โครงสร้างลิวอิส — วิธีเขียนแผนภาพจุด

โครงสร้างลิวอิสเป็นแผนภาพอย่างง่ายที่แสดงตำแหน่งของอิเล็กตรอนเวเลนซ์ในโมเลกุลหรือไอออนหลายอะตอม เส้นแสดงคู่อิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกัน ซึ่งเราเรียกว่าพันธะโคเวเลนต์ และจุดแสดงคู่โดดเดี่ยว

ถ้าคุณต้องการเวอร์ชันสั้นที่สุด ให้ใช้โครงสร้างลิวอิสเพื่อตอบ 3 คำถามนี้: อะตอมใดเชื่อมต่อกัน มีพันธะกี่พันธะ และคู่โดดเดี่ยวอยู่ตรงไหน จึงทำให้โครงสร้างนี้มีประโยชน์สำหรับการดูพันธะเบื้องต้น การทำนายรูปร่างโมเลกุล และการตรวจสอบฟอร์มัลชาร์จ

โครงสร้างลิวอิสบอกอะไรได้จริง

โครงสร้างลิวอิสไม่ใช่ภาพสมบูรณ์ของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในอวกาศ แต่เป็นแบบจำลองสำหรับติดตามอิเล็กตรอนเวเลนซ์

ความแตกต่างนี้สำคัญ โครงสร้างลิวอิสช่วยให้คุณติดตามรูปแบบพันธะและจำนวนอิเล็กตรอนได้ แต่ไม่สามารถแทนแบบจำลองสามมิติหรืออธิบายรายละเอียดทั้งหมดของการกระจายอิเล็กตรอนจริงได้

วิธีเขียนโครงสร้างลิวอิส

สำหรับโจทย์พื้นฐานส่วนใหญ่ ลำดับนี้ใช้ได้ดี:

1. นับจำนวนอิเล็กตรอนเวเลนซ์ทั้งหมด
2. เลือกอะตอมกลาง โดยทั่วไปมักเป็นอะตอมที่มีค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีน้อยที่สุด ยกเว้นไฮโดรเจนซึ่งไม่เป็นอะตอมกลาง
3. วาดพันธะเดี่ยวจากอะตอมกลางไปยังอะตอมรอบข้าง
4. ใส่อิเล็กตรอนที่เหลือลงบนอะตอมรอบนอกก่อน
5. ใส่อิเล็กตรอนที่เหลืออยู่บนอะตอมกลาง
6. ถ้าอะตอมกลางยังไม่ครบออกเตต ให้สร้างพันธะหลายโดยเปลี่ยนคู่โดดเดี่ยวของอะตอมข้างเคียงให้เป็นคู่พันธะเมื่อเหมาะสม
7. ตรวจสอบฟอร์มัลชาร์จและดูว่าควรแสดงเรโซแนนซ์หรือไม่

สำหรับไอออน ให้ปรับจำนวนอิเล็กตรอนก่อนเริ่ม:

$$\text{total valence electrons} = \sum \text{valence electrons} \pm \text{charge adjustment}$$

เพิ่มอิเล็กตรอนสำหรับประจุลบ และลบอิเล็กตรอนสำหรับประจุบวก

ตัวอย่างทำโจทย์: โครงสร้างลิวอิสของ $CO_2$

คาร์บอนไดออกไซด์เป็นตัวอย่างที่ดี เพราะแสดงให้เห็นว่าการเติมออกเตตด้วยพันธะเดี่ยวอย่างเดียวอาจยังไม่เพียงพอ

ขั้นที่ 1: นับอิเล็กตรอนเวเลนซ์

คาร์บอนมีอิเล็กตรอนเวเลนซ์ $4$ ตัว ออกซิเจนแต่ละอะตอมมี $6$ ตัว ดังนั้นรวมทั้งหมดเป็น

$$4 + 2(6) = 16$$

ขั้นที่ 2: เลือกอะตอมกลาง

คาร์บอนเป็นอะตอมกลาง ออกซิเจนมักอยู่ปลายโมเลกุลในโมเลกุลเป็นกลางชนิดนี้

ขั้นที่ 3: วาดพันธะเดี่ยว

เริ่มจาก $O - C - O$ พันธะเดี่ยวสองพันธะใช้อิเล็กตรอน $4$ ตัว ดังนั้นจึงเหลือ $12$ ตัว

ขั้นที่ 4: เติมอะตอมรอบนอกก่อน

ให้ออกซิเจนแต่ละอะตอมมีคู่โดดเดี่ยวสามคู่ ซึ่งใช้อิเล็กตรอนที่เหลือทั้งหมด $12$ ตัว

ในขั้นนี้ ออกซิเจนแต่ละอะตอมครบออกเตตแล้ว แต่คาร์บอนมีอิเล็กตรอนรอบตัวเพียงสี่ตัวจากพันธะเดี่ยวสองพันธะ คาร์บอนจึงยังไม่ครบออกเตต

ขั้นที่ 5: สร้างพันธะหลาย

เปลี่ยนคู่โดดเดี่ยวหนึ่งคู่จากออกซิเจนแต่ละอะตอมให้เป็นคู่พันธะกับคาร์บอน ผลลัพธ์คือ

$$O = C = O$$

ตอนนี้คาร์บอนครบออกเตต ออกซิเจนแต่ละอะตอมก็ยังครบออกเตต และฟอร์มัลชาร์จมีค่าน้อยที่สุด นี่คือโครงสร้างลิวอิสมาตรฐานของ $CO_2$

ทำไมฟอร์มัลชาร์จจึงสำคัญ

บางครั้งการจัดเรียงอิเล็กตรอนมากกว่าหนึ่งแบบอาจทำให้เป็นไปตามกฎออกเตตได้ เมื่อเกิดกรณีนั้น ฟอร์มัลชาร์จจะช่วยให้คุณตัดสินได้ว่าโครงสร้างลิวอิสแบบใดสมเหตุสมผลกว่า

กฎพื้นฐานที่ผู้เริ่มต้นมักใช้คือ เลือกโครงสร้างที่มีฟอร์มัลชาร์จน้อยกว่า และถ้าต้องมีประจุลบก็ควรอยู่บนอะตอมที่มีค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตีสูงกว่าเมื่อมีทางเลือก กฎนี้มีประโยชน์ แต่ในกรณีขั้นสูงก็ยังไม่สามารถแทนบริบททางเคมีได้ทั้งหมด

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

ลืมนับจำนวนอิเล็กตรอนรวมอีกครั้ง

โครงสร้างที่ผิดหลายแบบดูเหมือนจะถูกต้อง จนกว่าจะนับอิเล็กตรอนใหม่อีกครั้ง การนับครั้งสุดท้ายเป็นวิธีตรวจข้อผิดพลาดที่เร็วที่สุดวิธีหนึ่ง

บังคับให้มีแต่พันธะเดี่ยว

บางโมเลกุลต้องมีพันธะคู่หรือพันธะสามเพื่อให้อะตอมกลางครบออกเตต $CO_2$ เป็นตัวอย่างพื้นฐาน

คิดว่ากฎออกเตตใช้ได้กับทุกกรณี

กฎออกเตตใช้ได้ดีกับสารประกอบของธาตุกลุ่มหลักหลายชนิด แต่ไม่ใช่ทั้งหมด ไฮโดรเจนเป็นไปตามกฎดูเอต โบรอนอาจขาดอิเล็กตรอนในสารประกอบบางชนิด และอะตอมบางชนิดในคาบ 3 หรือต่ำกว่าสามารถมีอิเล็กตรอนเกินแปดตัวได้

มองข้ามเรโซแนนซ์

ถ้ามีโครงสร้างลิวอิสที่ถูกต้องมากกว่าหนึ่งแบบและต่างกันเพียงตำแหน่งของอิเล็กตรอน การยึดเหนี่ยวจะอธิบายได้ดีกว่าด้วยรูปเรโซแนนซ์ แทนที่จะบอกว่าโมเลกุลสลับไปมาระหว่างโครงสร้างที่ไม่เกี่ยวข้องกัน

โครงสร้างลิวอิสใช้เมื่อใด

โครงสร้างลิวอิสใช้ในเคมีทั่วไปเพื่อทำนายรูปแบบพันธะที่เป็นไปได้ ประมาณรูปร่างโมเลกุลโดยใช้ VSEPR เป็นขั้นถัดไป เปรียบเทียบฟอร์มัลชาร์จ และระบุเรโซแนนซ์ในโมเลกุลและไอออนหลายอะตอม

โครงสร้างนี้มีประโยชน์มากที่สุดในฐานะแบบจำลองเริ่มต้น ถ้าโมเลกุลมีพันธะที่ไม่ปกติ เป็นอนุมูลอิสระ มีโลหะทรานซิชัน หรือมีการกระจายตัวของอิเล็กตรอนที่แบบจำลองจุดอย่างง่ายแสดงได้ไม่ดี คุณก็มักต้องใช้คำอธิบายที่ซับซ้อนกว่านี้

ลองทำโครงสร้างที่คล้ายกัน

ลองทำเองกับไอออนคาร์บอเนต $CO_3^{2-}$ นับอิเล็กตรอน วาดโครงสร้างที่ถูกต้องหนึ่งแบบ แล้วตรวจดูว่าพันธะคู่สามารถอยู่ได้มากกว่าหนึ่งตำแหน่งหรือไม่ นี่เป็นวิธีที่ชัดเจนในการเห็นว่าเรโซแนนซ์สำคัญอย่างไรหลังจากคุณเรียนรู้ขั้นตอนพื้นฐานของโครงสร้างลิวอิสแล้ว