Структуры Льюиса
Структура Льюиса показывает, как валентные электроны распределены в молекуле или многоатомном ионе: общие электронные пары образуют связи, а необщие пары остаются у отдельных атомов. Для построения используют электронную формулу связи, правило октета и подсчёт общего числа валентных электронов.
Что показывает структура Льюиса
В структуре Льюиса атомы изображают символами химических элементов, а валентные электроны — точками или линиями. Пара электронов между двумя атомами — общая электронная пара, то есть ковалентная связь. Одна черта соответствует одной общей паре, две черты — двум парам, три черты — трём парам.
Структура Льюиса — схема молекулы или многоатомного иона, в которой показаны символы атомов, общие электронные пары и неподелённые электронные пары.
В большинстве соединений атомы стремятся получить устойчивую внешнюю оболочку из восьми электронов — это правило октета. Для водорода действует особый случай: устойчивой считается оболочка из двух электронов, или дублет. Число электронов, участвующих в образовании связей, связано с ковалентной связью.
| Обозначение | Что означает | Сколько электронов учитывается |
|---|---|---|
| Одна черта между атомами | Одна общая электронная пара | 2 |
| Две черты | Две общие пары | 4 |
| Три черты | Три общие пары | 6 |
| Пара точек у атома | Неподелённая пара | 2 |
При построении структуры Льюиса сначала учитывают все валентные электроны частиц, затем распределяют их так, чтобы внешние оболочки атомов по возможности соответствовали октету, а у водорода — дублету.
Алгоритм построения
Для обычных молекул и ионов удобно действовать по одному алгоритму. Он особенно полезен в заданиях, где требуется определить число связей, неподелённых пар или соответствие правилам октета.
- Запишите формулу частицы и определите центральный атом. Обычно центральным является менее электроотрицательный атом; водород центральным атомом не бывает.
- Посчитайте все валентные электроны. Для отрицательного заряда добавьте число электронов, равное модулю заряда; для положительного заряда вычтите число электронов, равное заряду.
- Соедините центральный атом с окружающими одинарными связями. На каждую связь приходится два электрона.
- Распределите оставшиеся электроны сначала вокруг внешних атомов, чтобы завершить их оболочки.
- Если у центрального атома не получился октет, превратите неподелённые пары соседнего атома в двойные или тройные связи.
- Для иона всю структуру заключите в квадратные скобки и укажите заряд справа сверху.
В этой записи \(q\) — заряд частицы со знаком: для катиона он положительный и электроны вычитаются, а для аниона заряд отрицательный, поэтому фактически электроны добавляются. Например, для \(\mathrm{NH_4^+}\): \(5+4\cdot1-1=8\) валентных электронов.
В формулах типа \(\mathrm{CO_2}\) и \(\mathrm{SO_2}\) центральным обычно является атом, записанный первым, кроме водорода. В соединениях кислорода с галогенами центральным чаще считают кислород, а в оксокислотах водород присоединён к кислороду, а не к центральному атому.
Подсчёт электронов и порядок их размещения
Сначала образуют каркас: центральный атом соединяют с каждым внешним атомом одной связью. Число электронов в каркасе равно удвоенному числу связей. Затем внешние атомы получают недостающие электроны. Оставшиеся электроны помещают на центральный атом.
Если после этого центральный атом имеет меньше восьми электронов, одну неподелённую пару внешнего атома используют для образования дополнительной связи. Так одинарная связь превращается в двойную, а двойная — в тройную. При сравнении вариантов полезно учитывать формальный заряд: предпочтительны структуры с меньшими по модулю зарядами и с отрицательным зарядом на более электроотрицательном атоме.
Сколько валентных электронов нужно учесть при построении структуры \(\mathrm{CO_3^{2-}}\)?
Разобранный пример: структура \(\mathrm{CO_2}\)
Построим структуру Льюиса углекислого газа. Нужно определить число электронов, создать каркас и проверить октеты.
Структура \(\mathrm{CO_2}\): \(\mathrm{O=C=O}\). У каждого атома кислорода остаются две неподелённые пары электронов. Молекула содержит две двойные связи; суммарное число валентных электронов равно 16.
Многоатомные ионы и заряды
Для ионов порядок построения тот же, но итоговую схему заключают в квадратные скобки. Заряд иона указывают за скобками. Например, в \(\mathrm{OH^-}\) кислород и водород соединены одной связью: после её образования у кислорода остаются три неподелённые пары, а общий счёт равен 8 электронам.
В ионах с несколькими возможными положениями двойной связи могут существовать равноправные резонансные структуры. Их нельзя считать разными веществами: реальное распределение электронов является усреднённым. Геометрию и углы между связями позднее объясняет теория отталкивания электронных пар.
1. Не забывайте добавлять электроны аниона и вычитать электроны катиона. 2. Не ставьте водород в центр и не пытайтесь дать ему октет. 3. Не останавливайтесь после расстановки одинарных связей: у центрального атома может не хватить электронов. 4. Не путайте число связей с числом электронов: одна связь содержит два электрона. 5. Заряд иона пишите за квадратными скобками, а не у случайного атома.
Правило октета не является абсолютным. Возможны неполный октет, нечётное число электронов и расширенный октет у некоторых элементов третьего периода и далее. Эти случаи рассматриваются на странице исключения из правила октета.
Связь структуры с кристаллической решёткой
Структура Льюиса описывает отдельную молекулу или многоатомный ион, а не весь кристалл. Поэтому для веществ с молекулярной решёткой она помогает понять состав и связи внутри молекул, но не заменяет описание расположения частиц в кристалле. Тип решётки определяют по тому, какие частицы находятся в узлах: молекулы, ионы, атомы или катионы металла с общими электронами. Сравнить влияние строения на свойства можно на страницах растворимость и тип кристаллической решётки и температура плавления и тип решётки.
Быстрая проверка
Главное
- Структура Льюиса показывает связи и неподелённые электронные пары.
- Сначала считают все валентные электроны с учётом заряда, затем создают каркас и завершают октеты.
- Одна черта связи соответствует двум электронам; у водорода устойчив дублет.
- Если у центрального атома не хватает электронов, образуют двойные или тройные связи.
- Для ионов используют квадратные скобки и указывают заряд; возможные равноправные варианты называют резонансными структурами.