CẤU TRÚC LEWIS: NÓ LÀ GÌ, CÁCH TẠO RA NÓ, VÍ DỤ - HÓA HỌC - 2026

Các cấu trúc Lewis là tất cả những gì đại diện của các liên kết hóa trị trong một phân tử hoặc một ion. Trong đó, các liên kết và điện tử này được biểu diễn bằng dấu chấm hoặc dấu gạch ngang dài, mặc dù phần lớn thời gian các dấu chấm tương ứng với các điện tử không chia sẻ và dấu gạch ngang với liên kết cộng hóa trị.

Nhưng liên kết cộng hóa trị là gì? Nó là sự chia sẻ của một cặp electron (hoặc điểm) giữa hai nguyên tử bất kỳ của bảng tuần hoàn. Với những sơ đồ này, nhiều bộ xương có thể được vẽ cho một hợp chất nhất định. Cái nào đúng sẽ phụ thuộc vào điện tích hình thức và bản chất hóa học của chính nguyên tử đó.

Hợp chất 2-bromopropan. Bởi Ben Mills, từ Wikimedia Commons.

Trong hình trên, bạn có một ví dụ về cấu trúc Lewis là gì. Trong trường hợp này, hợp chất được đại diện là 2-bromopropan. Bạn có thể thấy các chấm đen tương ứng với các electron, cả những electron tham gia vào liên kết và những electron không được chia sẻ (cặp duy nhất ở trên Br).

Nếu các cặp dấu chấm ":" được thay bằng dấu gạch ngang dài "-", thì bộ xương cacbon của 2-bromopropan sẽ được biểu diễn dưới dạng: C - C - C. Tại sao nó không thể là C - H - H - C thay vì "khung phân tử" được vẽ? Câu trả lời nằm ở đặc điểm điện tử của mỗi nguyên tử.

Như vậy, vì hydro có một electron độc thân và một obitan đơn có sẵn để lấp đầy, nên nó chỉ tạo thành một liên kết cộng hóa trị. Do đó, nó không bao giờ có thể hình thành hai liên kết (đừng nhầm với liên kết hydro). Mặt khác, cấu hình điện tử của nguyên tử cacbon cho phép (và yêu cầu) hình thành 4 liên kết cộng hóa trị.

Vì lý do này, cấu trúc Lewis mà C và H xen vào phải nhất quán và tôn trọng những gì được điều chỉnh bởi cấu hình điện tử của chúng. Bằng cách này, nếu carbon có nhiều hơn bốn liên kết, hoặc hydro nhiều hơn một liên kết, thì bản phác thảo có thể bị loại bỏ và một bản phác thảo mới phù hợp với thực tế hơn có thể được bắt đầu.

Tại đây, một trong những mô-típ chính hoặc sự tán thành của những cấu trúc này xuất hiện, được giới thiệu bởi Gilbert Newton Lewis trong quá trình tìm kiếm các biểu diễn phân tử trung thành với dữ liệu thực nghiệm: cấu trúc phân tử và điện tích hình thức.

Tất cả các hợp chất hiện có có thể được biểu diễn bằng cấu trúc Lewis, đưa ra con số gần đúng đầu tiên về phân tử hoặc ion có thể như thế nào.

Cấu trúc Lewis là gì?

Nó là một cấu trúc đại diện của các điện tử hóa trị và các liên kết cộng hóa trị trong một phân tử hoặc ion phục vụ cho việc hình dung về cấu trúc phân tử của nó.

Tuy nhiên, cấu trúc này không dự đoán được một số chi tiết quan trọng như hình học phân tử của nguyên tử và môi trường xung quanh nó (nếu nó là hình vuông, mặt phẳng tam giác, hình hai cạnh, v.v.).

Tương tự như vậy, nó không nói bất cứ điều gì về sự lai hóa hóa học của các nguyên tử của nó là gì, nhưng nó cho biết vị trí của các liên kết đôi hoặc ba và nếu có sự cộng hưởng trong cấu trúc.

Với thông tin này, người ta có thể tranh luận về khả năng phản ứng của một hợp chất, tính ổn định của nó, cách thức và cơ chế phân tử sẽ tuân theo khi nó phản ứng.

Vì lý do này, các cấu trúc Lewis không bao giờ ngừng được xem xét và rất hữu ích, vì việc học hóa học mới có thể được cô đọng trong chúng.

Nó được thực hiện như thế nào?

Để vẽ hoặc phác thảo cấu trúc, công thức hoặc sơ đồ Lewis, công thức hóa học của hợp chất là điều cần thiết. Nếu không có nó, bạn thậm chí không thể biết đâu là nguyên tử tạo nên nó. Cùng với nó, bảng tuần hoàn được sử dụng để xác định chúng thuộc nhóm nào.

Ví dụ, nếu bạn có hợp chất C ₁₄ O ₂ N ₃ thì bạn sẽ phải tìm các nhóm có cacbon, oxy và nitơ. Khi điều này được thực hiện, bất kể hợp chất là gì, số điện tử hóa trị vẫn như nhau, vì vậy sớm hay muộn chúng được ghi nhớ.

Như vậy, cacbon thuộc nhóm IVA, oxi thuộc nhóm VIA và nitơ thuộc VA. Số thứ tự của nhóm bằng số electron hoá trị (điểm). Chúng đều có điểm chung là xu hướng điền vào octet của vỏ hóa trị.

Quy tắc bát phân là gì?

Điều này nói lên rằng các nguyên tử có xu hướng hoàn thành mức năng lượng của chúng với tám electron để đạt được sự ổn định. Điều này áp dụng cho tất cả các nguyên tố phi kim loại hoặc những nguyên tố được tìm thấy trong các khối mờ của bảng tuần hoàn.

Tuy nhiên, không phải tất cả các phần tử đều tuân theo quy tắc bát phân. Trường hợp cụ thể là các kim loại chuyển tiếp, có cấu trúc dựa nhiều hơn vào điện tích chính thức và số nhóm của chúng.

Số electron trong vỏ hóa trị của các nguyên tố phi kim loại, những electron trong đó có cấu trúc Lewis có thể hoạt động.

Áp dụng công thức toán học

Biết các nguyên tố thuộc nhóm nào và do đó số electron hóa trị có sẵn để tạo liên kết, hãy tiến hành theo công thức sau, rất hữu ích để vẽ cấu trúc Lewis:

C = N - D

Trong đó C có nghĩa là các electron dùng chung, tức là những electron tham gia vào liên kết cộng hóa trị. Vì mỗi liên kết được tạo bởi hai điện tử, nên C / 2 bằng số liên kết (hoặc dấu gạch ngang) phải được rút ra.

N là các electron cần thiết mà nguyên tử phải có trong lớp vỏ hóa trị của nó để có thể đẳng điện tử đối với khí cao quý theo sau nó trong cùng một chu kỳ. Đối với tất cả các nguyên tố khác với H (vì nó cần hai electron so với He) chúng cần tám electron.

D là các electron có sẵn, được xác định bởi nhóm hoặc số electron hóa trị. Do đó, vì Cl thuộc nhóm VIIA, nó phải được bao quanh bởi bảy chấm đen hoặc electron, và hãy nhớ rằng cần có một cặp để tạo thành liên kết.

Có các nguyên tử, điểm của chúng và số lượng liên kết C / 2, cấu trúc Lewis sau đó có thể được ứng dụng. Nhưng bổ sung, nó là cần thiết để có một khái niệm về "quy tắc" khác.

Nơi đặt các nguyên tử có độ âm điện ít nhất

Các nguyên tử có độ âm điện nhỏ nhất trong đại đa số các cấu trúc chiếm các tâm. Vì lý do này, nếu bạn có một hợp chất với các nguyên tử P, O và F, thì P phải nằm ở trung tâm của cấu trúc giả định.

Ngoài ra, điều quan trọng cần lưu ý là các hydro thường liên kết với các nguyên tử có độ âm điện cao. Nếu bạn có Zn, H và O trong một hợp chất, H sẽ đi cùng với O và không đi với Zn (Zn - O - H và không phải H - Zn - O). Có những ngoại lệ đối với quy tắc này, nhưng nó thường xảy ra với các nguyên tử phi kim loại.

Đối xứng và tải trọng chính thức

Thiên nhiên rất ưu tiên việc tạo ra các cấu trúc phân tử càng đối xứng càng tốt. Điều này giúp tránh tạo ra các cấu trúc lộn xộn, với các nguyên tử được sắp xếp theo cách mà chúng không tuân theo bất kỳ khuôn mẫu rõ ràng nào.

Ví dụ, đối với hợp chất C ₂ A ₃ , trong đó A là một nguyên tử hư cấu, cấu trúc có khả năng xảy ra nhất sẽ là A - C - A - C - A. Lưu ý sự đối xứng của các mặt của nó, cả hai phản xạ của mặt kia.

Các điện tích chính thức cũng đóng một vai trò quan trọng khi vẽ cấu trúc Lewis, đặc biệt là đối với các ion. Do đó, các liên kết có thể được thêm vào hoặc loại bỏ để điện tích chính thức của một nguyên tử tương ứng với tổng điện tích được biểu thị. Tiêu chí này rất hữu ích cho các hợp chất kim loại chuyển tiếp.

Hạn chế đối với quy tắc bát phân

Đại diện của nhôm triflorua, một hợp chất không bền. Cả hai nguyên tố đều được tạo thành từ sáu electron, tạo ra ba liên kết cộng hóa trị, khi chúng phải là tám để đạt được sự ổn định. Nguồn: Gabriel Bolívar

Không phải tất cả các quy tắc đều được tuân theo, điều đó không nhất thiết có nghĩa là cấu trúc sai. Các ví dụ điển hình của điều này được quan sát thấy trong nhiều hợp chất có các nguyên tố nhóm IIIA (B, Al, Ga, In, Tl) tham gia. Nhôm triflorua (AlF ₃ ) được xem xét cụ thể ở đây .

Áp dụng công thức mô tả ở trên, chúng ta có:

D = 1 × 3 (một nguyên tử nhôm) + 7 × 3 (ba nguyên tử flo) = 24 electron

Ở đây 3 và 7 là các nhóm hoặc số electron hóa trị tương ứng có sẵn cho nhôm và flo. Sau đó, xét các electron cần thiết N:

N = 8 × 1 (một nguyên tử nhôm) + 8 × 3 (ba nguyên tử flo) = 32 electron

Và do đó các electron được chia sẻ là:

C = N - D

C = 32 - 24 = 8 electron

C / 2 = 4 liên kết

Vì nhôm là nguyên tử có độ âm điện nhỏ nhất nên nó phải được đặt ở trung tâm, và flo chỉ tạo thành một liên kết. Xem xét điều này, chúng ta có cấu trúc Lewis của AlF ₃ (hình trên). Các điện tử dùng chung được đánh dấu bằng các chấm màu xanh lục để phân biệt với các điện tử không dùng chung.

Mặc dù các tính toán dự đoán rằng 4 liên kết phải được hình thành, nhôm thiếu đủ điện tử và cũng không có nguyên tử flo thứ tư. Kết quả là nhôm không tuân theo quy tắc octet và thực tế này không được phản ánh trong các tính toán.

Ví dụ về cấu trúc Lewis

Iốt

Các phi kim của iốt có bảy điện tử, mỗi điện tử chia sẻ một trong hai điện tử này, chúng tạo ra một liên kết cộng hóa trị mang lại sự ổn định. Nguồn: Gabriel Bolívar

Iốt là một halogen và do đó thuộc nhóm VIIA. Do đó, nó có bảy điện tử hóa trị, và phân tử điatomic đơn giản này có thể được biểu diễn một cách ngẫu hứng hoặc áp dụng công thức:

D = 2 × 7 (hai nguyên tử iốt) = 14 electron

N = 2 × 8 = 16 electron

C = 16 - 14 = 2 electron

C / 2 = 1 liên kết

Trong số 14 điện tử 2 tham gia vào liên kết cộng hóa trị (chấm xanh và gạch ngang), 12 vẫn là không chia sẻ; và vì chúng là hai nguyên tử iốt, nên 6 phải được chia cho một trong số chúng (các điện tử hóa trị của nó). Chỉ có cấu trúc này là có thể có trong phân tử này, có dạng hình học là tuyến tính.

Amoniac

Nitơ có 5 electron, trong khi hydro chỉ có 1. Đủ để đạt được sự ổn định bằng cách thiết lập ba liên kết cộng hóa trị, bao gồm một electron từ N và một electron khác từ H Nguồn: Gabriel Bolívar

Cấu trúc Lewis của phân tử amoniac là gì? Vì nitơ thuộc nhóm VA nên nó có năm điện tử hóa trị, và sau đó:

D = 1 × 5 (một nguyên tử nitơ) + 1 × 3 (ba nguyên tử hydro) = 8 electron

N = 8 × 1 + 2 × 3 = 14 electron

C = 14 - 8 = 6 electron

C / 2 = 3 liên kết

Lần này công thức đúng với số liên kết (ba liên kết xanh). Khi 6 trong số 8 electron có sẵn tham gia vào liên kết, vẫn còn một cặp chưa chia sẻ nằm phía trên nguyên tử nitơ.

Cấu trúc này nói lên mọi thứ cần biết về gốc amoniac. Áp dụng kiến ​​thức về TEV và TRPEV, người ta suy ra rằng hình tứ diện bị biến dạng bởi cặp nitơ tự do và do đó sự lai hóa của nó là sp ³ .

C

Nguồn: Gabriel Bolívar

Công thức tương ứng với một hợp chất hữu cơ. Trước khi áp dụng công thức, cần nhớ rằng các hydro tạo thành một liên kết đơn, oxy hai, carbon bốn và cấu trúc phải đối xứng nhất có thể. Tiếp tục như trong các ví dụ trước, chúng ta có:

D = 6 × 1 (sáu nguyên tử hydro) + 6 × 1 (một nguyên tử oxy) + 4 × 2 (hai nguyên tử cacbon) = 20 electron

N = 6 × 2 (sáu nguyên tử hydro) + 8 × 1 (một nguyên tử oxy) + 8 × 2 (hai nguyên tử cacbon) = 36 electron

C = 36 - 20 = 16 electron

C / 2 = 8 liên kết

Số lượng gạch ngang màu xanh lá cây tương ứng với 8 liên kết được tính toán. Cấu trúc Lewis được đề xuất là cấu trúc của etanol CH ₃ CH ₂ OH. Tuy nhiên, cũng đúng khi đề xuất cấu trúc của dimetyl ete CH ₃ OCH ₃ , cấu trúc này thậm chí còn đối xứng hơn.

Cái nào "đúng hơn"? Cả hai đều như nhau, vì các cấu trúc phát sinh dưới dạng đồng phân cấu tạo của cùng công thức phân tử C ₂ H ₆ O.

Ion pemanganat

Nguồn: Gabriel Bolívar

Tình hình rất phức tạp khi người ta muốn tạo cấu trúc Lewis cho các hợp chất kim loại chuyển tiếp. Mangan thuộc nhóm VIIB, tương tự như vậy, electron mang điện tích âm phải được thêm vào trong số các electron có sẵn. Áp dụng công thức ta có:

D = 7 × 1 (một nguyên tử mangan) + 6 × 4 (bốn nguyên tử oxy) + 1 electron lần điện tích = 32 electron

N = 8 × 1 + 8 × 4 = 40 electron

C = 40 - 32 = 8 electron dùng chung

C / 2 = 4 liên kết

Tuy nhiên, các kim loại chuyển tiếp có thể có nhiều hơn tám điện tử hóa trị. Hơn nữa, cho MnO ₄ ^- ion để triển lãm các điện tích âm, nó là cần thiết để giảm những chi phí chính thức của các nguyên tử oxy. Làm sao? Thông qua các liên kết đôi.

Nếu tất cả các liên kết của MnO ₄ ^- là đơn giản, điện tích chính thức của oxy sẽ bằng -1. Vì có bốn, điện tích kết quả sẽ là -4 đối với anion, điều này rõ ràng là không đúng. Khi các liên kết đôi được hình thành, nó được đảm bảo rằng một oxy duy nhất có điện tích âm chính thức, phản ánh trong ion.

Trong ion pemanganat có thể thấy rằng có sự cộng hưởng. Điều này ngụ ý rằng liên kết Mn-O duy nhất được phân chia giữa bốn nguyên tử O.

Ion diromat

Nguồn: Gabriel Bolívar

Cuối cùng, một trường hợp tương tự cũng xảy ra với ion dicromat (Cr ₂ O ₇ ). Crom thuộc nhóm VIB nên có sáu electron hóa trị. Áp dụng lại công thức:

D = 6 × 2 (hai nguyên tử crom) + 6 × 7 (bảy nguyên tử oxi) + 2 electron nhân với điện tích hóa trị hai = 56 electron

N = 8 × 2 + 8 × 7 = 72 electron

C = 72 - 56 = 16 electron dùng chung

C / 2 = 8 liên kết

Nhưng không phải có 8 liên kết, mà là 12. Vì những lý do tương tự được tìm thấy, trong ion pemanganat phải có hai oxy mang điện tích âm hình thức cộng lại bằng -2, điện tích của ion dicromat.

Do đó, bao nhiêu liên kết đôi cần thiết được thêm vào. Bằng cách này, chúng ta đi đến cấu trúc Lewis của hình ảnh cho Cr ₂ O ₇ ^2– .

Người giới thiệu

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Hóa học. (Xuất bản lần thứ 8). CENGAGE Học tập, tr 251.
2. Cấu trúc Lewis. Lấy từ: chemed.chem.purdue.edu
3. Steven A. Hardinger, Khoa Hóa học & Hóa sinh, UCLA. (2017). Cấu trúc Lewis. Lấy từ: chem.ucla.edu
4. Wayne Breslyn. (2012). Vẽ cấu trúc Lewis. Lấy từ: terpconnect.umd.edu
5. Quản trị trang web. (2012). Lewis ("chấm điện tử") Các cấu trúc. Khoa Hóa học, Đại học Maine, Orono. Lấy từ: chemistry.umeche.maine.edu
6. Lancaster, Sean. (Ngày 25 tháng 4 năm 2017). Làm thế nào để xác định có bao nhiêu dấu chấm trên cấu trúc chấm Lewis của một phần tử. Đấu kiếm. Phục hồi từ: sciining.com