ESTRUTURA DE LEWIS: O QUE É, COMO FAZER, EXEMPLOS - QUÍMICA - 2024

A estrutura de Lewis é toda aquela representação das ligações covalentes dentro de uma molécula ou íon. Nele, essas ligações e elétrons são representados por pontos ou traços longos, embora na maioria das vezes os pontos correspondam a elétrons não compartilhados e os traços a ligações covalentes.

Mas o que é uma ligação covalente? É o compartilhamento de um par de elétrons (ou pontos) entre quaisquer dois átomos da tabela periódica. Com esses diagramas, muitos esqueletos podem ser desenhados para um determinado composto. Qual é a correta dependerá das cargas formais e da natureza química dos próprios átomos.

Composto 2-bromopropano. Por Ben Mills, do Wikimedia Commons.

Na imagem acima, você tem um exemplo do que é uma estrutura de Lewis. Neste caso, o composto representado é 2-bromopropano. Você pode ver os pontos pretos correspondentes aos elétrons, tanto aqueles que participam das ligações quanto aqueles que não são compartilhados (o único par logo acima de Br).

Se os pares de pontos ":" fossem substituídos por um traço longo "-", o esqueleto de carbono do 2-bromopropano seria representado como: C - C - C. Por que não poderia ser C - H - H - C em vez da “estrutura molecular” desenhada? A resposta está nas características eletrônicas de cada átomo.

Assim, como o hidrogênio tem um único elétron e um único orbital disponível para preencher, ele forma apenas uma ligação covalente. Portanto, ele nunca pode formar duas ligações (não deve ser confundido com ligações de hidrogênio). Por outro lado, a configuração eletrônica do átomo de carbono permite (e requer) a formação de quatro ligações covalentes.

Por esta razão, as estruturas de Lewis onde C e H intervêm devem ser coerentes e respeitar o que é regido por suas configurações eletrônicas. Dessa forma, se o carbono tiver mais de quatro ligações, ou o hidrogênio mais de uma, o esboço pode ser descartado e um novo mais condizente com a realidade pode ser iniciado.

É aqui que aparece um dos principais motivos ou endossos dessas estruturas, introduzido por Gilbert Newton Lewis em sua busca por representações moleculares fiéis aos dados experimentais: a estrutura molecular e as cargas formais.

Todos os compostos existentes podem ser representados por estruturas de Lewis, dando uma primeira aproximação de como a molécula ou íons poderiam ser.

Qual é a estrutura de Lewis?

É uma estrutura representativa dos elétrons de valência e das ligações covalentes em uma molécula ou íon que serve para se ter uma idéia de sua estrutura molecular.

No entanto, essa estrutura falha em prever alguns detalhes importantes como a geometria molecular de um átomo e seu ambiente (se é quadrado, plano trigonal, bipiramidal, etc.).

Da mesma forma, não diz nada sobre o que é a hibridização química de seus átomos, mas diz onde estão localizadas as ligações duplas ou triplas e se há ressonância na estrutura.

Com essas informações, pode-se discutir sobre a reatividade de um composto, sua estabilidade, como e qual mecanismo a molécula seguirá quando reagir.

Por este motivo, as estruturas de Lewis nunca deixam de ser consideradas e são muito úteis, uma vez que nelas podem ser condensados ​​novos aprendizados químicos.

Como se faz?

Para desenhar ou esboçar uma estrutura, fórmula ou diagrama de Lewis, a fórmula química do composto é essencial. Sem ele, você nem pode saber quais são os átomos que o compõem. Uma vez com ele, a tabela periódica é usada para localizar os grupos a que pertencem.

Por exemplo, se você tiver o composto C ₁₄ O ₂ N ₃, terá que procurar os grupos onde estão o carbono, o oxigênio e o nitrogênio. Uma vez feito isso, não importa qual seja o composto, o número de elétrons de valência permanece o mesmo, portanto, mais cedo ou mais tarde, eles são memorizados.

Assim, o carbono pertence ao grupo IVA, o oxigênio ao grupo VIA e o nitrogênio ao VA. O número do grupo é igual ao número de elétrons de valência (pontos). Todos eles têm em comum a tendência de preencher o octeto da concha de valência.

Qual é a regra do octeto?

Isso indica que há uma tendência dos átomos de completar seu nível de energia com oito elétrons para alcançar estabilidade. Isso se aplica a todos os elementos não metálicos ou aqueles encontrados nos blocos de sopro da tabela periódica.

No entanto, nem todos os elementos obedecem à regra do octeto. Casos particulares são metais de transição, cujas estruturas são baseadas mais em cargas formais e seu número de grupo.

Número de elétrons na camada de valência de elementos não metálicos, aqueles nos quais a estrutura de Lewis pode ser operada.

Aplicando a fórmula matemática

Sabendo a qual grupo os elementos pertencem e, portanto, o número de elétrons de valência disponíveis para formar ligações, prossiga com a seguinte fórmula, que é útil para desenhar estruturas de Lewis:

C = N - D

Onde C significa elétrons compartilhados, ou seja, aqueles que participam de ligações covalentes. Como cada ligação é composta de dois elétrons, então C / 2 é igual ao número de ligações (ou traços) que devem ser desenhados.

N são os elétrons necessários, que o átomo deve ter em sua camada de valência para ser isoeletrônico ao gás nobre que o segue no mesmo período. Para todos os elementos que não sejam H (uma vez que são necessários dois elétrons para comparar com He), eles precisam de oito elétrons.

D são os elétrons disponíveis, que são determinados pelo grupo ou número de elétrons de valência. Assim, como Cl pertence ao grupo VIIA, deve ser circundado por sete pontos ou elétrons pretos e ter em mente que é necessário um par para formar uma ligação.

Tendo os átomos, seus pontos e o número de ligações C / 2, uma estrutura de Lewis pode então ser improvisada. Mas, além disso, é necessário ter noção de outras "regras".

Onde colocar os átomos menos eletronegativos

Os átomos menos eletronegativos na grande maioria das estruturas ocupam os centros. Por esta razão, se você tem um composto com átomos P, O e F, o P deve estar localizado no centro da estrutura hipotética.

Além disso, é importante notar que os hidrogênios normalmente se ligam a átomos altamente eletronegativos. Se você tiver Zn, H e O em um composto, H irá junto com O e não com Zn (Zn - O - H e não H - Zn - O). Existem exceções a esta regra, mas geralmente ocorre com átomos não metálicos.

Simetria e cargas formais

A natureza tem grande preferência pela criação de estruturas moleculares o mais simétricas possível. Isso ajuda a evitar a criação de estruturas confusas, com os átomos organizados de forma que não obedeçam a nenhum padrão aparente.

Por exemplo, para o composto C ₂ Um ₃, em que A é um átomo de fictícia, a estrutura mais provável seria A - C - A - C - R. Observe a simetria de seus lados, ambos os reflexos um do outro.

Cargas formais também desempenham um papel importante ao desenhar estruturas de Lewis, especialmente para íons. Assim, as ligações podem ser adicionadas ou removidas de modo que a carga formal de um átomo corresponda à carga total exibida. Este critério é muito útil para compostos de metais de transição.

Limitações na regra do octeto

Representação do trifluoreto de alumínio, um composto instável. Ambos os elementos são formados por seis elétrons, o que gera três ligações covalentes, quando deveriam ser oito para atingir a estabilidade. Fonte: Gabriel Bolívar

Nem todas as regras são seguidas, o que não significa necessariamente que a estrutura esteja errada. Exemplos típicos disso são observados em muitos compostos onde elementos do grupo IIIA (B, Al, Ga, In, Tl) estão envolvidos. Trifluoreto de alumínio (AlF ₃) é especificamente considerado aqui.

Aplicando então a fórmula descrita acima, temos:

D = 1 × 3 (um átomo de alumínio) + 7 × 3 (três átomos de flúor) = 24 elétrons

Aqui, 3 e 7 são os respectivos grupos ou números de elétrons de valência disponíveis para alumínio e flúor. Então, considerando os elétrons necessários N:

N = 8 × 1 (um átomo de alumínio) + 8 × 3 (três átomos de flúor) = 32 elétrons

E, portanto, os elétrons compartilhados são:

C = N - D

C = 32 - 24 = 8 elétrons

C / 2 = 4 links

Como o alumínio é o átomo menos eletronegativo, ele deve ser colocado no centro, e o flúor forma apenas uma ligação. Considerando isso, temos a estrutura de Lewis de AlF ₃ (imagem superior). Elétrons compartilhados são destacados com pontos verdes para distingui-los dos não compartilhados.

Embora os cálculos prevejam que 4 ligações devem ser formadas, o alumínio não possui elétrons suficientes e também não existe um quarto átomo de flúor. Como resultado, o alumínio não está de acordo com a regra do octeto e esse fato não é refletido nos cálculos.

Exemplos de estruturas de Lewis

Iodo

Os não-metais de iodo têm sete elétrons cada, portanto, ao compartilhar um desses elétrons cada, eles geram uma ligação covalente que fornece estabilidade. Fonte: Gabriel Bolívar

O iodo é um halogênio e, portanto, pertence ao grupo VIIA. Portanto, tem sete elétrons de valência, e esta molécula diatômica simples pode ser representada improvisando ou aplicando a fórmula:

D = 2 × 7 (dois átomos de iodo) = 14 elétrons

N = 2 × 8 = 16 elétrons

C = 16 - 14 = 2 elétrons

C / 2 = 1 link

Como 14 elétrons 2 participam da ligação covalente (pontos verdes e traço), 12 permanecem como não compartilhados; e como são dois átomos de iodo, 6 deve ser dividido por um deles (seus elétrons de valência). Só esta estrutura é possível nesta molécula, cuja geometria é linear.

Amônia

O nitrogênio tem 5 elétrons, enquanto o hidrogênio apenas 1. O suficiente para alcançar a estabilidade através do estabelecimento de três ligações covalentes, compostas por um elétron de N e outro de H Fonte: Gabriel Bolívar

Qual é a estrutura de Lewis para a molécula de amônia? Como o nitrogênio é do grupo VA, ele tem cinco elétrons de valência, e então:

D = 1 × 5 (um átomo de nitrogênio) + 1 × 3 (três átomos de hidrogênio) = 8 elétrons

N = 8 × 1 + 2 × 3 = 14 elétrons

C = 14 - 8 = 6 elétrons

C / 2 = 3 links

Desta vez a fórmula está correta com o número de links (três links verdes). Como 6 dos 8 elétrons disponíveis participam das ligações, permanece um par não compartilhado que está localizado acima do átomo de nitrogênio.

Essa estrutura diz tudo o que precisa ser conhecido sobre a base de amônia. Aplicando os conhecimentos de TEV e TRPEV, deduz-se que a geometria é tetraédrica distorcida pelo par livre de nitrogênio e que a hibridização deste é, portanto, sp ³.

C

Fonte: Gabriel Bolívar

A fórmula corresponde a um composto orgânico. Antes de aplicar a fórmula, deve-se lembrar que os hidrogênios formam uma única ligação, oxigênio dois, carbono quatro e que a estrutura deve ser o mais simétrica possível. Procedendo como nos exemplos anteriores, temos:

D = 6 × 1 (seis átomos de hidrogênio) + 6 × 1 (um átomo de oxigênio) + 4 × 2 (dois átomos de carbono) = 20 elétrons

N = 6 × 2 (seis átomos de hidrogênio) + 8 × 1 (um átomo de oxigênio) + 8 × 2 (dois átomos de carbono) = 36 elétrons

C = 36 - 20 = 16 elétrons

C / 2 = 8 links

O número de traços verdes corresponde aos 8 links calculados. A estrutura de Lewis proposta é a do etanol CH ₃ CH ₂ OH. No entanto, também teria sido correto propor a estrutura do éter dimetílico CH ₃ OCH ₃, que é ainda mais simétrica.

Qual dos dois é “mais” correto? Ambos são igualmente assim, uma vez que as estruturas surgiram como isômeros estruturais da mesma fórmula molecular C ₂ H ₆ O.

Íon permanganato

Fonte: Gabriel Bolívar

A situação é complicada quando se deseja fazer estruturas de Lewis para compostos de metais de transição. O manganês pertence ao grupo VIIB, da mesma forma, o elétron de carga negativa deve ser adicionado entre os elétrons disponíveis. Aplicando a fórmula que temos:

D = 7 × 1 (um átomo de manganês) + 6 × 4 (quatro átomos de oxigênio) + 1 elétron vezes carga = 32 elétrons

N = 8 × 1 + 8 × 4 = 40 elétrons

C = 40 - 32 = 8 elétrons compartilhados

C / 2 = 4 links

No entanto, os metais de transição podem ter mais de oito elétrons de valência. Além disso, para que o íon MnO ₄ ^- apresente carga negativa, é necessário diminuir as cargas formais dos átomos de oxigênio. Quão? Através das ligações duplas.

Se todas as ligações de MnO ₄ ^- fossem simples, as cargas formais dos oxigênios seriam iguais a -1. Como são quatro, a carga resultante seria -4 para o ânion, o que obviamente não é verdade. Quando as ligações duplas são formadas, é garantido que um único oxigênio tenha uma carga formal negativa, refletida no íon.

No íon permanganato, pode-se ver que há ressonância. Isso implica que a única ligação Mn - O única é deslocalizada entre os quatro átomos O.

Íon dicromato

Fonte: Gabriel Bolívar

Finalmente, um caso semelhante ocorre com o íon dicromato (Cr ₂ O ₇). O cromo pertence ao grupo VIB, por isso tem seis elétrons de valência. Aplicando a fórmula novamente:

D = 6 × 2 (dois átomos de cromo) + 6 × 7 (sete átomos de oxigênio) + 2 elétrons vezes a carga divalente = 56 elétrons

N = 8 × 2 + 8 × 7 = 72 elétrons

C = 72 - 56 = 16 elétrons compartilhados

C / 2 = 8 links

Mas não existem 8 ligações, mas 12. Pelas mesmas razões encontradas, no íon permanganato dois oxigênios com cargas formais negativas devem ser deixados que somam -2, a carga do íon dicromato.

Assim, são adicionadas quantas ligações duplas forem necessárias. Desta forma, a estrutura de Lewis da imagem para Cr ₂ O ₇ ^2– é alcançada.

Referências

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Química. (8ª ed.). CENGAGE Learning, p 251.
2. Lewis Structures. Retirado de: chemed.chem.purdue.edu
3. Steven A. Hardinger, Departamento de Química e Bioquímica, UCLA. (2017). Estrutura de Lewis. Retirado de: chem.ucla.edu
4. Wayne Breslyn. (2012). Desenho de estruturas de Lewis. Retirado de: terpconnect.umd.edu
5. Webmaster. (2012). Estruturas de Lewis ("ponto de elétron"). Departamento de Química, University of Maine, Orono. Retirado de: chemical.umeche.maine.edu
6. Lancaster, Sean. (25 de abril de 2017). Como determinar quantos pontos existem na estrutura de pontos de Lewis de um elemento. Ciência. Recuperado de: sciencing.com