Введение
Диаграммы, изображающие связи между атомами в молекуле и неподеленные пары электронов, также известные как формулы Льюиса, структуры Льюиса, электронные формулы или электронные структуры Льюиса, – это диаграммы, показывающие связи между атомами молекулы, а также неподеленные пары электронов, которые могут присутствовать в молекуле. Структуру Льюиса можно построить для любой молекулы, связанной ковалентной связью, а также для координационных соединений. Структура Льюиса названа в честь Гилберта Н. Льюиса, который представил её в своей статье 1916 года «Атом и молекула». Структуры Льюиса развивают концепцию электронной точечной диаграммы, добавляя линии между атомами для обозначения общих электронных пар в химической связи. Структуры Льюиса отображают каждый атом и его положение в структуре молекулы, используя его химический символ. Линии проводятся между атомами, связанными друг с другом (вместо линий можно использовать пары точек). Избыточные электроны, формирующие неподеленные пары, изображаются парами точек и располагаются рядом с атомами. Хотя основные элементы второго периода и далее обычно реагируют, приобретая, теряя или совместно используя электроны до достижения электронной конфигурации валентной оболочки с полным октетом (8) электронов, водород (H) может образовывать только связи, в которых участвуют всего два электрона.
Lewis structuresalso called Lewis dot formulas, Lewis dot structures, electron dot structures, or Lewis electron dot structures (LEDs)are diagrams that show the bonding between atoms of a molecule, as well as the lone pairs of electrons that may exist in the molecule. A Lewis structure can be drawn for any covalently bonded molecule, as well as coordination compounds. The Lewis structure was named after Gilbert N. Lewis, who introduced it in his 1916 article The Atom and the Molecule. Lewis structures extend the concept of the electron dot diagram by adding lines between atoms to represent shared pairs in a chemical bond. Lewis structures show each atom and its position in the structure of the molecule using its chemical symbol. Lines are drawn between atoms that are bonded to one another (pairs of dots can be used instead of lines). Excess electrons that form lone pairs are represented as pairs of dots, and are placed next to the atoms. Although main group elements of the second period and beyond usually react by gaining, losing, or sharing electrons until they have achieved a valence shell electron configuration with a full octet of (8) electrons, hydrogen (H) can only form bonds which share just two electrons.
Резонанс
Для некоторых молекул и ионов бывает сложно определить, какие неподеленные пары электронов следует переместить для образования двойных или тройных связей, и для одной и той же молекулы или иона можно написать две или более различных резонансных структур. В таких случаях обычно изображают все структуры, разделяя их двусторонними стрелками. Это часто встречается, когда несколько атомов одного типа окружают центральный атом, и особенно характерно для полиатомных ионов. В этой ситуации структура Льюиса молекулы называется резонансной структурой, а молекула существует в виде резонансного гибрида. Каждая из возможных структур накладывается на другие, и считается, что молекула имеет структуру Льюиса, эквивалентную некоторой комбинации этих состояний. Например, ион нитрата (NO3−) должен образовывать двойную связь между азотом и одним из атомов кислорода, чтобы удовлетворить правило октета для азота. Однако, поскольку молекула симметрична, не имеет значения, какой именно атом кислорода образует двойную связь. В этом случае существует три возможных резонансных структуры. Изображение резонанса при рисовании структур Льюиса можно осуществить либо путем изображения каждой из возможных резонансных форм и размещения между ними двойных стрелок, либо с помощью штриховых линий для обозначения частичных связей (хотя последнее является хорошим представлением резонансного гибрида, который, строго говоря, не является структурой Льюиса). При сравнении резонансных структур для одной и той же молекулы, как правило, структуры с наименьшим количеством формальных зарядов вносят больший вклад в общий резонансный гибрид. Если формальные заряды необходимы, предпочтительны резонансные структуры, в которых отрицательные заряды находятся на более электроотрицательных элементах, а положительные – на менее электроотрицательных. Одинарные связи также можно перемещать аналогичным образом для создания резонансных структур для гипервалентных молекул, таких как гексафторид серы, что является более точным описанием, согласно квантово-химическим расчетам, чем общепринятая модель расширенного октета. Резонансную структуру не следует интерпретировать как переключение молекулы между различными формами, а как ее поведение, соответствующее среднему значению нескольких форм.
Пример
Формула иона нитрита — NO2−. Азот является наименее электроотрицательным атомом из двух, поэтому он является центральным атомом по нескольким критериям. Подсчитайте валентные электроны. У азота 5 валентных электронов; у каждого кислорода 6, в общей сложности (6 × 2) + 5 = 17. Ион имеет заряд −1, что указывает на дополнительный электрон, поэтому общее количество электронов равно 18. Соедините атомы одинарными связями. Каждый атом кислорода должен быть связан с азотом, что требует четырех электронов — по два в каждой связи. Расставьте неподеленные пары электронов. Оставшиеся 14 электронов следует первоначально разместить в виде 7 неподеленных пар. Каждый атом кислорода может принять максимум 3 неподеленные пары, обеспечивая каждому атому кислорода 8 электронов, включая связывающую пару. Седьмую неподеленную пару необходимо разместить на атоме азота. Обеспечьте выполнение правила октета. В настоящее время каждому из атомов кислорода присвоено 8 электронов. Атому азота присвоено только 6 электронов. Одна из неподеленных пар электронов на атоме кислорода должна образовать двойную связь, и любой атом кислорода подойдет. Следовательно, существует резонансная структура. Завершите построение структуры. Необходимо нарисовать две структуры Льюиса: в каждой структуре один из двух атомов кислорода связан с атомом азота двойной связью. Второй атом кислорода в каждой структуре будет связан с атомом азота одинарной связью. Поместите квадратные скобки вокруг каждой структуры и добавьте заряд (−) в верхний правый угол за пределами скобок. Нарисуйте двунаправленную стрелку между двумя резонансными формами.
Альтернативные формирования
Химические структуры могут быть представлены в более компактном виде, особенно при изображении органических молекул. В сокращенных структурных формулах многие или даже все ковалентные связи могут быть опущены, а нижние индексы указывают количество одинаковых групп, присоединенных к конкретному атому. Другой способ краткого изображения структуры – скелетная формула (также известная как формула с линиями связей или диаграмма углеродного скелета). В скелетной формуле атомы углерода обозначаются не символом C, а точками пересечения линий. Атомы водорода, связанные с углеродом, не изображаются – их можно определить, подсчитав количество связей у конкретного атома углерода: предполагается, что каждый атом углерода имеет в общей сложности четыре связи, следовательно, все неизображенные связи подразумеваются как связи с атомами водорода. Другие схемы могут быть сложнее структур Льюиса, отображая связи в трехмерном пространстве с использованием различных представлений, таких как модели заполнения пространства.
Использование и ограничения
Несмотря на свою простоту и разработку в начале двадцатого века, когда понимание химической связи было еще неразвитым, структуры Льюиса отражают многие ключевые особенности электронной структуры широкого спектра молекулярных систем, включая те, которые важны для понимания химической реакционной способности. Поэтому химики и преподаватели химии продолжают широко их использовать. Это особенно актуально в области органической химии, где преобладает традиционная валентная модель связи, а механизмы реакций часто рассматриваются с использованием обозначений изогнутых стрелок, наложенных на структурные формулы, которые являются упрощенными вариантами структур Льюиса. В связи с большим разнообразием типов связей, встречающихся в неорганической и органометаллической химии, для адекватного описания связи многих молекул требуется использование полностью делокализованных молекулярных орбиталей, что делает структуры Льюиса относительно менее значимыми (хотя они все еще широко распространены). Важно отметить, что существуют простые и типичные молекулярные системы, для которых описание Льюиса, по крайней мере в исходной форме, может быть вводящим в заблуждение или неточным. В частности, упрощенное изображение структур Льюиса для молекул, экспериментально известных как содержащие неспаренные электроны (например, O2, NO и ClO2), приводит к неверным выводам относительно порядков связей, длин связей и/или магнитных свойств. Простая модель Льюиса также не объясняет явление ароматичности. Например, структуры Льюиса не дают объяснения тому, почему циклический C6H6 (бензол) проявляет особую стабилизацию, выходящую за рамки обычной делокализации, в то время как C4H4 (циклобутадиен) фактически испытывает особую дестабилизацию. Теория молекулярных орбиталей предоставляет наиболее прямое объяснение этих явлений.