ルイス構造または電子ドット構造の描き方

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ルイス構造は、分子やイオン化合物の表現であり、これらの物質の価電子の分布と、原子がこれらの電子を共有して化学結合を形成する方法を示します。それらは、化合物の一部である各元素の電子配置と同様に、ルイス ドット記号に基づいています。

ルイス構造では、共有結合は線で表され、それぞれが電子の結合対を表しますが、共有されていない電子は、ルイス ドット記号と同じように、各原子の周りにある点として表されます。

これらの構造により、2 つの原子間の化学結合の非常に単純な最初の説明を与えることができます。化合物のルイス構造から、形状と分子構造について結論を導き出すだけでなく、極性、融点、沸点、さらには化学反応性などの物質の特性を説明することができます。

このような表現は、化学反応が起こったときに電子の分布に起こる変化を明確に観察することができ、化学反応が起こるメカニズムを解明することを可能にする有機化学において特に有用です。

ルイス構造を構成する元素

前述のように、ルイス構造はルイス ドット記号に基づいています。これらは、問題の原子の化学記号から始まり、その周りに分布する価電子をドットの形で描きます。

ルイス構造では、2 つの原子間で共有されていない電子は、化学記号の上または下、または場合によってはその 2 つの側面のいずれかにある点として表されます。

一方、共有結合の一部である電子の各対は、結合した 2 つの原子の中心を結ぶ実線によってルイス構造で表されます。

しかし、ルイス構造をどのように描くのでしょうか? これは見た目よりもはるかに単純であることが判明し、一連の順序付けられた手順に従い、必要に応じて少し常識を適用するだけです。

ルイス構造の描画規則

ルイス構造を簡単に記述できるようにするには、始める前にいくつかの背景情報を知っておく必要があります。

  • 構造を描きたい化合物の分子式(イオンの場合は電荷を含む)。たとえば、硝酸イオンのルイス構造を書きたい場合、その式が NO 3 であることを知る必要があります。
  • 分子式に存在する各原子の価電子数を知る必要があります。たとえば、窒素は価電子が5個、酸素は6個の元素です。代表的な元素の場合、この数を知ることは非常に簡単です。グループ内のすべての元素は同じ数の価電子を持っているため、それがどのグループに属しているかを知る必要があるだけです。
  • 式中の各原子の相対的な電気陰性度を把握しておくと、(厳密には必要ではありませんが) 役立つことがよくあります。ここで重要なことは、電気陰性度の価値を知ることではなく、どの元素が他の元素より電気陰性度が高いか低いかを知ることです。

この基本的な情報が収集されると、ルイス構造を記述するために必要な手順の説明に進みます。

ルイス構造のステップバイステップ

以下の手順は、共有結合または中性の分子化合物、単原子または多原子イオン、またはイオン塩や酸化物などのイオン化合物を含む任意の化学種に適用できます。

ステップ 1: 価電子の総数を数えます。

ルイス構造には、分子内に存在するすべての元素のすべての価電子が含まれている必要があり、電荷のバランスが満たされている必要があります。電子の総数を求めるには、式中の各元素の原子数とその価電子数の積を足し、最後に電荷がある場合はそれを引きます。式は次のとおりです。

価電子の総数の計算

例:

N が 1、O が 3、電荷が -1の硝酸イオン (NO 3 ) のルイス構造を書くと、価電子の総数は次のようになります。

価電子の総数の計算例

ステップ 2: 分子の基本構造を書きます。

これは、どの原子が他のどの原子と結合するかを示すことで構成されます (分子の結合性と呼ばれるもの)。つまり、分子の基本骨格が確立されます。

この手順を実行する際に留意すべき一般的なルールは次のとおりです。

  • 中心原子はほとんどの場合、すべての原子の中で最も電気陰性度が低くなります。
  • 水素原子は常に両端にあり、中心にはありません。同じことが、酸素に結合していないほとんどの化合物のハロゲンにも当てはまります。
  • 複数の可能な構造を提案することができます。どちらがより可能性が高いかは後で決定されます。

例 – 硝酸イオン

上記のすべてのステップの説明に役立つ例は、共有結合によって結合された 3 つの酸素と 1 つの窒素によって形成される多原子イオンである硝酸イオンによって表されます。この場合、電気陰性度が最小の元素は窒素であるため、窒素が中央に配置され、3 つの酸素が側面に配置されます。

ルイス構造を書くステップ 1

ステップ 3: 一緒にリンクされているすべての原子間に単一の共有結合を描画します。

このステップの後、化合物は分子の形を獲得し始めます。末端結合は二重結合または三重結合になることがありますが、それらはすべて単結合から始まります。

硝酸イオン 続き

ルイス構造を書くステップ 2

ステップ 4: 最も電気陰性度の高いものから始めて、残りの価電子でオクテットを埋めます。

結合の一部である電子を割り引いた後、残りの電子は、最も電気陰性度の高い元素の周りにペアで追加され、それらのオクテットを完成させます (水素を除く)。

硝酸イオン 続き

ルイス構造を書くステップ3

ステップ 5: 必要に応じて複数のリンクを作成します。

価電子の終わりに一部の原子が不完全なオクテットのまま残っている場合は、必要に応じて、隣の原子から共有されていない電子のペアを使用して二重結合を形成するか、2 つのペアを使用して三重結合を形成します。

硝酸イオン 続き

ルイス構造を書くステップ 4

ステップ 6: 正式料金を計算します (オプション)。

ステップ 5 が完了すると、分子の構造が完全に描画されます。残っているのは、電荷があれば追加するだけです。この時点で、2 つの異なる方法で進めることができます。1 つ目は、正味の電荷がある場合 (イオンの場合)、構造全体を角括弧で囲み、電荷を上付き文字として追加することです。2 つ目 (これが望ましい) は、構造の各原子の形式電荷 (CF) を決定することです。

これは、次の式によって行われます。

ルイス構造における形式電荷の計算

硝酸イオン 続き

硝酸イオンの場合、窒素原子の形式電荷は次のとおりです。

ルイス構造における形式電荷計算の例

存在する 2 種類の酸素の正式な電荷は次のとおりです。

ルイス構造における酸素の形式電荷の計算

ルイス構造における形式電荷の計算

正式な電荷を計算した後、これらは中性でない各原子の隣に配置され、すべての電荷の合計がイオンの正味の電荷 (または分子が中性の場合はゼロ) になることが検証されます。次の画像でわかるように、すべての電荷の合計は +1-2=-1 です。

硝酸イオンのルイス構造

ルイス構造の例

前述のように、あらゆる化学種のルイス構造を書くことができます。以下は、さまざまな種類の化合物の構造の例です。

中性分子化合物 – エチレン

エチレンの構造式

単純なイオン化合物 – 塩化ナトリウム

塩化ナトリウムのルイス構造

より複雑なイオン化合物 – 硝酸ナトリウムと硝酸アンモニウム

硝酸ナトリウムのルイス構造
硝酸アンモニウムのルイス構造

参考文献

Flowers, P., Theopold, K., Langely, R., Robinson, WR, & O. (2019). 化学2e(第2)。:OpenStax

国際純正応用化学連合 (IUPAC)。(2014)。IUPAC – ルイス式 (電子ドットまたはルイス構造) (L03513)。https://goldbook.iupac.org/terms/view/L03513から取得

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Israel Parada (Licentiate,Professor ULA)
(Licenciado en Química) - AUTOR. Profesor universitario de Química. Divulgador científico.

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