โครงสร้าง LEWIS: มันคืออะไรทำอย่างไรตัวอย่าง - เคมี - 2025

ลูอิสโครงสร้างเป็นสิ่งที่เป็นตัวแทนของพันธะโควาเลนภายในโมเลกุลหรือไอออน ในนั้นพันธะและอิเล็กตรอนเหล่านี้แสดงด้วยจุดหรือขีดยาวแม้ว่าจุดส่วนใหญ่จะตรงกับอิเล็กตรอนที่ไม่ใช้ร่วมกันและขีดกลางกับพันธะโควาเลนต์

พันธะโควาเลนต์คืออะไร? มันคือการแบ่งปันอิเล็กตรอนคู่หนึ่ง (หรือจุด) ระหว่างสองอะตอมของตารางธาตุ ด้วยแผนภาพเหล่านี้สามารถวาดโครงกระดูกจำนวนมากสำหรับสารประกอบที่กำหนด ข้อใดถูกต้องจะขึ้นอยู่กับประจุทางการและลักษณะทางเคมีของอะตอมเอง

สารประกอบ 2-bromopropane โดย Ben Mills จาก Wikimedia Commons

ในภาพด้านบนคุณมีตัวอย่างโครงสร้าง Lewis คืออะไร ในกรณีนี้สารประกอบที่แสดงคือ 2-bromopropane คุณสามารถเห็นจุดสีดำที่ตรงกับอิเล็กตรอนทั้งที่มีส่วนร่วมในพันธะและจุดที่ไม่ใช้ร่วมกัน (คู่เดียวที่อยู่เหนือ Br)

หากคู่ของจุด ":" ถูกแทนที่ด้วยเส้นประยาว "-" ดังนั้นโครงกระดูกคาร์บอนของ 2-bromopropane จะแสดงเป็น: C - C - C เหตุใดจึงไม่สามารถใช้ C - H - H - C แทนที่จะเป็น "กรอบโมเลกุล" ที่วาดขึ้นมา คำตอบอยู่ในลักษณะอิเล็กทรอนิกส์ของแต่ละอะตอม

ดังนั้นเนื่องจากไฮโดรเจนมีอิเล็กตรอนเดี่ยวและมีออร์บิทัลเดี่ยวที่สามารถเติมได้จึงสร้างพันธะโควาเลนต์เพียงชุดเดียว ดังนั้นจึงไม่สามารถสร้างพันธะสองพันธะได้ (เพื่อไม่ให้สับสนกับพันธะไฮโดรเจน) ในทางกลับกันการกำหนดรูปแบบอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมคาร์บอนอนุญาต (และต้องการ) การสร้างพันธะโควาเลนต์สี่พันธะ

ด้วยเหตุนี้โครงสร้าง Lewis ที่ C และ H แทรกแซงจะต้องสอดคล้องกันและเคารพสิ่งที่อยู่ภายใต้การกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์ของพวกเขา ด้วยวิธีนี้หากคาร์บอนมีพันธะมากกว่าสี่พันธะหรือไฮโดรเจนมากกว่าหนึ่งพันธะก็สามารถทิ้งร่างและสร้างใหม่ที่สอดคล้องกับความเป็นจริงได้

นี่คือหนึ่งในลวดลายหลักหรือการรับรองโครงสร้างเหล่านี้ปรากฏขึ้นโดย Gilbert Newton Lewis นำเสนอในการค้นหาการนำเสนอโมเลกุลที่ตรงตามข้อมูลการทดลอง: โครงสร้างโมเลกุลและประจุทางการ

สารประกอบที่มีอยู่ทั้งหมดสามารถแสดงโดยโครงสร้างของลิวอิสโดยให้ค่าประมาณก่อนว่าโมเลกุลหรือไอออนจะเป็นอย่างไร

โครงสร้าง Lewis คืออะไร?

มันเป็นโครงสร้างตัวแทนของเวเลนซ์อิเล็กตรอนและพันธะโควาเลนต์ในโมเลกุลหรือไอออนที่ทำหน้าที่รับความคิดเกี่ยวกับโครงสร้างโมเลกุลของมัน

อย่างไรก็ตามโครงสร้างนี้ไม่สามารถทำนายรายละเอียดที่สำคัญบางอย่างเช่นเรขาคณิตโมเลกุลเกี่ยวกับอะตอมและสภาพแวดล้อมของมัน (ถ้าเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสระนาบตรีโกณมิติ bipyramidal ฯลฯ )

ในทำนองเดียวกันมันไม่ได้บอกอะไรเกี่ยวกับการผสมพันธุ์ทางเคมีของอะตอมของมัน แต่จะบอกว่าพันธะคู่หรือสามพันธะนั้นอยู่ที่ใดและมีการสั่นพ้องในโครงสร้างหรือไม่

ด้วยข้อมูลนี้เราสามารถโต้แย้งเกี่ยวกับปฏิกิริยาของสารประกอบความเสถียรวิธีและกลไกที่โมเลกุลจะตามมาเมื่อมันทำปฏิกิริยา

ด้วยเหตุนี้โครงสร้างของ Lewis จึงไม่หยุดที่จะได้รับการพิจารณาและมีประโยชน์มากเนื่องจากการเรียนรู้ทางเคมีใหม่สามารถรวมตัวกันได้

เสร็จแล้วเป็นยังไงบ้าง?

ในการวาดหรือร่างโครงสร้างสูตรหรือแผนภาพลิวอิสสูตรทางเคมีของสารประกอบเป็นสิ่งสำคัญ หากไม่มีคุณจะไม่สามารถรู้ได้ด้วยซ้ำว่าอะตอมใดประกอบเป็นอะตอม เมื่อใช้แล้วตารางธาตุจะถูกใช้เพื่อค้นหาว่าพวกเขาอยู่ในกลุ่มใด

ตัวอย่างเช่นถ้าคุณมีสารประกอบ C ₁₄ O ₂ N ₃คุณจะต้องมองหากลุ่มที่มีคาร์บอนออกซิเจนและไนโตรเจน เมื่อเสร็จแล้วไม่ว่าสารประกอบจะเป็นอย่างไรจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนยังคงเท่าเดิมดังนั้นไม่ช้าก็เร็วพวกเขาจะถูกจดจำ

ดังนั้นคาร์บอนจึงอยู่ในกลุ่ม IVA ออกซิเจนไปยังกลุ่ม VIA และไนโตรเจนถึง VA หมายเลขกลุ่มเท่ากับจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอน (คะแนน) พวกเขาทั้งหมดมีแนวโน้มที่จะเติมออกเตตของวาเลนซ์เชลล์

กฎออกเตตคืออะไร?

สิ่งนี้กล่าวว่ามีแนวโน้มที่อะตอมจะบรรลุระดับพลังงานโดยมีอิเล็กตรอนแปดตัวเพื่อให้เกิดความเสถียร สิ่งนี้ใช้กับองค์ประกอบที่ไม่ใช่โลหะทั้งหมดหรือที่พบในบล็อก sop ของตารางธาตุ

อย่างไรก็ตามองค์ประกอบทั้งหมดไม่เป็นไปตามกฎออคเต็ต โดยเฉพาะอย่างยิ่งคือโลหะทรานซิชันซึ่งมีโครงสร้างขึ้นอยู่กับประจุที่เป็นทางการและหมายเลขกลุ่มมากกว่า

จำนวนอิเล็กตรอนในเปลือกวาเลนซ์ของธาตุอโลหะซึ่งสามารถใช้โครงสร้างลิวอิสได้

การใช้สูตรทางคณิตศาสตร์

เมื่อทราบว่าองค์ประกอบนั้นอยู่ในกลุ่มใดดังนั้นจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่สามารถสร้างพันธะได้เราจะดำเนินการตามสูตรต่อไปนี้ซึ่งมีประโยชน์สำหรับการวาดโครงสร้าง Lewis:

C = N - D

โดยที่ C หมายถึงอิเล็กตรอนร่วมนั่นคืออิเล็กตรอนที่มีส่วนร่วมในพันธะโควาเลนต์ เนื่องจากแต่ละพันธะประกอบด้วยอิเล็กตรอนสองตัวดังนั้น C / 2 จึงเท่ากับจำนวนพันธะ (หรือขีดกลาง) ที่จะต้องดึงออกมา

N เป็นอิเล็กตรอนที่จำเป็นซึ่งอะตอมจะต้องมีอยู่ในเปลือกวาเลนซ์เพื่อเป็นไอโซอิเล็กทรอนิคส์ของก๊าซมีตระกูลที่ตามมาในช่วงเวลาเดียวกัน สำหรับองค์ประกอบทั้งหมดที่ไม่ใช่ H (เนื่องจากต้องใช้อิเล็กตรอนสองตัวเพื่อเปรียบเทียบกับ He) พวกเขาต้องการอิเล็กตรอนแปดตัว

D คืออิเล็กตรอนที่มีอยู่ซึ่งกำหนดโดยกลุ่มหรือจำนวนของเวเลนซ์อิเล็กตรอน ดังนั้นเนื่องจาก Cl อยู่ในกลุ่ม VIIA จึงต้องล้อมรอบด้วยจุดสีดำหรืออิเล็กตรอนเจ็ดจุดและจำไว้ว่าจำเป็นต้องมีคู่เพื่อสร้างพันธะ

การมีอะตอมจุดและจำนวนพันธะ C / 2 โครงสร้างลิวอิสสามารถปรับแต่งได้ แต่นอกจากนี้จำเป็นต้องมีแนวคิดเกี่ยวกับ "กฎ" อื่น ๆ

ตำแหน่งที่จะวางอะตอมที่มีอิเล็กโทรเนกาติวิตีน้อยที่สุด

อะตอมที่มีอิเล็กโตรเนกาติวิตีน้อยที่สุดในโครงสร้างส่วนใหญ่ครอบครองศูนย์กลาง ด้วยเหตุนี้หากคุณมีสารประกอบที่มีอะตอม P, O และ F ดังนั้น P จึงต้องอยู่ตรงกลางของโครงสร้างสมมุติฐาน

นอกจากนี้สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าโดยปกติแล้วไฮโดรเจนจะจับกับอะตอมที่มีอิเล็กโทรเนกาติวิตีสูง ถ้าคุณมี Zn, H และ O ในสารประกอบ H จะไปด้วยกันกับ O ไม่ใช่กับ Zn (Zn - O - H และไม่ใช่ H - Zn - O) มีข้อยกเว้นสำหรับกฎนี้ แต่โดยทั่วไปเกิดขึ้นกับอะตอมของอโลหะ

สมมาตรและโหลดทางการ

ธรรมชาติมีความต้องการสูงในการสร้างโครงสร้างโมเลกุลที่สมมาตรที่สุด สิ่งนี้ช่วยหลีกเลี่ยงการสร้างโครงสร้างที่ยุ่งเหยิงโดยที่อะตอมถูกจัดเรียงในลักษณะที่ไม่เป็นไปตามรูปแบบที่ชัดเจน

ตัวอย่างเช่นสำหรับสารประกอบ C ₂ A ₃โดยที่ A เป็นอะตอมสมมติโครงสร้างที่เป็นไปได้มากที่สุดคือ A - C - A - C - A สังเกตความสมมาตรของด้านข้างทั้งการสะท้อนของอีกด้านหนึ่ง

ประจุที่เป็นทางการยังมีบทบาทสำคัญในการวาดโครงสร้างของ Lewis โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับไอออน ดังนั้นจึงสามารถเพิ่มหรือลบพันธะเพื่อให้ประจุที่เป็นทางการของอะตอมสอดคล้องกับประจุทั้งหมดที่แสดง เกณฑ์นี้มีประโยชน์มากสำหรับสารประกอบโลหะทรานซิชัน

ข้อ จำกัด เกี่ยวกับกฎออกเตต

เป็นตัวแทนของอะลูมิเนียมไตรฟลูออไรด์ซึ่งเป็นสารประกอบที่ไม่เสถียร องค์ประกอบทั้งสองประกอบด้วยอิเล็กตรอนหกตัวซึ่งสร้างพันธะโควาเลนต์สามพันธะเมื่อพวกมันควรเป็นแปดเพื่อให้เกิดความเสถียร ที่มา: Gabriel Bolívar

ไม่ปฏิบัติตามกฎทั้งหมดซึ่งไม่ได้หมายความว่าโครงสร้างจะผิด ตัวอย่างทั่วไปของสิ่งนี้พบได้ในสารประกอบหลายชนิดที่มีองค์ประกอบของกลุ่ม IIIA (B, Al, Ga, In, Tl) อลูมิเนียมไตรฟลูออไรด์ (AlF ₃ ) ได้รับการพิจารณาโดยเฉพาะที่นี่

ใช้สูตรที่อธิบายไว้ข้างต้นเรามี:

D = 1 × 3 (อะตอมอะลูมิเนียมหนึ่งตัว) + 7 × 3 (อะตอมฟลูออรีนสามอะตอม) = 24 อิเล็กตรอน

ในที่นี้ 3 และ 7 คือกลุ่มหรือจำนวนเวเลนซ์อิเล็กตรอนที่มีอยู่สำหรับอลูมิเนียมและฟลูออรีน จากนั้นพิจารณาอิเล็กตรอนที่จำเป็น N:

N = 8 × 1 (อะตอมอะลูมิเนียมหนึ่งตัว) + 8 × 3 (อะตอมฟลูออรีนสามอะตอม) = 32 อิเล็กตรอน

ดังนั้นอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันคือ:

C = N - D

C = 32 - 24 = 8 อิเล็กตรอน

C / 2 = 4 ลิงก์

เนื่องจากอลูมิเนียมเป็นอะตอมที่มีอิเล็กโทรเนกาติวิตีน้อยที่สุดจึงต้องวางไว้ตรงกลางและฟลูออรีนจะสร้างพันธะเดียวเท่านั้น เมื่อพิจารณาถึงสิ่งนี้เรามีโครงสร้าง Lewis ของ AlF ₃ (ภาพบน) อิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันจะเน้นด้วยจุดสีเขียวเพื่อแยกความแตกต่างจากอิเล็กตรอนที่ไม่ใช้ร่วมกัน

แม้ว่าการคำนวณคาดการณ์ว่าจะต้องเกิดพันธะ 4 พันธะ แต่อลูมิเนียมก็ขาดอิเล็กตรอนที่เพียงพอและไม่มีฟลูออรีนอะตอมที่สี่ เป็นผลให้อลูมิเนียมไม่เป็นไปตามกฎออกเตตและข้อเท็จจริงนี้ไม่ได้สะท้อนให้เห็นในการคำนวณ

ตัวอย่างโครงสร้าง Lewis

ไอโอดีน

อโลหะของไอโอดีนมีอิเล็กตรอนเจ็ดตัวดังนั้นการแบ่งปันหนึ่งในอิเล็กตรอนเหล่านี้ทำให้เกิดพันธะโควาเลนต์ที่ให้ความเสถียร ที่มา: Gabriel Bolívar

ไอโอดีนเป็นฮาโลเจนดังนั้นจึงอยู่ในกลุ่ม VIIA ดังนั้นจึงมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเจ็ดตัวและโมเลกุลไดอะตอมที่เรียบง่ายนี้สามารถแสดงถึงอิมโพรไวส์หรือใช้สูตร:

D = 2 × 7 (ไอโอดีนสองอะตอม) = 14 อิเล็กตรอน

N = 2 × 8 = 16 อิเล็กตรอน

C = 16 - 14 = 2 อิเล็กตรอน

C / 2 = 1 ลิงค์

เนื่องจากอิเล็กตรอน 14 ตัว 2 มีส่วนร่วมในพันธะโควาเลนต์ (จุดสีเขียวและเส้นประ) 12 ตัวจะยังคงเป็นแบบไม่ใช้ร่วมกัน และเนื่องจากพวกมันเป็นไอโอดีนสองอะตอมจึงต้องแบ่ง 6 สำหรับหนึ่งในนั้น (เวเลนซ์อิเล็กตรอน) เฉพาะโครงสร้างนี้เท่านั้นที่เป็นไปได้ในโมเลกุลนี้ซึ่งมีรูปทรงเรขาคณิตเป็นเส้นตรง

สารแอมโมเนีย

ไนโตรเจนมีอิเล็กตรอน 5 ตัวในขณะที่ไฮโดรเจนมีเพียง 1 เท่านั้นเพียงพอที่จะทำให้เกิดความเสถียรโดยการสร้างพันธะโควาเลนต์สามตัวประกอบด้วยอิเล็กตรอนหนึ่งตัวจาก N และอีกตัวจาก H ที่มา: Gabriel Bolívar

โครงสร้างลิวอิสสำหรับโมเลกุลแอมโมเนียคืออะไร? เนื่องจากไนโตรเจนอยู่ในกลุ่ม VA จึงมีเวเลนซ์อิเล็กตรอน 5 ตัวจากนั้น:

D = 1 × 5 (ไนโตรเจนหนึ่งอะตอม) + 1 × 3 (ไฮโดรเจนสามอะตอม) = 8 อิเล็กตรอน

N = 8 × 1 + 2 × 3 = 14 อิเล็กตรอน

C = 14 - 8 = 6 อิเล็กตรอน

C / 2 = 3 ลิงก์

คราวนี้สูตรถูกต้องตามจำนวนลิงค์ (สามลิงค์สีเขียว) เนื่องจากอิเล็กตรอนที่มีอยู่ 6 ตัวจากทั้งหมด 8 ตัวมีส่วนร่วมในพันธะจึงยังคงมีคู่ที่ไม่ใช้ร่วมกันซึ่งอยู่เหนืออะตอมไนโตรเจน

โครงสร้างนี้บอกทุกอย่างที่จำเป็นต้องรู้เกี่ยวกับฐานแอมโมเนีย การใช้ความรู้ของ TEV และ TRPEV ก็จะอนุมานได้ว่ารูปทรงเรขาคณิตเป็น tetrahedral บิดเบือนโดยคู่ฟรีไนโตรเจนและว่าการผสมพันธุ์ของเรื่องนี้จึงเป็น SP 3

ค

ที่มา: Gabriel Bolívar

สูตรนี้สอดคล้องกับสารประกอบอินทรีย์ ก่อนที่จะใช้สูตรนี้ควรจำไว้ว่าไฮโดรเจนสร้างพันธะเดี่ยวออกซิเจนสองคาร์บอนสี่และโครงสร้างจะต้องสมมาตรมากที่สุด ดำเนินการตามตัวอย่างก่อนหน้านี้เรามี:

D = 6 × 1 (ไฮโดรเจนหกอะตอม) + 6 × 1 (ออกซิเจนหนึ่งอะตอม) + 4 × 2 (คาร์บอนสองอะตอม) = 20 อิเล็กตรอน

N = 6 × 2 (ไฮโดรเจนหกอะตอม) + 8 × 1 (ออกซิเจนหนึ่งอะตอม) + 8 × 2 (คาร์บอนสองอะตอม) = 36 อิเล็กตรอน

C = 36 - 20 = 16 อิเล็กตรอน

C / 2 = 8 ลิงก์

จำนวนขีดสีเขียวตรงกับลิงก์ที่คำนวณได้ 8 รายการ โครงสร้างลิวอิสที่เสนอคือเอทานอล CH ₃ CH ₂ OH อย่างไรก็ตามการเสนอโครงสร้างของไดเมทิลอีเธอร์ CH ₃ OCH ₃ก็เป็นเรื่องที่ถูกต้องเช่นกันซึ่งมีความสมมาตรมากกว่า

ข้อใด "มากกว่า" ถูกต้อง ทั้งสองมีความเท่าเทียมกันเนื่องจากโครงสร้างเกิดขึ้นเป็นไอโซเมอร์โครงสร้างของสูตรโมเลกุลเดียวกัน C ₂ H ₆ O

เปอร์แมงกาเนตไอออน

ที่มา: Gabriel Bolívar

สถานการณ์มีความซับซ้อนเมื่อต้องการสร้างโครงสร้าง Lewis สำหรับสารประกอบโลหะทรานซิชัน แมงกานีสอยู่ในกลุ่ม VIIB ในทำนองเดียวกันอิเล็กตรอนของประจุลบจะต้องถูกเพิ่มเข้าไปในอิเล็กตรอนที่มีอยู่ ใช้สูตรที่เรามี:

D = 7 × 1 (อะตอมแมงกานีสหนึ่งอะตอม) + 6 × 4 (ออกซิเจนสี่อะตอม) + ประจุไฟฟ้า 1 ครั้ง = 32 อิเล็กตรอน

N = 8 × 1 + 8 × 4 = 40 อิเล็กตรอน

C = 40 - 32 = 8 อิเล็กตรอนร่วมกัน

C / 2 = 4 ลิงก์

อย่างไรก็ตามโลหะทรานซิชันสามารถมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนได้มากกว่าแปดตัว นอกจากนี้เพื่อให้ MnO ₄ ^-ไอออนแสดงประจุลบจำเป็นต้องลดประจุที่เป็นทางการของอะตอมออกซิเจน อย่างไร? ผ่านพันธะคู่

หากพันธะทั้งหมดของ MnO ₄ ^-เรียบง่ายประจุที่เป็นทางการของออกซีเจนจะเท่ากับ -1 เนื่องจากมีสี่ประจุที่ได้จะเป็น -4 สำหรับประจุลบซึ่งไม่เป็นความจริง เมื่อเกิดพันธะคู่จะรับประกันได้ว่าออกซิเจนตัวเดียวมีประจุไฟฟ้าลบซึ่งสะท้อนให้เห็นในไอออน

ในเปอร์แมงกาเนตไอออนจะเห็นได้ว่ามีการสั่นพ้อง นี่หมายความว่าพันธะ Mn - O เดียวเท่านั้นที่ถูกกำหนดแยกระหว่างอะตอม O ทั้งสี่

ไดโครเมตไอออน

ที่มา: Gabriel Bolívar

ในที่สุดกรณีที่คล้ายกันเกิดขึ้นกับไอออนไดโครเมต (Cr ₂ O ₇ ) โครเมียมอยู่ในกลุ่ม VIB ดังนั้นจึงมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนหกตัว ใช้สูตรอีกครั้ง:

D = 6 × 2 (โครเมียมสองอะตอม) + 6 × 7 (ออกซิเจนเจ็ดอะตอม) + อิเล็กตรอน 2 เท่าของประจุดิวาเลนต์ = 56 อิเล็กตรอน

N = 8 × 2 + 8 × 7 = 72 อิเล็กตรอน

C = 72-56 = 16 อิเล็กตรอนร่วม

C / 2 = 8 ลิงก์

แต่ไม่มีพันธะ 8 พันธะ แต่ 12. ด้วยเหตุผลเดียวกันที่พบในไอออนเปอร์แมงกาเนตต้องปล่อยออกซีเจนสองตัวที่มีประจุไฟฟ้าลบซึ่งรวมกันได้ถึง -2 ซึ่งเป็นประจุของไดโครเมตไอออน

ดังนั้นจึงมีการเพิ่มพันธะคู่มากเท่าที่จำเป็น ด้วยวิธีนี้เรามาถึงที่ลูอิสโครงสร้างของภาพสำหรับ Cr ₂ O ₇ 2-

อ้างอิง

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley เคมี. (ฉบับที่ 8) CENGAGE Learning, หน้า 251
2. โครงสร้าง Lewis นำมาจาก: chemed.chem.purdue.edu
3. Steven A. Hardinger ภาควิชาเคมีและชีวเคมี UCLA (2017) โครงสร้าง Lewis นำมาจาก: chem.ucla.edu
4. Wayne Breslyn (2012) การวาดโครงสร้าง Lewis นำมาจาก: terpconnect.umd.edu
5. ผู้ดูแลเว็บ (2012) โครงสร้าง Lewis ("จุดอิเล็กตรอน") ภาควิชาเคมีมหาวิทยาลัยเมน Orono นำมาจาก: chemistry.umeche.maine.edu
6. แลงคาสเตอร์ฌอน (25 เมษายน 2560). วิธีตรวจสอบจำนวนจุดที่อยู่ในโครงสร้าง Lewis Dot ขององค์ประกอบ Sciencing ดึงมาจาก: sciencing.com