Wprowadzenie
Pamiętam, jak pierwszy raz zetknąłem się ze strukturą Lewisa na zajęciach z chemii. Byłem wtedy w liceum i byłem bardzo ciekaw, jak można przedstawić rozkład elektronów w cząsteczce. Z czasem zrozumiałem, że struktura Lewisa to niezwykle przydatne narzędzie, które pomaga zrozumieć budowę i właściwości związków chemicznych. W tym artykule postaram się wyjaśnić, czym jest struktura Lewisa i jak ją narysować, a także przedstawię kilka przykładów jej zastosowania.
Co to jest struktura Lewisa?
Struktura Lewisa to graficzna reprezentacja rozkładu elektronów wokół atomów w cząsteczce lub jonie. Kiedy uczyłem się o strukturze Lewisa, szybko zrozumiałem, że jest to bardzo przydatne narzędzie do wizualizacji i zrozumienia, jak atomy łączą się ze sobą, tworząc wiązania. W strukturze Lewisa elektrony walencyjne, czyli elektrony znajdujące się na zewnętrznej powłoce elektronowej atomu, są reprezentowane przez kropki, a wiązania kowalencyjne, czyli wiązania utworzone przez wspólną parę elektronów, są reprezentowane przez linie.
Narysowanie struktury Lewisa dla cząsteczki może wydawać się na początku skomplikowane, ale w rzeczywistości jest to dość prosty proces. Istnieje kilka kroków, które należy wykonać, aby narysować strukturę Lewisa. Pierwszym krokiem jest określenie liczby elektronów walencyjnych dla każdego atomu w cząsteczce. Następnie należy narysować szkielet struktury, łącząc atomy ze sobą liniami. Potem należy umieścić elektrony wokół atomów, tak aby każdy atom miał pełny oktet (ośmioma elektronami na zewnętrznej powłoce elektronowej). W przypadku niektórych cząsteczek może być konieczne utworzenie wiązań podwójnych lub potrójnych, aby spełnić regułę oktetu.
Struktura Lewisa to bardzo przydatne narzędzie do przewidywania liczby i rodzaju wiązań, które mogą powstać wokół atomu, a także do przewidywania geometrii cząsteczki.
Przykład struktury Lewisa
Jako przykład struktury Lewisa, narysowałem strukturę cząsteczki wody (H2O). Woda składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu, a każdy atom wodoru tworzy pojedyncze wiązanie kowalencyjne z atomem tlenu.
Krok 1⁚ Określ liczbę elektronów walencyjnych.
Pierwszym krokiem w rysowaniu struktury Lewisa jest określenie liczby elektronów walencyjnych dostępnych w cząsteczce. Pamiętam, jak na początku uczyłem się o tym, miałem trudności z zapamiętaniem, ile elektronów walencyjnych ma każdy atom. Ale potem odkryłem, że jest to łatwiejsze, niż się wydaje. Po prostu trzeba spojrzeć na położenie elementu w układzie okresowym. Liczba grupy, do której należy element, odpowiada liczbie elektronów walencyjnych. Na przykład, tlen (O) znajduje się w grupie 16 (lub VIA) układu okresowego, więc ma 6 elektronów walencyjnych. Wodór (H) znajduje się w grupie 1 (lub IA), więc ma 1 elektron walencyjny.
Aby określić całkowitą liczbę elektronów walencyjnych w cząsteczce, należy zsumować liczbę elektronów walencyjnych każdego atomu. Na przykład, w cząsteczce wody (H2O) mamy dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu. Dlatego całkowita liczba elektronów walencyjnych w cząsteczce wody wynosi 2 (z dwóch atomów wodoru) + 6 (z jednego atomu tlenu) = 8 elektronów walencyjnych.
Krok 2⁚ Narysuj szkielet struktury.
Po określeniu liczby elektronów walencyjnych w cząsteczce, kolejnym krokiem jest narysowanie szkieletu struktury. W tym kroku po prostu łączymy atomy ze sobą liniami. Pamiętam, jak na początku uczyłem się o tym, miałem problemy z określeniem, który atom powinien być w środku struktury. Ale potem nauczyłem się, że centralny atom w cząsteczce jest zwykle najmniej elektroujemnym atomem lub atomem o najwyższej wartościowości. Aby znaleźć elektroujemność, albo polegaj na trendach w układzie okresowym, albo skonsultuj się z tabelą zawierającą wartości elektroujemności. Elektroujemność zmniejsza się, przesuwając się w dół grupy w układzie okresowym i zwiększa się, przesuwając się od lewej do prawej w całym okresie. Atomy wodoru i halogenu mają tendencję do pojawiania się na zewnątrz cząsteczki i rzadko są centralnym atomem.
W przypadku cząsteczki wody (H2O), atom tlenu jest bardziej elektroujemny niż atom wodoru, więc atom tlenu będzie centralnym atomem. Dwa atomy wodoru będą połączone z atomem tlenu liniami.
Krok 3⁚ Umieść elektrony wokół atomów.
Po narysowaniu szkieletu struktury, kolejnym krokiem jest umieszczenie elektronów wokół atomów. Pamiętam, jak na początku uczyłem się o tym, miałem trudności z zapamiętaniem, jak dokładnie to zrobić. Ale potem zrozumiałem, że to wcale nie jest takie trudne; Po prostu trzeba pamiętać, że każdy atom chce mieć pełny oktet, czyli osiem elektronów na swojej zewnętrznej powłoce elektronowej.
W przypadku cząsteczki wody (H2O)٫ atom tlenu ma 6 elektronów walencyjnych٫ a każdy atom wodoru ma 1 elektron walencyjny. W szkielecie struktury mamy już 2 elektrony٫ które tworzą wiązania między atomem tlenu a każdym atomem wodoru. Dlatego wokół atomu tlenu musimy umieścić jeszcze 4 elektrony (w postaci dwóch par). Wokół każdego atomu wodoru nie musimy umieszczać żadnych dodatkowych elektronów٫ ponieważ każdy atom wodoru ma już pełny oktet (2 elektrony).
Krok 4⁚ Sprawdź, czy wszystkie atomy mają pełne oktety.
Po umieszczeniu elektronów wokół atomów, należy sprawdzić, czy wszystkie atomy mają pełne oktety. Pamiętam, jak na początku uczyłem się o tym, miałem problemy z rozróżnieniem, czy wszystkie atomy mają pełne oktety, czy nie. Ale potem zrozumiałem, że to wcale nie jest takie trudne. Po prostu trzeba policzyć liczbę elektronów wokół każdego atomu.
W przypadku cząsteczki wody (H2O), atom tlenu ma 8 elektronów wokół siebie (2 elektrony z wiązań z atomami wodoru i 4 elektrony w parach elektronowych), a każdy atom wodoru ma 2 elektrony wokół siebie (1 elektron z wiązania z atomem tlenu i 1 elektron z własnej powłoki walencyjnej). Dlatego wszystkie atomy w cząsteczce wody mają pełne oktety.
Jeśli któryś z atomów nie ma pełnego oktetu, należy ponownie rozważyć umiejscowienie elektronów w strukturze. Możliwe, że należy utworzyć wiązanie podwójne lub potrójne między atomami.
Wyjątki od reguły oktetu
Chociaż reguła oktetu jest bardzo przydatnym narzędziem do przewidywania struktury cząsteczek, istnieją pewne wyjątki od tej reguły. Pamiętam, jak na początku uczyłem się o tym, byłem zdezorientowany, dlaczego niektóre cząsteczki nie spełniają reguły oktetu. Ale potem zrozumiałem, że istnieją pewne atomy, które mogą być stabilne, mając mniej lub więcej niż 8 elektronów na swojej zewnętrznej powłoce elektronowej.
Jednym z przykładów jest bor (B), który ma tylko 3 elektrony walencyjne. W cząsteczce BF3, bor ma tylko 6 elektronów wokół siebie, a nie 8. Innym przykładem jest fosfor (P), który może mieć więcej niż 8 elektronów wokół siebie, na przykład w cząsteczce PCl5, fosfor ma 10 elektronów wokół siebie.
Wyjątki od reguły oktetu są często spotykane w przypadku cząsteczek zawierających atomy o małych rozmiarach lub o dużej elektroujemności.
Zastosowania struktury Lewisa
Struktura Lewisa to bardzo przydatne narzędzie, które ma wiele zastosowań w chemii. Używałem jej do przewidywania geometrii cząsteczek, określania ładunku formalnego atomów i analizowania reakcji chemicznych.
Przewidywanie geometrii cząsteczki
Struktura Lewisa może być użyta do przewidywania geometrii cząsteczki. Pamiętam, jak na początku uczyłem się o tym, miałem problemy z wyobrażeniem sobie, jak wygląda cząsteczka w przestrzeni. Ale potem zrozumiałem, że struktura Lewisa może nam pomóc w tym. Na przykład, jeśli narysujemy strukturę Lewisa dla cząsteczki metanu (CH4), zauważymy, że atom węgla jest otoczony przez cztery atomy wodoru.
W tym przypadku możemy przewidzieć, że geometria cząsteczki metanu będzie tetraedryczna, ponieważ cztery atomy wodoru są rozmieszczone wokół atomu węgla w sposób, który tworzy tetraedr.
Oczywiście, struktura Lewisa nie zawsze pozwala na dokładne przewidywanie geometrii cząsteczki. Istnieją bardziej zaawansowane metody, takie jak teoria odpychania par elektronów powłoki walencyjnej (VSEPR), które mogą być użyte do bardziej dokładnego przewidywania geometrii cząsteczki.
Określanie ładunku formalnego
Struktura Lewisa może być użyta do określenia ładunku formalnego atomów w cząsteczce. Pamiętam, jak na początku uczyłem się o tym, byłem zdezorientowany, co to jest ładunek formalny i jak go obliczyć. Ale potem zrozumiałem, że ładunek formalny to po prostu hipotetyczny ładunek, który atom przyjmuje w cząsteczce, jeśli elektrony wiążące są dzielone równomiernie między atomy.
Aby obliczyć ładunek formalny atomu, należy zastosować następujący wzór⁚
Ładunek formalny = liczba elektronów walencyjnych ⎼ liczba elektronów niewiążących ─ 1/2 liczba elektronów wiążących
Na przykład, w cząsteczce wody (H2O), atom tlenu ma ładunek formalny równy 0, a każdy atom wodoru ma ładunek formalny równy 0.
Określanie ładunku formalnego może być przydatne do przewidywania reaktywności cząsteczki.
Teoria kwasów i zasad Lewisa
Teoria kwasów i zasad Lewisa jest rozszerzeniem tradycyjnej teorii Brønsteda-Lowryego, która definiuje kwasy jako donory protonów, a zasady jako akceptory protonów. Pamiętam, jak na początku uczyłem się o tym, byłem zdezorientowany, dlaczego potrzebna jest nowa teoria kwasów i zasad. Ale potem zrozumiałem, że teoria Lewisa pozwala na wyjaśnienie reakcji, które nie są możliwe do opisania w ramach teorii Brønsteda-Lowryego.
W teorii Lewisa, kwas jest definiowany jako akceptor pary elektronowej, a zasada jako donor pary elektronowej. Na przykład, w reakcji między amoniakiem (NH3) a kwasem chlorowodorowym (HCl)٫ amoniak działa jako zasada Lewisa٫ ponieważ oddaje parę elektronową atomowi wodoru w kwasie chlorowodorowym٫ który działa jako kwas Lewisa.
Teoria Lewisa jest bardzo przydatna do wyjaśniania reakcji, w których nie występuje transfer protonów, takich jak reakcje tworzenia kompleksów koordynacyjnych;
Podsumowanie
Struktura Lewisa to graficzna reprezentacja rozkładu elektronów wokół atomów w cząsteczce lub jonie. Uczyłem się o niej w liceum i od tego czasu wiele razy używałem jej do rozwiązywania problemów z chemii. Struktura Lewisa jest bardzo przydatnym narzędziem do przewidywania liczby i rodzaju wiązań, które mogą powstać wokół atomu, a także do przewidywania geometrii cząsteczki.
Istnieje kilka kroków, które należy wykonać, aby narysować strukturę Lewisa. Najpierw należy określić liczbę elektronów walencyjnych dla każdego atomu w cząsteczce. Następnie należy narysować szkielet struktury, łącząc atomy ze sobą liniami. Potem należy umieścić elektrony wokół atomów, tak aby każdy atom miał pełny oktet (ośmioma elektronami na zewnętrznej powłoce elektronowej).
Struktura Lewisa jest również przydatna do określania ładunku formalnego atomów w cząsteczce i do analizowania reakcji chemicznych w ramach teorii kwasów i zasad Lewisa.
Dodatkowe informacje
W chemii istnieje wiele innych pojęć, które są powiązane ze strukturą Lewisa, takich jak rezonans chemiczny, teoria odpychania par elektronów powłoki walencyjnej (VSEPR) i teoria orbitali molekularnych.
Rezonans chemiczny
Rezonans chemiczny, znany również jako mezomeria, jest koncepcją stosowaną w chemii, która opisuje sytuację, w której struktura cząsteczki nie może być przedstawiona za pomocą jednego wzoru Lewisa. Pamiętam, jak na początku uczyłem się o tym, byłem zdezorientowany, dlaczego nie można użyć jednego wzoru Lewisa do przedstawienia niektórych cząsteczek. Ale potem zrozumiałem, że elektrony w niektórych cząsteczkach są zdelokalizowane, co oznacza, że nie są związane z jednym konkretnym atomem, ale rozłożone są na kilka atomów.
W takich przypadkach stosuje się różne wzory Lewisa, które reprezentują różne możliwe rozmieszczenia elektronów. Te wzory Lewisa są połączone ze sobą strzałkami rezonansu, aby pokazać, że rzeczywista struktura cząsteczki jest hybrydą tych wzorów.
Na przykład, cząsteczka benzenu (C6H6) jest często przedstawiana za pomocą dwóch wzorów Lewisa, które pokazują różne rozmieszczenia wiązań podwójnych w pierścieniu benzenowym. W rzeczywistości, struktura benzenu jest hybrydą tych dwóch wzorów, a elektrony wiążące są rozłożone na całym pierścieniu.
Teoria odpychania par elektronów powłoki walencyjnej (VSEPR)
Teoria odpychania par elektronów powłoki walencyjnej (VSEPR) to model, który pomaga przewidywać geometrię cząsteczek. Pamiętam, jak na początku uczyłem się o tym, byłem zdezorientowany, jak można przewidywać geometrię cząsteczek. Ale potem zrozumiałem, że VSEPR jest bardzo przydatnym narzędziem, które pozwala na przewidywanie geometrii cząsteczek na podstawie liczby par elektronowych wokół atomu centralnego.
VSEPR zakłada, że pary elektronowe wokół atomu centralnego odpychają się wzajemnie, a próbują się rozmieszczać w przestrzeni tak, aby zminimalizować to odpychanie. W rezultacie, pary elektronowe wokół atomu centralnego przyjmują określone geometrie, takie jak liniowa, kątowa, tetraedryczna, piramidalna i bipiramidalna.
Na przykład, w cząsteczce metanu (CH4)٫ atom węgla jest otoczony przez cztery atomy wodoru. Według VSEPR٫ cztery pary elektronowe wokół atomu węgla przyjmują geometrię tetraedryczną٫ co oznacza٫ że cztery atomy wodoru są rozmieszczone w narożach tetraedru٫ a atom węgla znajduje się w jego środku.
Przykładowy problem ze strukturą Lewisa
Narysuj strukturę Lewisa dla cząsteczki amoniaku (NH3).
Krok 1⁚ Określ liczbę elektronów walencyjnych. Amoniak składa się z jednego atomu azotu (N) i trzech atomów wodoru (H). Azot ma 5 elektronów walencyjnych٫ a wodór ma 1 elektron walencyjny. Dlatego całkowita liczba elektronów walencyjnych w amoniaku wynosi 5 (z azotu) + 3 (z wodoru) = 8 elektronów walencyjnych.
Krok 2⁚ Narysuj szkielet struktury. Azot jest bardziej elektroujemny niż wodór٫ więc azot będzie centralnym atomem. Trzy atomy wodoru będą połączone z atomem azotu liniami.
Krok 3⁚ Umieść elektrony wokół atomów. Wokół atomu azotu musimy umieścić jeszcze 2 elektrony (w postaci jednej pary). Wokół każdego atomu wodoru nie musimy umieszczać żadnych dodatkowych elektronów, ponieważ każdy atom wodoru ma już pełny oktet (2 elektrony).
Krok 4⁚ Sprawdź, czy wszystkie atomy mają pełne oktety. Atom azotu ma 8 elektronów wokół siebie (2 elektrony z wiązań z atomami wodoru i 2 elektrony w parze elektronowej), a każdy atom wodoru ma 2 elektrony wokół siebie (1 elektron z wiązania z atomem azotu i 1 elektron z własnej powłoki walencyjnej). Dlatego wszystkie atomy w cząsteczce amoniaku mają pełne oktety.