:

D = 1 × 5 (jeden atom dusíku) + 1 × 3 (tři atomy vodíku) = 8 elektronů

N = 8 × 1 + 2 × 3 = 14 elektronů

C = 14 - 8 = 6 elektronů

C / 2 = 3 odkazy

Tentokrát je vzorec správný s počtem odkazů (tři zelené odkazy). Jakmile se 6 z 8 dostupných elektronů účastní vazeb, zůstává nad atomem dusíku nezdvojený pár.

Tato struktura říká vše, co je třeba vědět o amoniakové bázi. Uplatnění znalosti TEV a TRPEV se usuzovat, že geometrie je čtyřboká zkreslený volným párem dusíku a že hybridizace je tedy sp ³.

C

Zdroj: Gabriel Bolívar

Vzorec odpovídá organické sloučenině. Před použitím vzorce je třeba mít na paměti, že vodíky tvoří jednoduchou vazbu, kyslík dva, uhlík čtyři a že struktura musí být co možná symetrická. Postupujeme podle předchozích příkladů:

D = 6 × 1 (šest atomů vodíku) + 6 × 1 (jeden atom kyslíku) + 4 × 2 (dva atomy uhlíku) = 20 elektronů

N = 6 × 2 (šest atomů vodíku) + 8 × 1 (jeden atom kyslíku) + 8 × 2 (dva atomy uhlíku) = 36 elektronů

C = 36 - 20 = 16 elektronů

C / 2 = 8 odkazů

Počet zelených pomlček odpovídá 8 vypočítaným odkazům. Navrhovaná Lewis struktura je, že etanol CH ₃ CH ₂ OH. Bylo by však také bylo správné navrhnout strukturu dimethylether CH ₃ OCH ₃, což je ještě více symetrické.

Která z nich je „více“ správná? Obě jsou stejně tak, protože struktury vznikl jako strukturní izomery stejný molekulární vzorec C ₂ H ₆ O.

Permanganátový ion

Zdroj: Gabriel Bolívar

Situace je komplikovaná, když je žádoucí vytvořit Lewisovy struktury pro sloučeniny přechodných kovů. Mangan patří do skupiny VIIB a mezi dostupné elektrony musí být přidán i elektron záporného náboje. Použitím vzorce máme:

D = 7 × 1 (jeden atom manganu) + 6 × 4 (čtyři atomy kyslíku) + 1 náboj elektronového náboje = 32 elektronů

N = 8 × 1 + 8 × 4 = 40 elektronů

C = 40 - 32 = 8 sdílených elektronů

C / 2 = 4 odkazy

Přechodné kovy však mohou mít více než osm valenčních elektronů. Kromě toho, pro MnO ₄ ^- ion vykazují negativní náboj, je nutné snížit formální obvinění z atomů kyslíku. Jak? Prostřednictvím dvojných svazků.

Jsou-li všechny vazby MnO ₄ ^- byly jednoduché, formální obvinění z atomů kyslíku by se rovnala -1. Protože jsou čtyři, výsledný poplatek by byl pro anion -4, což zjevně není pravda. Když se vytvoří dvojné vazby, je zaručeno, že jeden kyslík má negativní formální náboj, který se odráží v iontu.

V permanganátovém iontu je vidět, že existuje rezonance. To znamená, že jediná vazba Mn - O je delokalizována mezi čtyři atomy O.

Dichromátový ion

Zdroj: Gabriel Bolívar

A konečně, podobný případ nastane s dichromanu iontu (CR ₂ O ₇). Chrom patří do skupiny VIB, takže má šest valenčních elektronů. Použití vzorce znovu:

D = 6 × 2 (dva atomy chrómu) + 6 × 7 (sedm atomů kyslíku) + 2 elektrony krát dvojmocný náboj = 56 elektronů

N = 8 × 2 + 8 × 7 = 72 elektronů

C = 72 - 56 = 16 sdílených elektronů

C / 2 = 8 odkazů

Není zde však 8 vazeb, ale 12. Ze stejných důvodů musí být v manganistanovém iontu ponechány dva kyslíky se zápornými formálními náboji, které sečtou až -2, náboj dichromanového iontu.

Přidá se tedy tolik dvojných vazeb, kolik je třeba. Tímto způsobem se dostaneme k Lewisově struktuře obrazu pro Cr ₂ O ₇ ^2–.

Reference

1. Whitten, Davis, Peck a Stanley. Chemie. (8. ed.). CENGAGE Learning, str. 251.
2. Lewis Structures. Převzato z: chemed.chem.purdue.edu
3. Steven A. Hardinger, Katedra chemie a biochemie, UCLA. (2017). Lewisova struktura. Převzato z: chem.ucla.edu
4. Wayne Breslyn. (2012). Kreslení Lewisových struktur. Převzato z: terpconnect.umd.edu
5. Webmaster. (2012). Lewis ("elektronová tečka") Struktury. Katedra chemie, University of Maine, Orono. Převzato z: chemistry.umeche.maine.edu
6. Lancaster, Sean. (25. dubna 2017). Jak zjistit, kolik bodů je na Lewis Dot Structure prvku. Sciencing. Obnoveno z: sciencing.com