СТРУКТУРА ЛЬЮЇСА: ЩО ЦЕ ТАКЕ, ЯК ЦЕ ЗРОБИТИ, ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Структура Льюїса - це все, що представляє ковалентні зв’язки в молекулі або іоні. У ній ці зв’язки та електрони представлені крапками або довгими тире, хоча більшу частину часу крапки відповідають нерозділеним електронам, а тире - ковалентними зв’язками.

Але що таке ковалентний зв’язок? Це спільне використання пари електронів (або точок) між будь-якими двома атомами періодичної таблиці. За допомогою цих діаграм можна скласти багато скелетів для даної сполуки. Який з них правильний, залежатиме від формальних зарядів та хімічної природи самих атомів.

2-бромопропанное з'єднання. Автор Бен Міллз, з Вікісховища.

На зображенні вище ви маєте приклад того, що таке структура Льюїса. У цьому випадку представлене з'єднання являє собою 2-бромопропан. Ви можете побачити чорні точки, відповідні електронам, як ті, що беруть участь у зв’язках, так і ті, що не поділяються (єдина пара трохи вище Br).

Якби пари крапок ":" були замінені довгим штрихом "-", тоді карбоновий скелет 2-бромопропану був би представлений у вигляді: C - C - C. Чому це не може бути C - H - H - C замість "молекулярної рамки"? Відповідь полягає в електронних характеристиках кожного атома.

Таким чином, оскільки водень має один електрон і одну орбітальну групу для заповнення, він утворює лише один ковалентний зв’язок. Тому він ніколи не може утворювати два зв’язки (не плутати їх з водневими зв’язками). З іншого боку, електронна конфігурація атома вуглецю дозволяє (і вимагає) утворення чотирьох ковалентних зв’язків.

З цієї причини структури Льюїса, в яких втручаються C і H, повинні бути узгодженими і поважати те, що регулюється їх електронними конфігураціями. Таким чином, якщо вуглець має більше чотирьох зв'язків, або водню більше одного, то ескіз можна відкинути, і можна запустити новий, відповідно до реальності.

Саме тут з’являється один з основних мотивів або опор для цих структур, запроваджений Гілбертом Ньютоном Льюїсом у пошуках молекулярних уявлень, вірних експериментальним даним: молекулярна структура та формальні заряди.

Всі існуючі сполуки можуть бути представлені структурами Льюїса, що дає перше наближення до того, якою може бути молекула або іони.

Що таке структура Льюїса?

Це репрезентативна структура валентних електронів та ковалентних зв’язків у молекулі чи іоні, що слугує для уявлення про його молекулярну структуру.

Однак ця структура не може передбачити деяких важливих деталей, таких як молекулярна геометрія щодо атома та його оточення (якщо вона квадратна, трикутна площина, біпірамідна тощо).

Крім того, він нічого не говорить про те, що таке хімічна гібридизація його атомів, але він говорить, де розташовані подвійні чи потрійні зв’язки та чи є резонанс у структурі.

За допомогою цієї інформації можна сперечатися про реакційну здатність сполуки, її стабільність, про те, як і за яким механізмом слідуватиме молекула, коли вона реагує.

З цієї причини структури Льюїса ніколи не перестають вважатися і є дуже корисними, оскільки нові хімічні знання в них можуть конденсуватися.

Як це робиться?

Щоб намалювати або замалювати структуру, формулу або діаграму Льюїса, хімічна формула сполуки є важливою. Без нього ви навіть не можете знати, які саме атоми складають. Після цього періодична таблиця використовується для визначення груп, до яких вони належать.

Наприклад, якщо у вас є сполука C ₁₄ O ₂ N _3, вам доведеться шукати групи, де вуглець, кисень та азот. Після того, як це буде зроблено, незалежно від того, яка сполука є, кількість валентних електронів залишається однаковою, тому рано чи пізно вони запам'ятовуються.

Таким чином, вуглець належить до групи IVA, кисень до групи VIA та азот до VA. Кількість групи дорівнює кількості валентних електронів (балів). Всі вони мають спільну тенденцію до заповнення октету валентної оболонки.

Що таке правило октету?

Це говорить про те, що атоми мають тенденцію до завершення свого енергетичного рівня за допомогою восьми електронів для досягнення стабільності. Це стосується всіх неметалічних елементів або тих, що знаходяться в сопках блоків періодичної таблиці.

Однак не всі елементи підкоряються правилу октету. Окремі випадки - це перехідні метали, структури яких ґрунтуються більше на формальних зарядах та їх групі.

Кількість електронів у валентній оболонці неметалічних елементів, тих, в яких може експлуатуватися структура Льюїса.

Застосування математичної формули

Знаючи, до якої групи належать елементи, а отже, кількість валентних електронів, доступних для утворення зв’язків, переходимо до наступної формули, яка корисна для малювання структур Льюїса:

C = N - D

Де С означає спільні електрони, тобто ті, що беруть участь у ковалентних зв’язках. Оскільки кожен зв’язок складається з двох електронів, то C / 2 дорівнює кількості зв’язків (або тире), які необхідно провести.

N - необхідні електрони, які атом повинен мати у своїй валентній оболонці, щоб бути ізоелектронними до благородного газу, який слідує за ним у той самий період. Для всіх елементів, крім H (оскільки для порівняння з He потрібні два електрони), їм потрібно вісім електронів.

D - доступні електрони, які визначаються групою або кількістю валентних електронів. Таким чином, оскільки Cl належить до групи VIIA, він повинен бути оточений сімома чорними крапками або електронами, і майте на увазі, що для формування зв’язку потрібна пара.

Маючи атоми, їх точки та кількість C / 2 зв’язків, структура Льюїса може бути імпровізована. Але додатково потрібно мати поняття про інші "правила".

Де розмістити найменше електронегативні атоми

Найменше електронегативні атоми у переважній більшості структур займають центри. З цієї причини, якщо у вас є сполука з атомами P, O і F, P, отже, повинен бути в центрі гіпотетичної структури.

Також важливо відзначити, що водень зазвичай зв'язується з високоелектронегативними атомами. Якщо у сполуці є Zn, H і O, H піде разом з O, а не зі Zn (Zn - O - H, а не H - Zn - O). З цього правила є винятки, але воно, як правило, відбувається з неметалічними атомами.

Симетрія та формальні навантаження

Природа має великі переваги щодо створення молекулярних структур, максимально симетричних. Це допомагає уникнути створення безладних структур з атомами, розташованими таким чином, що вони не підкоряються жодній видимій схемі.

Наприклад, для сполуки C ₂ A ₃ , де A - вигаданий атом, найбільш ймовірною структурою буде A - C - A - C - A. Зверніть увагу на симетрію його сторін, обидва відображення інших.

Формальні заряди також відіграють важливу роль при нанесенні структури Льюїса, особливо для іонів. Таким чином, зв’язки можуть бути додані або зняті таким чином, щоб формальний заряд атома відповідав загальному виставленому заряду. Цей критерій дуже корисний для сполук перехідних металів.

Обмеження правила октету

Представлення трифториду алюмінію, нестабільної сполуки. Обидва елементи складаються з шести електронів, які генерують три ковалентні зв’язки, коли для досягнення стабільності їх повинно бути вісім. Джерело: Габріель Болівар

Не всі правила дотримуються, що не обов'язково означає, що структура неправильна. Типові приклади цього спостерігаються у багатьох сполуках, де беруть участь елементи IIIA групи (B, Al, Ga, In, Tl). Тут спеціально розглядається трифторид алюмінію (AlF ₃ ).

Застосовуючи описану вище формулу, ми маємо:

D = 1 × 3 (один атом алюмінію) + 7 × 3 (три атоми фтору) = 24 електрона

Тут 3 і 7 - відповідні групи або кількість валентних електронів, доступних для алюмінію та фтору. Тоді, розглядаючи необхідні електрони N:

N = 8 × 1 (один атом алюмінію) + 8 × 3 (три атоми фтору) = 32 електрона

І тому спільні електрони:

C = N - D

C = 32 - 24 = 8 електронів

C / 2 = 4 посилання

Оскільки алюміній є найменш електронегативним атомом, він повинен бути розміщений в центрі, а фтор утворює лише один зв’язок. Враховуючи це, у нас є структура Льюїса AlF ₃ (верхнє зображення). Спільні електрони виділяються зеленими крапками, щоб відрізнити їх від неподілених.

Хоча підрахунки передбачають, що необхідно утворити 4 зв’язки, в алюмінію не вистачає достатньої кількості електронів, а також немає четвертого атома фтору. В результаті алюміній не відповідає правилам октету і цей факт не відображається в розрахунках.

Приклади структур Льюїса

Йод

Неметали йоду мають сім електронів кожен, тому, поділяючи один з цих електронів кожен, вони генерують ковалентний зв’язок, що забезпечує стабільність. Джерело: Габріель Болівар

Йод є галогеном і тому належить до групи VIIA. Таким чином, він має сім валентних електронів, і ця проста діатомічна молекула може бути представлена ​​імпровізацією або застосуванням формули:

D = 2 × 7 (два атоми йоду) = 14 електронів

N = 2 × 8 = 16 електронів

C = 16 - 14 = 2 електрона

C / 2 = 1 посилання

Станом на 14 електронів 2 беруть участь у ковалентному зв’язку (зелені крапки та штрих), 12 залишаються як неподілені; а оскільки вони є двома атомами йоду, 6 треба розділити для одного з них (його валентних електронів). У цій молекулі можлива лише така структура, геометрія якої лінійна.

Аміак

Азот має 5 електронів, тоді як лише водень 1. Досить досягти стабільності шляхом встановлення трьох ковалентних зв'язків, складених з одного електрона з N та іншого з Н Джерело: Габріель Болівар

Яка структура Льюїса для молекули аміаку? Оскільки азот групи ВА, він має п'ять валентних електронів, а потім:

D = 1 × 5 (один атом азоту) + 1 × 3 (три атоми водню) = 8 електронів

N = 8 × 1 + 2 × 3 = 14 електронів

C = 14 - 8 = 6 електронів

C / 2 = 3 посилання

Цього разу формула правильна з кількістю посилань (три зелені посилання). Оскільки 6 з 8 доступних електронів беруть участь у зв'язках, залишається неподілена пара, що знаходиться над атомом азоту.

Ця структура говорить про все, що потрібно знати про аміачну основу. Застосовуючи знання про ТЕВ та ТРПЕВ, робиться висновок, що геометрія є тетраедричною, спотвореною вільною парою азоту, і що, таким чином, гібридизація цього є sp ³ .

С

Джерело: Габріель Болівар

Формула відповідає органічній сполуці. Перш ніж застосовувати формулу, слід пам’ятати, що водень утворює єдиний зв’язок, два кисню, чотири вуглецю і що структура повинна бути максимально симетричною. Виходячи з попередніх прикладів, ми маємо:

D = 6 × 1 (шість атомів водню) + 6 × 1 (один атом кисню) + 4 × 2 (два атоми вуглецю) = 20 електронів

N = 6 × 2 (шість атомів водню) + 8 × 1 (один атом кисню) + 8 × 2 (два атоми вуглецю) = 36 електронів

С = 36 - 20 = 16 електронів

C / 2 = 8 посилань

Кількість зелених тире відповідає 8 розрахованим посиланням. Запропонована структура Льюїса - структура етанолу CH ₃ CH ₂ OH. Однак було б також правильним запропонувати структуру диметилового ефіру CH ₃ OCH ₃ , яка є ще більш симетричною.

Яке з двох є "більш" правильним? І те й інше однаково, оскільки структури виникли як структурні ізомери однакової молекулярної формули C ₂ H ₆ O.

Перманганатний іон

Джерело: Габріель Болівар

Ситуація складна, коли бажано зробити конструкції Льюїса для сполук перехідних металів. Марганець належить до групи VIIB, так само між наявними електронами слід додати електрон негативного заряду. Застосовуючи формулу, ми маємо:

D = 7 × 1 (один атом марганцю) + 6 × 4 (чотири атоми кисню) + 1 раз заряд електрона = 32 електрона

N = 8 × 1 + 8 × 4 = 40 електронів

C = 40 - 32 = 8 спільних електронів

C / 2 = 4 посилання

Однак перехідні метали можуть мати більше восьми валентних електронів. Крім того, для MnO ₄ ^- іон проявляє негативний заряд, то необхідно зменшити формальні заряди атомів кисню. Як? Через подвійні зв’язки.

Якби всі зв’язки MnO ₄ ^- були простими, формальні заряди кисню були б рівними -1. Оскільки їх чотири, то отриманий заряд буде аніоном -4, що, очевидно, не відповідає дійсності. Коли утворюються подвійні зв’язки, гарантується, що один кисень має негативний формальний заряд, відображений у іоні.

У перманганатному іоні видно, що є резонанс. З цього випливає, що єдиний одиничний зв’язок Mn - O переміщається між чотирма O атомами.

Дихромат-іон

Джерело: Габріель Болівар

Нарешті, подібний випадок має місце з іоном дихромату (Cr ₂ O ₇ ). Хром належить до групи VIB, тому має шість валентних електронів. Застосовуючи формулу ще раз:

D = 6 × 2 (два атоми хрому) + 6 × 7 (сім атомів кисню) + 2 електрони в рази на двовалентний заряд = 56 електронів

N = 8 × 2 + 8 × 7 = 72 електрони

C = 72 - 56 = 16 спільних електронів

C / 2 = 8 посилань

Але не 8 зв’язків, а 12. З тих самих причин, що виявлені, в перманганатному іоні повинні бути залишені два кисню з негативними формальними зарядами, які складають до -2 заряду іона дихромату.

Таким чином, додається стільки подвійних зв’язків, скільки необхідно. Таким чином ми дійшли до структури Льюїса зображення для Cr ₂ O ₇ ^2– .

Список літератури

1. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. Хімія. (8-е видання). CENGAGE Навчання, стор 251.
2. Структури Льюїса. Взято з: chemed.chem.purdue.edu
3. Стівен А. Хардінгер, кафедра хімії та біохімії, UCLA. (2017). Структура Льюїса Взято з: chem.ucla.edu
4. Уейн Бреслін. (2012 р.). Малювання структур Льюїса. Взято з: terpconnect.umd.edu
5. Вебмайстер. (2012 р.). Льюїс ("електронна точка") Структури. Кафедра хімії, Університет Мен, Ороно. Взято з: chemistry.umeche.maine.edu
6. Ланкастер, Шон. (25 квітня 2017 р.). Як визначити, скільки точок є на точковій структурі елемента Льюїса. Наукові роботи. Відновлено: sciaching.com