ルイス構造式は、分子や多原子イオンの中で価電子がどこにあるかを示すシンプルな図です。線は共有電子対、つまり共有結合を表し、点は孤立電子対を表します。
手早く要点だけ知りたいなら、ルイス構造式は次の3つの問いに答えるために使います。どの原子同士がつながっているか、結合がいくつあるか、そして孤立電子対がどこにあるかです。そのため、基本的な結合の理解、分子の形の予測、形式電荷の確認に役立ちます。
ルイス構造式で実際にわかること
ルイス構造式は、電子が空間内でどう動くかを完全に示すものではありません。これは価電子を整理して考えるためのモデルです。
この違いは重要です。ルイス構造式は結合のパターンや電子数を追うのに役立ちますが、三次元モデルの代わりになるものではなく、実際の電子分布の細かなすべてを表すわけでもありません。
ルイス構造式の書き方
初学者向けの多くの問題では、次の手順でうまくいきます。
- 価電子の総数を数える。
- 中心原子を選ぶ。通常は電気陰性度が最も小さい原子ですが、水素は中心原子になりません。
- 中心原子から周囲の原子へ単結合を描く。
- 残りの電子をまず外側の原子に配置する。
- 余った電子があれば中心原子に置く。
- それでも中心原子がオクテットを満たさない場合は、必要に応じて隣接原子の孤立電子対を共有電子対に変えて多重結合を作る。
- 形式電荷を確認し、共鳴構造を示すべきかどうかを調べる。
イオンの場合は、書き始める前に電子数を調整します。
負電荷なら電子を加え、正電荷なら電子を引きます。
例題： のルイス構造式
二酸化炭素は、単に単結合だけでオクテットを埋めればよいとは限らないことを示す、よい例です。
ステップ1：価電子を数える
炭素は価電子を 個持ちます。酸素は1個あたり 個なので、合計は
です。
ステップ2：中心原子を選ぶ
中心原子は炭素です。この種の中性分子では、酸素は通常末端にきます。
ステップ3：単結合を描く
まず とします。2本の単結合で 個の電子を使うので、残りは 個です。
ステップ4：まず外側の原子を満たす
各酸素に孤立電子対を3組ずつ与えます。これで残りの 個の電子を使い切ります。
この段階では各酸素はオクテットを満たしていますが、炭素のまわりには2本の単結合による4個の電子しかありません。炭素はオクテットに足りていません。
ステップ5：多重結合を作る
各酸素から孤立電子対を1組ずつ炭素との共有電子対に変えます。すると
となります。
これで炭素はオクテットを満たし、各酸素も引き続きオクテットを満たします。さらに形式電荷も最小になります。これが の標準的なルイス構造式です。
なぜ形式電荷が重要なのか
オクテット則を満たす電子配置が複数考えられることがあります。そのようなとき、どのルイス構造式がより妥当かを判断する助けになるのが形式電荷です。
初学者向けのよくあるルールとして、形式電荷の絶対値が小さい構造を優先し、負電荷を置くならより電気陰性度の大きい原子に置く、というものがあります。これは便利な指針ですが、発展的な場合には化学的な文脈まで置き換えるものではありません。
よくある間違い
電子の総数をもう一度数えない
一見もっともらしく見える誤った構造でも、電子数を数え直すと間違いがわかることがよくあります。最後に数え直すのは、最も手早い確認方法のひとつです。
単結合だけにこだわる
中心原子がオクテットを満たすために、二重結合や三重結合が必要な分子もあります。 はその基本例です。
オクテット則を万能だと考える
オクテット則は多くの典型元素化合物でよく成り立ちますが、すべてではありません。水素は2電子で安定化し、ホウ素は一部の化合物で電子不足になり、第3周期以降の一部の原子は8個を超える電子を持てます。
共鳴を無視する
複数の妥当なルイス構造式が電子の配置だけ異なる場合、結合は無関係な構造の間を行き来していると考えるより、共鳴構造で表すほうが適切です。
ルイス構造式はいつ使うのか
ルイス構造式は一般化学で、ありそうな結合のパターンを予測したり、次の段階としてVSEPRで分子の形を見積もったり、形式電荷を比較したり、分子や多原子イオンの共鳴を見つけたりするために使われます。
最も役立つのは、最初のモデルとして使うときです。分子に特殊な結合、ラジカル、遷移金属、あるいは単純な電子式ではうまく表せない非局在化が関わる場合は、通常はより高度な説明が必要になります。
似た構造を自分で試してみよう
炭酸イオン でも自分でやってみましょう。電子数を数え、妥当な構造を1つ描き、そのあと二重結合を複数の位置に置けるかを確認します。これは、ルイス構造式の基本手順を学んだあとに、なぜ共鳴が重要なのかを理解するためのわかりやすい方法です。