Войти
Структуры Льюиса, также известные как точечные диаграммы Льюиса, точечные формулы Льюиса, точечные структуры Льюиса, электронные точечные структуры или электронные точечные структуры Льюиса (LEDS) представляют собой диаграммы, которые показывают связь между атомов молекулы и неподеленных пар электронов, которые могут существовать в молекуле. Структуру Льюиса можно нарисовать для любой ковалентно связанной молекулы, а также для координационных соединений. Структура Льюиса была названа в честь Гилберта Н. Льюиса, который представил ее в своей статье 1916 года «Атом и молекула». Структуры Льюиса расширяют концепцию электронной точечной диаграммы, добавляя линии между атомами, чтобы представить общие пары в химической связи.
Структуры Льюиса показывают каждый атом и его положение в структуре молекулы с помощью его химического символа. Линии проводятся между атомами, которые связаны друг с другом (вместо линий можно использовать пары точек). Лишние электроны, образующие неподеленные пары, представлены парами точек и помещены рядом с атомами.
Хотя элементы основной группы второго периода и за его пределами обычно реагируют, приобретая, теряя или разделяя электроны, пока они не достигнут электронной конфигурации валентной оболочки с полной октет из (8) электронов, водород (H) может образовывать только связи, которые разделяют только два электрона.
Общее количество электронов, представленных в структуре Льюиса, равно сумме чисел валентных электронов на каждой индивидуальный атом. Невалентные электроны в структурах Льюиса не представлены.
После определения общего количества доступных электронов электроны должны быть помещены в структуру в соответствии со следующими шагами:
Структуры Льюиса для многоатомных ионов могут быть построены тем же методом. При подсчете электронов отрицательные ионы должны иметь дополнительные электроны, помещенные в их структуры Льюиса; положительные ионы должны иметь меньше электронов, чем незаряженная молекула. Когда записывается структура Льюиса иона, вся структура помещается в скобки, а заряд записывается как надстрочный индекс в правом верхнем углу за скобками.
Был предложен более простой метод построения структур Льюиса, исключающий необходимость в подсчете электронов: атомы нарисованы с указанием валентных электронов; Затем связи образуются путем объединения валентных электронов атомов, участвующих в процессе образования связи, а анионы и катионы образуются путем добавления или удаления электронов в / из соответствующих атомов.
Уловка состоит в том, чтобы подсчитать валентных электронов, затем подсчитайте количество электронов, необходимое для выполнения правила октета (или с водородом всего 2 электрона), затем возьмите разницу этих двух чисел, и ответ будет количеством электронов, составляющих связи. Остальные электроны просто идут, чтобы заполнить октеты всех остальных атомов.
Была предложена другая простая и общая процедура для записи структур Льюиса и резонансных форм.
С точки зрения структур Льюиса, формальный заряд используется в описании, сравнении и оценке вероятных топологических и резонансных структур путем определения кажущегося электронного заряда каждого атома внутри на основе его электронной точечной структуры, предполагая исключительную ковалентность или неполярное соединение. Он используется для определения возможной перестройки электрона при обращении к механизмам реакции и часто дает тот же знак, что и частичный заряд атома, за исключением. В общем, формальный заряд атома можно рассчитать по следующей формуле, исходя из нестандартных определений используемой разметки:
где:
- это формальный заряд.
представляет количество валентных электронов в свободном атоме элемента.
представляет собой количество неподеленных электронов на атоме.
представляет общее количество электронов в связях, которые атом имеет с другим.Формальный заряд атома вычисляется как разница между количеством валентных электронов, которые должен иметь нейтральный атом, и количеством электронов, которые ему принадлежат в структуре Льюиса. Электроны в ковалентных связях поровну делятся между атомами, участвующими в связи. Сумма формальных зарядов иона должна быть равна заряду иона, а сумма формальных зарядов нейтральной молекулы должна быть равна нулю.
Для некоторых молекул и ионов трудно определить, какие неподеленные пары следует переместить, чтобы образовать двойные или тройные связи, и две или более различных резонансных структуры могут быть записаны для одной и той же молекула или ион. В таких случаях обычно пишут их все с двусторонними стрелками между ними (см. Пример ниже). Иногда это происходит, когда центральный атом окружают несколько атомов одного и того же типа, и это особенно характерно для многоатомных ионов.
Когда возникает такая ситуация, говорят, что структура Льюиса молекулы является резонансной структурой, и молекула существует как резонансный гибрид. Каждая из различных возможностей накладывается на другие, и считается, что молекула имеет структуру Льюиса, эквивалентную некоторой комбинации этих состояний.
Нитрат-ион (NO 3), например, должен образовывать двойную связь между азотом и одним из атомов кислорода, чтобы удовлетворять правилу октетов для азота. Однако, поскольку молекула симметрична, не имеет значения, какой из атомов кислорода образует двойную связь. В этом случае возможны три возможные резонансные структуры. Выражение резонанса при рисовании структур Льюиса может быть выполнено либо путем рисования каждой из возможных форм резонанса и размещения между ними двусторонних стрелок, либо путем использования пунктирных линий для представления частичных связей (хотя последнее является хорошим представлением резонансного гибрида, который является не, формально говоря, структура Льюиса).
При сравнении резонансных структур для одной и той же молекулы обычно те, которые имеют наименьшее количество формальных зарядов, вносят больший вклад в общий резонансный гибрид. Когда необходимы формальные заряды, предпочтение отдается резонансным структурам, которые имеют отрицательные заряды на более электроотрицательных элементах и положительные заряды на менее электроотрицательных элементах.
Одиночные связи также можно перемещать таким же образом для создания резонансных структур для гипервалентных молекул, таких как гексафторид серы, что является правильным описанием согласно квантово-химическим расчетам вместо обычной модели с расширенными октетами.
Резонансную структуру не следует интерпретировать как указание на то, что молекула переключается между формами, но что молекула действует как среднее для множества форм.
Формула иона нитрита NO-. 2.
Две разновидности структурной формулы в сжатом виде, каждая из которых показывает бутан 
Схема скелета бутан Химические структуры могут быть записаны в более компактных формах, особенно когда показаны органические молекулы. В конденсированных структурных формулах многие или даже все ковалентные связи могут быть опущены, а нижние индексы указывают количество идентичных групп, присоединенных к конкретному атому. Другая сокращенная структурная диаграмма - это формула скелета (также известная как формула линии связи или диаграмма углеродного скелета). В формуле скелета атомы углерода обозначены не символом C, а вершинами линий. Атомы водорода, связанные с углеродом, не показаны - они могут быть выведены путем подсчета количества связей с конкретным атомом углерода - предполагается, что у каждого углерода всего четыре связи, поэтому любые не показанные связи косвенно относятся к атомам водорода.
Другие диаграммы могут быть более сложными, чем структуры Льюиса, показывая связи в 3D с использованием различных форм, таких как диаграммы заполнения пространства.
Несмотря на их простоту и развитие в В начале двадцатого века, когда понимание химической связи было еще рудиментарным, структуры Льюиса улавливали многие ключевые особенности электронной структуры ряда молекулярных систем, включая те, которые имеют отношение к химической реакционной способности. Таким образом, они по-прежнему широко используются химиками и преподавателями химии. Это особенно верно в области органической химии, где до сих пор доминирует традиционная модель связывания валентных связей, а механизмы часто понимаются в терминах обозначения кривой-стрелки, наложенного на скелетные формулы, которые являются сокращенными версиями структур Льюиса. Из-за большего разнообразия схем связывания, встречающихся в неорганической и металлоорганической химии, многие из встречающихся молекул требуют использования полностью делокализованных молекулярных орбиталей для адекватного описания их связь, что делает структуры Льюиса сравнительно менее важными (хотя они все еще распространены).
Важно отметить, что существуют простые и архетипические молекулярные системы, для которых описание Льюиса, по крайней мере в неизмененной форме, вводит в заблуждение или неточно. Примечательно, что наивный рисунок структур Льюиса для молекул, которые, как известно экспериментально, содержат неспаренные электроны (например, O 2, NO и ClO 2), приводит к неправильным выводам о порядках связи, длине связи., и / или магнитные свойства. Простая модель Льюиса также не учитывает явление ароматичности. Например, структуры Льюиса не предлагают объяснения того, почему циклический C 6H6(бензол) испытывает особую стабилизацию за пределами обычных эффектов делокализации, в то время как C 4H4(циклобутадиен) фактически испытывает особую дестабилизацию. Теория молекулярных орбиталей обеспечивает наиболее прямое объяснение этих явлений.
