ルイスの構造：それが何であるか、どのように作るか、例 - 化学 - 2025

電子式は、分子またはイオン内の共有結合のすべてが表現です。その中で、これらの結合と電子はドットまたは長いダッシュで表されますが、ほとんどの場合、ドットは非共有電子に対応し、ダッシュは共有結合に対応します。

しかし、共有結合とは何ですか？これは、周期表の任意の2つの原子間での電子（または点）の共有です。これらの図を使用すると、特定の化合物に対して多くのスケルトンを描画できます。どちらが正しいかは、形式電荷と原子自体の化学的性質に依存します。

2-ブロモプロパン化合物。ウィキメディア・コモンズのベン・ミルズによる。

上の画像には、ルイス構造とは何かの例があります。この場合、表示されている化合物は2-ブロモプロパンです。結合に参加しているものと共有されていないもの（Brのすぐ上にある唯一のペア）の両方の電子に対応する黒い点を確認できます。

ドットのペア「：」が長いダッシュ「-」に置き換えられた場合、2-ブロモプロパンの炭素骨格は次のように表されます：C – C –C。描かれた「分子フレームワーク」の代わりに、C – H – H – Cにできないのはなぜですか。答えは、各原子の電子特性にあります。

したがって、水素は単一の電子と単一の軌道を満たしているため、共有結合は1​​つしか形成されません。したがって、2つの結合を形成することはできません（水素結合と混同しないでください）。一方、炭素原子の電子配置では、4つの共有結合を形成できます（必要です）。

このため、CとHが介入するルイス構造は一貫性があり、それらの電子構成によって管理されるものを尊重する必要があります。このようにして、炭素に4つを超える結合、または水素が1つを超える結合がある場合、スケッチを破棄して、現実に沿った新しい結合を開始できます。

実験データに忠実な分子表現の探索でギルバートニュートンルイスによって導入された、これらの構造の主要なモチーフまたは推奨の1つがここに表示されます：分子構造と形式電荷。

既存の化合物はすべてルイス構造で表すことができ、分子やイオンがどのようなものであるかを最初に概算できます。

ルイス構造とは何ですか？

それは分子またはイオンの価電子と共有結合の代表的な構造であり、その分子構造を理解するのに役立ちます。

ただし、この構造では、原子とその環境に関する分子の形状などのいくつかの重要な詳細を予測できません（それが正方形、三角面、両錐などの場合）。

同様に、それはその原子の化学的混成が何であるかについては何も述べていませんが、二重または三重結合が配置されている場所と、構造に共鳴があるかどうかについては述べています。

この情報により、化合物の反応性、その安定性、分子が反応するときにどのようなメカニズムで分子がたどるのかについて議論することができます。

このため、新しい化学学習を凝縮できるので、ルイス構造は考慮されなくなることはなく、非常に有用です。

それはどのように行われますか？

構造式、式、またはルイス図を描画またはスケッチするには、化合物の化学式が不可欠です。それがなければ、あなたはそれを構成する原子がどれであるかさえ知ることができません。周期表を使用すると、それらが属するグループを見つけるために周期表が使用されます。

たとえば、化合物C ₁₄ O ₂ N _3がある場合、炭素、酸素、窒素のグループを探す必要があります。これが行われると、化合物が何であっても、価電子の数は同じままなので、遅かれ早かれそれらは記憶されます。

したがって、炭素はグループIVAに属し、酸素はグループVIAに属し、窒素はVAに属します。グループ番号は、価電子（ポイント）の数と同じです。それらはすべて、原子価殻オクテットを埋める傾向に共通しています。

オクテットルールとは何ですか？

これは、原子が安定性を達成するために8つの電子でエネルギーレベルを完了する傾向があることを示しています。これは、すべての非金属元素または周期表のsopブロックにある元素に適用されます。

ただし、すべての要素がオクテット規則に従うわけではありません。特定のケースは遷移金属であり、その構造は形式電荷とそのグループ番号により多く基づいています。

非金属元素の原子価殻（ルイス構造が動作できるもの）内の電子の数。

数式を適用する

要素がどのグループに属しているか、したがって結合を形成するのに利用できる価電子の数がわかっているので、ルイス構造を描くのに役立つ次の式に進みます。

C = N-D

ここで、Cは共有電子、つまり共有結合に参加する電子を意味します。各結合は2つの電子で構成されているため、C / 2は描画する必要のある結合（またはダッシュ）の数に等しくなります。

Nは必要な電子であり、原子はその原子価殻内になければならず、同じ期間にそれに続く希ガスに対して等電子になります。H以外のすべての元素（Heと比較するには2つの電子が必要なため）には、8つの電子が必要です。

Dは利用可能な電子であり、価電子のグループまたは数によって決定されます。したがって、ClはグループVIIAに属しているため、7つの黒い点または電子で囲まれている必要があり、結合を形成するにはペアが必要であることを覚えておいてください。

原子、それらの点、およびC / 2結合の数があれば、ルイス構造を即席で作成できます。しかし、さらに、他の「ルール」の概念を持つ必要があります。

最小の電気陰性原子を配置する場所

構造の大部分で最も電気陰性度の低い原子が中心を占めています。このため、P、O、F原子を持つ化合物がある場合、Pは仮想構造の中心に配置する必要があります。

また、水素は通常、電気陰性度の高い原子に結合することに注意することが重要です。化合物にZn、HおよびOがある場合、HはZnとではなくOと一緒に移動します（Zn – O – Hであり、H – Zn – Oではありません）。この規則には例外がありますが、通常は非金属原子で発生します。

対称性と形式荷重

自然は、可能な限り対称的な分子構造を作成することを優先します。これにより、原子が見かけのパターンに従わないように配置された、乱雑な構造の作成を回避できます。

たとえば、Aが架空の原子である化合物C ₂ A ₃の場合、最も可能性の高い構造はA – C – A – C – Aになります。その側面の対称性に注意してください。両方の反射です。

フォーマルチャージは、ルイス構造を描画するときに、特にイオンに対しても重要な役割を果たします。したがって、結合を追加または削除して、原子の正式な電荷が示される総電荷に対応するようにすることができます。この基準は、遷移金属化合物に非常に役立ちます。

オクテットルールの制限

不安定な化合物である三フッ化アルミニウムの表現。両方の要素は、安定性を実現するために8つである必要がある場合、3つの共有結合を生成する6つの電子で構成されます。出典：GabrielBolívar

すべてのルールが守られているわけではありません。これは、構造が間違っていることを必ずしも意味しません。この典型的な例は、IIIA族元素（B、Al、Ga、In、Tl）が関与する多くの化合物で観察されます。ここでは三フッ化アルミニウム（AlF ₃）を特に考慮します。

上記の式を適用すると、次のようになります。

D = 1×3（1つのアルミニウム原子）+ 7×3（3つのフッ素原子）= 24電子

ここで3と7は、アルミニウムとフッ素で利用できる価電子のそれぞれのグループまたは数です。次に、必要な電子Nを考慮します。

N = 8×1（1つのアルミニウム原子）+ 8×3（3つのフッ素原子）= 32電子

したがって、共有される電子は次のとおりです。

C = N-D

C = 32-24 = 8電子

C / 2 = 4リンク

アルミニウムは電気陰性度が最も小さい原子であるため、中央に配置する必要があり、フッ素は1つの結合しか形成しません。これを考慮すると、AlF _3のルイス構造があります（上図）。共有された電子は、共有されていない電子と区別するために緑色の点で強調表示されます。

計算では4つの結合を形成する必要があると予測されていますが、アルミニウムには十分な電子がなく、4番目のフッ素原子もありません。その結果、アルミニウムはオクテット規則に準拠しておらず、この事実は計算に反映されていません。

ルイス構造の例

ヨウ素

ヨウ素の非金属はそれぞれ7つの電子を持っているので、これらの電子の1つをそれぞれ共有することにより、安定性を提供する共有結合を生成します。出典：GabrielBolívar

ヨウ素はハロゲンであるため、グループVIIAに属します。したがって、7つの価電子を持ち、この単純な2原子分子は、即興または次の式を適用して表すことができます。

D = 2×7（2つのヨウ素原子）= 14電子

N = 2×8 = 16電子

C = 16-14 = 2電子

C / 2 = 1リンク

14個の電子2が共有結合（緑の点とダッシュ）に参加すると、12個は非共有のままになります。そして、それらは2つのヨウ素原子なので、そのうちの1つ（価電子）に対して6を分割する必要があります。この構造は、ジオメトリが線形​​であるこの分子でのみ可能です。

アンモニア

窒素には5つの電子がありますが、水素には1つしかありません。Nからの1つの電子とHからの別の電子で構成される3つの共有結合を確立することで安定性を達成するのに十分です出典：GabrielBolívar

アンモニア分子のルイス構造とは何ですか？窒素はVAグループであるため、5つの価電子を持ち、次のようになります。

D = 1×5（1つの窒素原子）+ 1×3（3つの水素原子）= 8電子

N = 8×1 + 2×3 = 14電子

C = 14-8 = 6電子

C / 2 = 3リンク

今回は、リンクの数（3つの緑色のリンク）で式が正しくなっています。8つの利用可能な電子のうち6つが結合に参加するため、窒素原子の上にある共有されていないペアが残ります。

この構造は、アンモニアベースについて知る必要があるすべてのことを示しています。TEVとTRPEVの知識を適用すると、ジオメトリは窒素のないペアによって歪んだ四面体であり、これのハイブリダイゼーションはsp ³であると推定されます。

C

出典：GabrielBolívar

この式は有機化合物に対応しています。式を適用する前に、水素は単結合、酸素2、炭素4を形成し、構造は可能な限り対称的でなければならないことを覚えておいてください。前の例と同様に、次のようになります。

D = 6×1（6つの水素原子）+ 6×1（1つの酸素原子）+ 4×2（2つの炭素原子）= 20電子

N = 6×2（6つの水素原子）+ 8×1（1つの酸素原子）+ 8×2（2つの炭素原子）= 36電子

C = 36-20 = 16電子

C / 2 = 8リンク

緑のダッシュの数は、8つの計算されたリンクに対応しています。提案されているルイス構造は、エタノールCH ₃ CH ₂ OHの構造です。しかしながら、さらに対称的なジメチルエーテルCH ₃ OCH _3の構造を提案することも正しいだろう。

2つのうちどちらが「より」正しいですか。構造は同じ分子式C ₂ H ₆ Oの構造異性体として生じたため、どちらも同じです。

過マンガン酸イオン

出典：GabrielBolívar

遷移金属化合物のルイス構造を作成したい場合、状況は複雑になります。マンガンはグループVIIBに属しています。同様に、負電荷の電子は利用可能な電子の間に追加する必要があります。私たちが持っている式を適用します：

D = 7×1（1つのマンガン原子）+ 6×4（4つの酸素原子）+ 1電子×電荷= 32電子

N = 8×1 + 8×4 = 40電子

C = 40-32 = 8個の共有電子

C / 2 = 4リンク

ただし、遷移金属は8つ以上の価電子を持つことができます。さらに、のMnOのため₄ ^-イオンに負の電荷を示す、酸素原子の形式電荷を小さくする必要があります。どうやって？二重結合を介して。

MnOの全ての結合した場合₄ ^-単純で、酸素の形式電荷は-1等しくなります。4つあるため、結果として生じる電荷は、アニオンでは-4になりますが、これは明らかに正しくありません。二重結合が形成されると、単一の酸素が負の形式電荷を持ち、イオンに反映されることが保証されます。

過マンガン酸イオンには共鳴があることがわかります。これは、単一のMn – O結合のみが4つのO原子間で非局在化されることを意味します。

重クロム酸イオン

出典：GabrielBolívar

最後に、重クロム酸イオン（Cr ₂ O ₇）でも同様のケースが発生します。クロムはグループVIBに属しているため、6つの価電子を持っています。式を再度適用する：

D = 6×2（2つのクロム原子）+ 6×7（7つの酸素原子）+ 2電子×二価電荷= 56電子

N = 8×2 + 8×7 = 72電子

C = 72-56 = 16共有電子

C / 2 = 8リンク

しかし、8個の結合ではなく12個の結合が存在します。同じ理由により、過マンガン酸イオンでは、負の形式電荷を持つ2つの酸素が残り、重クロム酸イオンの電荷が-2になります。

したがって、必要な数の二重結合が追加されます。このようにして、Cr ₂ O ₇ ^2–の画像のルイス構造に到達します。

参考文献

1. ウィッテン、デイビス、ペック、スタンリー。化学。（第8版）。CENGAGE Learning、p 251。
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