Изображение точечных структур Льюиса: Пошаговое руководство с примерами

Точечные структуры Льюиса, также известные как диаграммы Льюиса, — это графические представления валентных электронов в молекуле. Они являются мощным инструментом для понимания химических связей и предсказания структуры молекул. Изучение и умение строить эти структуры является фундаментальным навыком в химии, особенно в неорганической и органической. В этой статье мы подробно рассмотрим, что такое структуры Льюиса, зачем они нужны, и пошагово разберем, как их изображать.

Что такое точечные структуры Льюиса?

Точечные структуры Льюиса — это диаграммы, которые показывают, как валентные электроны (электроны на внешнем энергетическом уровне атома) распределены между атомами в молекуле. Они используют точки для представления валентных электронов и линии (или пары точек) для представления ковалентных связей. Основная идея заключается в том, что атомы стремятся достичь стабильной конфигурации, обычно восьми валентных электронов (правило октета), за исключением некоторых элементов, таких как водород (достигает двух электронов).

Основные компоненты структур Льюиса:

• Символы элементов: Каждый атом представлен химическим символом элемента.
• Точки: Каждая точка представляет один валентный электрон. Точки размещаются вокруг символа элемента.
• Линии или пары точек: Линии или пары точек между атомами представляют ковалентные связи, образованные путем совместного использования электронов.
• Одиночные пары: Несвязанные пары электронов, принадлежащие одному атому, называются одиночными парами и также обозначаются двумя точками.

Зачем нужны структуры Льюиса?

Точечные структуры Льюиса играют важную роль в химии, поскольку они помогают:

• Визуализировать связь: Они дают наглядное представление о том, как электроны распределены между атомами, что позволяет увидеть, как образуются химические связи.
• Определить кратность связи: Они показывают, является ли связь одинарной, двойной или тройной.
• Предсказывать молекулярную геометрию: Структуры Льюиса являются отправной точкой для определения формы молекулы с помощью теории отталкивания электронных пар валентной оболочки (VSEPR).
• Определять полярность: Расположение электронных пар и наличие одиночных пар влияют на полярность молекулы.
• Предсказывать реакционную способность: Структуры Льюиса помогают понять, какие части молекулы наиболее реакционноспособны.

Пошаговое руководство по изображению точечных структур Льюиса

Вот пошаговое руководство, которое поможет вам правильно изображать структуры Льюиса:

Шаг 1: Определение количества валентных электронов

Первый шаг — определить общее количество валентных электронов в молекуле или ионе. Для этого:

1. Найдите группу в периодической таблице, в которой находится каждый атом.
2. Число группы соответствует количеству валентных электронов для нейтрального атома. Например, атомы группы 1 имеют 1 валентный электрон, группы 2 — 2 валентных электрона, группы 16 — 6 валентных электронов и т.д.
3. Умножьте количество валентных электронов каждого атома на количество этих атомов в молекуле.
4. Суммируйте валентные электроны всех атомов.
5. Для отрицательных ионов добавьте количество отрицательных зарядов к сумме валентных электронов. Для положительных ионов вычтите количество положительных зарядов.

Пример: Рассмотрим молекулу CO₂ (углекислый газ). Углерод (C) находится в 14 группе (4 валентных электрона), а кислород (O) — в 16 группе (6 валентных электронов).

• C: 1 атом × 4 валентных электрона = 4
• O: 2 атома × 6 валентных электронов = 12
• Общее количество валентных электронов: 4 + 12 = 16

Шаг 2: Написание скелетной структуры

На этом шаге мы располагаем атомы в соответствии с их взаимным положением в молекуле:

1. Обычно наименее электроотрицательный атом (кроме водорода) ставится в центр, а более электроотрицательные атомы располагаются вокруг него. Водород всегда является крайним атомом (терминальным).
2. Соедините атомы одинарными связями.

Пример (CO₂): Углерод менее электроотрицательный, чем кислород, поэтому он помещается в центр. Два атома кислорода располагаются по обе стороны от атома углерода: O-C-O.

Шаг 3: Распределение оставшихся валентных электронов

Теперь нужно разместить оставшиеся валентные электроны в виде точек:

1. Вычтите количество электронов, использованных для образования одинарных связей (2 электрона на связь), из общего количества валентных электронов.
2. Завершите октеты внешних атомов (не водорода) одиночными парами.
3. Разместите оставшиеся электроны на центральном атоме (если таковые есть).

Пример (CO₂):

• Использовано 2 связи × 2 электрона/связь = 4 электрона.
• Осталось 16 – 4 = 12 электронов.
• На атомы кислорода нужно разместить по 6 электронов, чтобы довести их октеты до 8.
• Таким образом, мы размещаем 3 одиночные пары на каждый атом кислорода.

Шаг 4: Образование кратных связей

Если после распределения всех валентных электронов центральный атом не имеет октета, образуйте кратные связи (двойные или тройные):

1. Переместите одиночные пары с внешних атомов к центральному атому, образуя двойные связи, пока центральный атом не достигнет октета.
2. Если это необходимо, сформируйте тройные связи.

Пример (CO₂):

• После завершения предыдущего шага на каждом кислороде 3 одиночные пары, и у углерода 4 электрона (2 связи по 2 электрона). Углерод не имеет октета.
• Переместим по 2 электрона с каждого атома кислорода на место связи между кислородом и углеродом, образуя две двойные связи.
• В итоге получается O=C=O.

Шаг 5: Проверка структуры

После того как структура построена, необходимо ее проверить:

1. Убедитесь, что все атомы имеют октеты, кроме водорода (он имеет дублет).
2. Подсчитайте общее количество электронов, использованных в структуре, и сравните его с общим количеством валентных электронов на первом шаге.

Пример (CO₂):

• Углерод имеет 8 электронов (4 от двойных связей). Каждый кислород имеет 8 электронов (4 от двойной связи и 4 от двух одиночных пар).
• В структуре всего 16 электронов (4 электрона в двойной связи * 2 + 4 электрона в одиночных парах на кислороде *2). Это совпадает с количеством, рассчитанным на первом шаге.

Примеры построения структур Льюиса

Давайте рассмотрим несколько примеров построения структур Льюиса:

Пример 1: Молекула воды (H₂O)

1. Общее количество валентных электронов: 2 (2 × 1 от водорода) + 6 (1 × 6 от кислорода) = 8
2. Скелетная структура: H-O-H (кислород в центре)
3. Распределение электронов: Вычитаем 4 электрона на 2 одинарных связи, остается 4 электрона. Размещаем эти 4 электрона в виде двух одиночных пар на кислороде.
4. Проверка: У водородов по 2 электрона (дублет), у кислорода 8 (октета), всего 8 электронов. Структура правильная.

Итоговая структура: H-O-H (с двумя одиночными парами на кислороде)

Пример 2: Молекула аммиака (NH₃)

1. Общее количество валентных электронов: 3 (3 × 1 от водорода) + 5 (1 × 5 от азота) = 8
2. Скелетная структура: Азот в центре, водороды вокруг.
3. Распределение электронов: Вычитаем 6 электронов на 3 одинарных связи, остается 2 электрона. Размещаем эти 2 электрона в виде одной одиночной пары на азоте.
4. Проверка: У водородов по 2 электрона (дублет), у азота 8 (октета), всего 8 электронов. Структура правильная.

Итоговая структура: H-N-H (с одиночной парой на азоте) | H

Пример 3: Ион карбоната (CO₃^2-)

1. Общее количество валентных электронов: 4 (1 × 4 от углерода) + 18 (3 × 6 от кислорода) + 2 (отрицательный заряд) = 24
2. Скелетная структура: Углерод в центре, кислороды вокруг.
3. Распределение электронов: Вычитаем 6 электронов на 3 одинарных связи, остается 18 электронов. Размещаем по 6 электронов на каждый кислород в виде одиночных пар.
4. Образование кратной связи: Углерод имеет 6 электронов, поэтому нужно образовать двойную связь, переместив одну одиночную пару с одного из кислородов к углероду.
5. Проверка: Углерод имеет 8 электронов, 2 кислорода с 8 электронами, один кислород с 8 электронами (двойная связь), всего 24 электрона. Структура правильная.

Итоговая структура: O=C-O (одна двойная связь, два одинарных, по 3 одиночных пары на кислородах и -2 общий заряд) | O

Пример 4: Молекула озона (O₃)

1. Общее количество валентных электронов: 3 * 6 = 18
2. Скелетная структура: O-O-O
3. Распределение электронов: Вычитаем 4 электрона на 2 одинарные связи, остается 14 электронов. Размещаем по 3 одиночные пары на крайние атомы кислорода.
4. Образование кратной связи: Центральный кислород имеет 4 электрона (две связи), поэтому нужно образовать одну двойную связь, переместив одну одиночную пару с одного из кислородов к центральному кислороду.
5. Проверка: Центральный кислород имеет 6 электронов, один кислород с 6 электронами (одна связь), другой с 8 электронами (одна двойная связь). Общее число электронов 18.

Итоговая структура: O=O-O (одна двойная связь, одна одинарная, по 3 одиночных пары на крайних кислородах и 2 одиночные пары на центральном)

Исключения из правила октета

Важно отметить, что не все молекулы подчиняются правилу октета. Есть исключения, такие как:

• Неполный октет: Некоторые атомы, например, бериллий (Be) и бор (B), могут иметь менее 8 электронов в своей валентной оболочке.
• Расширенный октет: Атомы третьего периода и ниже могут иметь более 8 электронов, например, фосфор (P) и сера (S).
• Молекулы с неспаренными электронами: Некоторые молекулы, такие как NO (оксид азота), имеют нечетное количество электронов и, следовательно, не могут удовлетворить правило октета для всех атомов.

Заключение

Точечные структуры Льюиса являются важным инструментом в химии, позволяющим визуализировать и понимать распределение электронов в молекулах. Хотя построение этих структур требует некоторой практики, понимание основных шагов и принципов, изложенных в этой статье, позволит вам с легкостью их строить и использовать для дальнейшего изучения химических свойств веществ.

Умение строить структуры Льюиса не только пригодится вам на уроках химии, но и даст более глубокое понимание того, как атомы объединяются в молекулы, и какие силы управляют химическими реакциями. Помните, что практика делает совершенным, так что продолжайте тренироваться и углублять свои знания!