СТРУКТУРА НА ЛЮИС: КАКВО Е, КАК ДА ГО НАПРАВИМ, ПРИМЕРИ - ХИМИЯ - 2025

Структурата на Луис е всичко, което представлява ковалентните връзки в молекула или йон. В нея тези връзки и електрони са представени от точки или дълги тирета, въпреки че през повечето време точките съответстват на неразделени електрони, а тиретата - на ковалентни връзки.

Но какво е ковалентна връзка? Това е споделяне на двойка електрони (или точки) между всеки два атома на периодичната таблица. С тези диаграми могат да бъдат начертани много скелети за дадено съединение. Кой от тях е правилен ще зависи от формалните заряди и химическата природа на самите атоми.

2-бромопропан съединение. От Бен Милс, от Wikimedia Commons.

На изображението по-горе имате пример за това каква е структурата на Люис. В този случай представеното съединение е 2-бромопропан. Можете да видите черните точки, съответстващи на електроните, както тези, които участват в връзките, така и тези, които не се споделят (единствената двойка малко над Br).

Ако двойките точки ":" бяха заменени с дълъг тире "-", тогава въглеродният скелет на 2-бромопропан ще бъде представен като: C - C - C. Защо не може да бъде C - H - H - C вместо "молекулярната рамка"? Отговорът се крие в електронните характеристики на всеки атом.

По този начин, тъй като водородът има един електрон и една орбитала, която е на разположение за запълване, той образува само една ковалентна връзка. Следователно той никога не може да образува две връзки (да не се бърка с водородните връзки). От друга страна, електронната конфигурация на въглеродния атом позволява (и изисква) образуването на четири ковалентни връзки.

Поради тази причина структурите на Люис, в които се намесват C и H, трябва да бъдат съгласувани и да зачитат това, което се управлява от техните електронни конфигурации. По този начин, ако въглеродът има повече от четири връзки или водородът е повече от една, тогава скицата може да бъде изхвърлена и може да се започне нова в съответствие с реалността.

Именно тук се появява един от основните мотиви или опори за тези структури, въведени от Гилбърт Нютон Луис в търсенето на молекулярни представи, верни на експерименталните данни: молекулна структура и формални заряди.

Всички съществуващи съединения могат да бъдат представени от структури на Люис, което дава първо приближение към това каква може да бъде молекулата или йони.

Каква е структурата на Люис?

Това е представителна структура на валентните електрони и ковалентните връзки в молекула или йон, която служи за получаване на представа за неговата молекулна структура.

Тази структура обаче не успява да предвиди някои важни детайли, като молекулярна геометрия по отношение на един атом и неговата среда (ако е квадратна, триъгълна равнина, бипирамидна и т.н.).

По същия начин тя не казва нищо за това какво е химическата хибридизация на нейните атоми, но казва къде са разположени двойните или тройните връзки и има ли резонанс в структурата.

С тази информация може да се спори за реакционната способност на съединението, неговата стабилност, как и какъв механизъм ще следва молекулата, когато реагира.

Поради тази причина структурите на Люис никога не престават да бъдат разглеждани и са много полезни, тъй като в тях може да се кондензира ново химическо обучение.

Как се прави?

За да нарисувате или начертаете структура, формула или диаграма на Люис, химическата формула на съединението е от съществено значение. Без него дори не можеш да знаеш кои са атомите, които го съставят. Веднъж с него, периодичната таблица се използва за намиране на кои групи принадлежат.

Например, ако имате съединението C ₁₄ O ₂ N _3, тогава ще трябва да потърсите групите, където са въглерод, кислород и азот. След като това е направено, без значение какво е съединението, броят на валентните електрони остава същият, така че рано или късно те се запомнят.

По този начин въглеродът принадлежи към група IVA, кислородът към група VIA, а азотът към VA. Броят на групата е равен на броя на валентните електрони (точки). Всички те имат обща тенденция за попълване на октет на валентната обвивка.

Какво е правилото за октет?

Това казва, че има тенденция атомите да завършат енергийното си ниво с осем електрона, за да постигнат стабилност. Това се отнася за всички неметални елементи или тези, които се намират в блоковете на сопата на периодичната таблица.

Не всички елементи обаче се подчиняват на правилото на октет. Особени случаи са преходните метали, чиито структури се основават повече на официални заряди и техния брой на групата.

Брой електрони във валентната обвивка на неметални елементи, тези, в които структурата на Люис може да работи.

Прилагане на математическата формула

Знаейки към коя група принадлежат елементите и следователно броят на валентните електрони, които са на разположение за образуване на връзки, продължете със следната формула, която е полезна за рисуване на структури на Люис:

C = N - D

Където С означава споделени електрони, тоест тези, които участват в ковалентни връзки. Тъй като всяка връзка е изградена от два електрона, тогава C / 2 е равен на броя на връзките (или тиретата), които трябва да бъдат изтеглени.

N са необходимите електрони, онези, които атомът трябва да има в своята валентна обвивка, за да бъдат изоелектронни към благородния газ, който го следва в същия период. За всички елементи, различни от Н (тъй като са необходими два електрона, за да се сравнят с He), се нуждаят от осем електрона.

D са наличните електрони, които се определят от групата или броя валентни електрони. Следователно, тъй като Cl принадлежи към група VIIA, той трябва да бъде заобиколен от седем черни точки или електрони и имайте предвид, че е необходима двойка за образуване на връзка.

Имайки атомите, техните точки и броя на C / 2 връзките, структура на Люис може да бъде импровизирана. Но освен това е необходимо да има представа за други „правила“.

Къде да поставим най-малко електроотрицателни атоми

Най-малко електроотрицателните атоми в огромната част от структурите заемат центровете. Поради тази причина, ако имате съединение с P, O и F атоми, следователно P трябва да бъде разположен в центъра на хипотетичната структура.

Също така е важно да се отбележи, че водородите обикновено се свързват с силно електроотрицателни атоми. Ако имате Zn, H и O в съединение, H ще върви заедно с O, а не със Zn (Zn - O - H, а не H - Zn - O). Има изключения от това правило, но то обикновено се случва с неметални атоми.

Симетрия и официални натоварвания

Природата има голямо предпочитание да създава молекулни структури, които са възможно най-симетрични. Това помага да се избегне създаването на разхвърлени структури, като атомите са подредени по такъв начин, че да не се подчиняват на някакъв очевиден модел.

Например, за съединението С ₂ А ₃, където А е фиктивен атом, най-вероятно ще бъде структурата А - С - А - С - А. Обърнете внимание на симетрията на страните му, и двете отражения на другата.

Официалните заряди също играят важна роля при рисуване на структури на Люис, особено за йони. По този начин, връзките могат да бъдат добавени или отстранени, така че формалният заряд на един атом да съответства на общия проявен заряд. Този критерий е много полезен за съединенията на преходните метали.

Ограничения в правилото за октет

Представяне на алуминиев трифлуорид, съединение, което е нестабилно. И двата елемента са съставени от шест електрона, което генерира три ковалентни връзки, когато трябва да бъдат осем, за да се постигне стабилност. Източник: Габриел Боливар

Не се спазват всички правила, което не означава непременно, че структурата е грешна. Типични примери за това се наблюдават в много съединения, в които участват елементи IIIA групи (B, Al, Ga, In, Tl). Алуминиевият трифлуорид (AlF ₃) е специално разгледан тук.

Прилагайки след това описаната по-горе формула, имаме:

D = 1 × 3 (един алуминиев атом) + 7 × 3 (три флуорни атома) = 24 електрона

Тук 3 и 7 са съответните групи или брой валентни електрони, налични за алуминий и флуор. Тогава, като се имат предвид необходимите електрони N:

N = 8 × 1 (един алуминиев атом) + 8 × 3 (три флуорни атома) = 32 електрона

И следователно споделените електрони са:

C = N - D

С = 32 - 24 = 8 електрона

C / 2 = 4 връзки

Тъй като алуминият е най-малко електроотрицателен атом, той трябва да бъде поставен в центъра, а флуорът образува само една връзка. Имайки предвид това, имаме структурата на Lewis на AlF ₃ (горно изображение). Споделените електрони са подчертани със зелени точки, за да ги различим от несподелените.

Въпреки че изчисленията прогнозират, че трябва да се образуват 4 връзки, алуминият няма достатъчно електрони и също няма четвърти флуорен атом. В резултат на това алуминият не отговаря на октетното правило и този факт не се отразява в изчисленията.

Примери за структури на Люис

йод

Неметалите йод имат по седем електрона всеки, така че споделяйки по един от тези електрони всеки, те генерират ковалентна връзка, която осигурява стабилност. Източник: Габриел Боливар

Йодът е халоген и следователно принадлежи към група VIIA. Така той има седем валентни електрона и тази проста диатомична молекула може да бъде представена импровизираща или прилагайки формулата:

D = 2 × 7 (два йодни атома) = 14 електрона

N = 2 × 8 = 16 електрона

С = 16 - 14 = 2 електрона

C / 2 = 1 връзка

От 14 електрона 2 участват в ковалентната връзка (зелени точки и тире), 12 остават като неразделени; и тъй като те са два йодни атома, 6 трябва да бъдат разделени за един от тях (неговите валентни електрони). В тази молекула е възможна само тази структура, чиято геометрия е линейна.

амоняк

Азотът има 5 електрона, докато водородът само 1. Достатъчен за постигане на стабилност чрез установяване на три ковалентни връзки, съставени от един електрон от N и друг от Н Източник: Габриел Боливар

Каква е структурата на Люис за амонячната молекула? Тъй като азотът е от групата VA, той има пет валентни електрона и след това:

D = 1 × 5 (един азотен атом) + 1 × 3 (три водородни атома) = 8 електрона

N = 8 × 1 + 2 × 3 = 14 електрона

С = 14 - 8 = 6 електрона

C / 2 = 3 връзки

Този път формулата е правилна с броя на връзките (три зелени връзки). Тъй като 6 от 8-те налични електрона участват във връзките, остава неразделена двойка, която е разположена над азотния атом.

Тази структура казва всичко, което трябва да се знае за амонячната основа. Прилагайки знанията за TEV и TRPEV, се прави извода, че геометрията е тетраедрична изкривена от азотната двойка и че следователно хибридизацията на това е sp ³.

° С

Източник: Габриел Боливар

Формулата съответства на органично съединение. Преди да приложите формулата, трябва да се помни, че водородите образуват една връзка, два кислорода, четири въглерода и че структурата трябва да е възможно най-симетрична. Изхождайки както в предишните примери, имаме:

D = 6 × 1 (шест водородни атома) + 6 × 1 (един кислороден атом) + 4 × 2 (два въглеродни атома) = 20 електрона

N = 6 × 2 (шест водородни атома) + 8 × 1 (един кислороден атом) + 8 × 2 (два въглеродни атома) = 36 електрона

С = 36 - 20 = 16 електрона

C / 2 = 8 връзки

Броят на зелените тирета съответства на 8 изчислени връзки. Предложената структура Люис е, че етанол CH ₃ CH ₂ OH. Въпреки това, също така би било правилно да предложи структура на диметилов етер СН ₃ ОСН ₃, което е още по-симетричен.

Кое от двете е „по-правилно“? И двете са еднакво така, тъй като структурите възникнали като структурни изомери с еднаква молекулна формула C ₂ H ₆ О.

Перманганатен йон

Източник: Габриел Боливар

Ситуацията е сложна, когато е желателно да се направят структури на Люис за съединения на преходните метали. Манганът принадлежи към група VIIB, също така, електронът на отрицателния заряд трябва да се добави сред наличните електрони. Прилагайки формулата, която имаме:

D = 7 × 1 (един манганов атом) + 6 × 4 (четири кислородни атома) + 1 електронно време заряд = 32 електрона

N = 8 × 1 + 8 × 4 = 40 електрона

С = 40 - 32 = 8 споделени електрона

C / 2 = 4 връзки

Преходните метали обаче могат да имат повече от осем валентни електрона. Освен това, за МпОг ₄ ^- йон да проявяват заряд отрицателен, е необходимо да се намали формалните заряди на кислородните атоми. Как? Чрез двойните връзки.

Ако всички връзки на MnO ₄ ^- бяха прости, формалните заряди на кислород биха били равни на -1. Тъй като има четири, полученият заряд би бил -4 за аниона, което очевидно не е вярно. Чрез формирането на двойните връзки се гарантира, че един кислород има отрицателен формален заряд, отразен в йона.

В перманганатния йон се вижда, че има резонанс. Това означава, че единствената единична връзка Mn - O е делокализирана между четирите О атома.

Дихромат-йон

Източник: Габриел Боливар

И накрая, подобен случай се случва с дихроматния йон (Cr ₂ O ₇). Хромът принадлежи към група VIB, така че има шест валентни електрона. Прилагане на формулата отново:

D = 6 × 2 (два хромни атома) + 6 × 7 (седем кислородни атома) + 2 електрона, пъти двувалентния заряд = 56 електрона

N = 8 × 2 + 8 × 7 = 72 електрона

С = 72 - 56 = 16 споделени електрона

C / 2 = 8 връзки

Но няма 8 връзки, а 12. По същите причини, открити, в перманганатния йон трябва да се оставят два кислорода с отрицателни формални заряди, които добавят до -2, заряда на дихроматния йон.

По този начин се добавят толкова двойни облигации, колкото е необходимо. По този начин стигаме до структурата на Люис на изображението за Cr ₂ O ₇ ^2–.

Препратки

1. Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. Химия. (8-мо изд.). CENGAGE Learning, стр. 251.
2. Структури на Люис. Взета от: chemed.chem.purdue.edu
3. Стивън А. Хардингер, Катедра по химия и биохимия, UCLA. (2017). Структура на Люис. Взето от: chem.ucla.edu
4. Уейн Бреслин. (2012 г.). Рисуване на структури на Люис. Взето от: terpconnect.umd.edu
5. Webmaster. (2012 г.). Структури на Люис ("електронна точка"). Катедра по химия, Университета в Мейн, Ороно. Взета от: chemistry.umeche.maine.edu
6. Ланкастър, Шон. (25 април 2017 г.). Как да определите колко точки са на точковата структура на елемент от Люис. Sciencing. Възстановено от: sciaching.com