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Pedro L. Rodrguez Porca. v 13 - Pgina 1

ESTRUCTURAS DE LEWIS

Las estructuras, diagramas o frmulas de Lewis (USA, 1916) de una molcula son representacionesbidimensionales sencillas del esqueleto o conectividad de los tomos en la molcula y de la posicin de loselectrones enlazantes y no enlazantes. Tienen como finalidad explicar el enlace covalente mediante lacomparticin de uno o ms pares de electrones entre dos tomos con el objeto de cerrar capa y conseguiras la mxima estabilidad.

Es importante tener presente que las estructuras de Lewis explican:

La conectividad (la forma en que se unen los tomos).

El orden de enlace (nmero de enlaces entre dos tomos: orden 1 = enlace simple, orden 2 =enlace doble, orden 3 = enlace triple), dando una idea cualitativa de la longitud de enlace (a mayororden de enlace, menor longitud de enlace) y de la energa de enlace (a mayor orden de enlace,mayor energa de enlace).

Resonancia.

Pero:

No permite obtener valores cuantitativos de parmetros moleculares, como:

Longitudes de enlace

Energas de enlace

ngulos de enlace

Y por ello no permiten obtener la geometra molecular (disposicin espacial de los tomos en de lamolcula) e informar por tanto de la polaridad de la molcula. En consecuencia, las disposiciones enel plano de los tomos en las estructuras que se presentan a continuacin puede que no secorrespondan con la geometra molecular real.

1. Reglas para obtener la estructura de Lewis de una molcula

1. Elegir el tomo central, que ser generalmente el menos electronegativo, exceptuando el H (ygeneralmente el F) que siempre son terminales porque solo pueden formar un enlace. En loscompuestos orgnicos siempre es el C (excepto en los teres).

2. Alrededor del tomo central se sitan los dems (ligandos) de la forma ms simtrica posible. En losoxcidos, generalmente el H se une al O. (En CO y NO, C y N son centrales)

O HH B

F

FF

O OO N H

H

H

H

C O

agua, H2O trifluoruro de boro, BF3 ozono, O3 ion amonio, NH4+

monxido de carbono,CO

N O C

O

OH H

N O

O

O

S

O

OO

O

HH

P O

Cl

Cl

Cl monxido de nitrgeno,

NOcido metanoico,

HCOOHin nitrato, NO3

- cido sulfrico, H2SO4oxicloruro de fsforo,

POCl3

C CH H S OO

etino, C2H2 dixido de azufre, SO2in tetrahidroborato(-),

BH4-

3. Calcular el nmero total de electrones de valencia de todos los tomos, aadiendo la carga neta si lahay(ejemplos: si la carga neta es -2, aadir dos electrones; si la carga neta es +1, restar un electrn).Tendremos as el nmero total de electrones para asignar a enlaces y tomos.


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O HH B

F

FF

O OO N H

H

H

H

C O

8 electrones 24 electrones 18 electrones 8 electrones 10 electrones

N O C

O

OH H N O

O

O S

O

OO

O

HH

P O

Cl

Cl

Cl 11 electrones 18 electrones 24 electrones 32 electrones 32 electrones

C CH H S OO

10 electrones 18 electrones 8 electrones

4. Dibujar un enlace entre cada par de tomos conectados, asignando a cada enlace un par de electronesque se irn restando del total.

O HH B

F

FF O OO N H

H

H

H

C O

N O C

O

OH H N O

O

O S

O

OO

O

HH

P O

Cl

Cl

Cl

C CH H S OO

5. Comenzando por los ligandos y terminando en el tomo central, asignar los electrones restantes, enforma de pares, a cada tomo hasta cerrar capa. El H cierra con 2. En general los tomos centrales del2 perodo cierran con 8 electrones, excepto Be con 4 y B con 6. Si hay algn electrn desapareadoste se representa por un solo punto, que se situar lgicamente en el tomo central (en este caso lamolcula tiene momento magntico y es paramagntica).

O HH B

F

FF

O OO

N H

H

H

H

C O

N O C

O

OH H

N O

O

O

S

O

OO

O

HH

P O

Cl

Cl

Cl

C CH H

S OO

En el proceso de asignacin de electrones, una vez comenzada la asignacin a un tomo no se terminacon l hasta que se le cierre su capa, tal como se puede observar en el etino.


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6. Calcular la carga formal de cada tomo comenzando por el central. La carga formal es la cargahipottica que tiene cada tomo en la estructura de Lewis y se obtiene por diferencia entre loselectrones de valencia del tomo libre y los asignados en la estructura a dicho tomo, es decir:

qf= n e-valencia(n e-no enlazantes + n e-enlaces)

o de una forma an ms simple:

qf= n e-valencia (n e

-no enlazantes + n enlaces)

Las cargas formales se indican mediante un signo y nmero encerrado en un crculo sobre el tomo. Nose indican las cargas formales nulas.

La carga formal neta debe coincidir con la carga de la molcula.

O HH B

F

FF

O OO

+2

N H

H

H

H

C O

N O C

O

OH H

N O

O

O+2

S

O

OO

O

HH

+2

P O

Cl

Cl

Cl

C CH H

+2-2

S OO

+2

7. Si la carga formal del tomo central es igual a la carga neta de la molcula o si es negativa (es el casodel BH4

-), entonces la estructura es correctay se termina aqu el proceso.

En los ejemplos se han enmarcado las estructuras correctas: el agua y trifluoruro de boro porque lostomos centrales tienen carga formal nula que es la carga neta de las molculas, y el ion amonio portener el tomo central la misma carga formal que la carga neta de la molcula. Obsrvese que el boro

en el BF3cierra con 6 electrones.

O HH B

F

FF

N H

H

H

H

8. En caso contrario, modificar la estructura formando un doble enlace entorno al tomo centraldesplazando un par no enlazante del ligando negativo al tomo central, lo que cancela un par de cargasformales, una negativa y otra positiva.

Repetir este proceso hasta:

a) Si el tomo central es del 2 perodo: ste cierre capa (o si el nmero de electrones es impar,cierre con un electrn de menos).

Es el caso del O3, CO, NO, HCOOH, NO3- y C2H2. Aunque se pudieran formar ms dobles

enlaces en algunos casos, no es posible porque el tomo central ya cierra capa. En el NO, el Ncierra con siete electrones.

O OO

+2

O OO

C O

C O


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N O

N O

C

O

OH H

C

O

OH H

N O

O

O+2

N O

O

O

C CH H

+2-2

C CH H C CH H

b) Si el tomo central es del 3 o ms perodos: se procura que ste tenga carga formal nula o se

hayan formado dos dobles enlaces (se rodean de ms de ocho electrones por tener orbitales ddisponibles: el S se rodea de 12 electrones en el H2SO4, el P de 10 en el POCl3).

S

O

OO

O

HH+2

S

O

OO

O

HH

S

O

OO

O

HH

P O

Cl

Cl

Cl

P O

Cl

Cl

Cl

En el caso del SO2se prefiere una estructura con carga formal (el S cierra con 8 electrones) paraestar de acuerdo con los datos experimentales que indican que la distancia de enlace S-O esintermedia entre la de un enlace simple y la de uno doble, obteniendo una estructura semejante a ladel O3, y como este presentar resonancia como se ver en el punto 10:

9. Se prefiere la estructura sin cargas o con la mnima carga formal, o con el menor nmero de tomos concarga formal. Las estructuras con cargas formales del mismo signo en tomos adyacentes son pocoprobables. Si debe tener carga formal, se prefiere que la carga negativa se site en el tomo mselectronegativo.

Si se aplican bien todas las reglas enunciadas, generalmente se llega a la estructura correcta. As, parael cloruro de carbonilo, COCl2, podemos formular algunas de las posibles estructuras, pero solo laprimera, a la que se llega aplicando las reglas, es la correcta, mientras que las dems son incorrectas,tanto porque no se llega a ellas aplicando las reglas como por lo dicho en este punto noveno:

C OCl

Cl

+2

C OCl

Cl

O C

Cl

Cl

-2

10. Aparece el fenmeno de resonancia cuando se pueden escribir estructuras de Lewis equivalentes para

una molcula, es decir, cuando el desplazamiento del par no enlazante para formar un doble enlace delpaso 8 se puede realizar desde dos o ms ligandos idnticos. Cada una de esas estructuras es unaforma resonante, que se separan entre ellas mediante una flecha doble , siendo la estructura real de

la molcula una mezcla de todas ellas, un hbrido de resonancia. De esta forma se obtienen doblesenlaces deslocalizados y rdenes de enlace (fraccionarios) iguales entre cada par de tomos idnticos,en concordancia con los datos experimentales. Cuntas ms formas resonantes presente una molcula,menor ser la energa de la misma y en consecuencia ms estable.


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En los ejemplos propuestos anteriormente se presenta resonancia en el ozono, en el dixido de azufre(igual que en el ozono) y en el ion nitrato. En el ozono, en el que hay dos formas resonantes idnticas,el doble enlace deslocalizado se reparte entre dos uniones obtenindose enlaces intermedios entre elsimple y el doble. En el ion nitrato, con tres formas resonantes idnticas, el doble enlace deslocalizadose reparte entre tres uniones:

2. Procedimiento intuitivo para obtener la estructura de Lewis

Es un mtodo que permite obtener de forma bastante fcil estructuras de Lewis en el caso de molculas

poco complicadas desde el punto de vista electrnico. Se basa en formar enlaces covalentes a partir deelectrones desapareados de cada tomo para que cada uno de ellos cierre capa.

Para ello, despus de aplicar los dos primeros pasos del apartado anterior, se dibujan las representacionesde Lewis de cada tomo. As, para el NH3, O2, COCl2y BeF2 (el Be cierra capa con 4 electrones octetoincompleto-):

N H

H

H

O O

C OCl

Cl

Be FF

A continuacin se forman los enlaces covalentes entre electrones desapareados (indicndose mediante unsegmento):

N H

H

H

O O

C OCl

Cl

Be FF

quedando finalmente:

N H

H

H

O O

C OCl

Cl

Be FF

En otros casos hay que acudir al concepto de enlace covalente coordinado o dativopara poder explicar

la formacin de la estructura de Lewis. En este enlace, el par de electrones del enlace procede de un tomocentral que dispone de un par no enlazante que es cedido para compartirlo con otro tomo ligando que tieneuna zona vaca. El enlace dativo se representa mediante una flecha que se dirige desde el tomo dador delpar de electrones al tomo receptor.

As podemos explicar la formacin del ion amonio, NH4+, a partir de la formacin de un enlace dativo entre el

NH3y el ion H+, en donde el N del amonaco cede un par no enlazante al ion hidrgeno que al no disponer

ste de su electrn de valencia tiene una zona vaca. El NH3, especie que cede el par de electrones, sedenomina base de Lewis, mientras que el H+, que acepta el par, se denomina cido de Lewis:

N HH

H

H+

N HH

H

H +

= N HH

H

H +


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Al final no hay distincin entre el enlace dativo y los otros enlaces, todos son covalentes, pero es unaherramienta que permite explicar de forma intuitiva la formacin de algunas estructuras. Lo dicho para el ionamonio tambin se aplica a la formacin del ion oxidanio u oxonio (antiguo hidronio), H3O

+.

Mediante el enlace dativo tambin se pueden explicar otras estructuras. As, en el caso del ozono:

O OO O OO

1

2

O OO

formndose primero un doble enlace entre los dos primeros tomos de O. A continuacin, en el pasoindicado con 1 un electrn solitario del tercer O pasa a la zona en donde ya hay otro electrn, aparendose,y en el paso indicado con 2 se forma el enlace dativo por cesin del par no enlazante del oxgeno central altercero. La estructura resultante tiene carga formal y a partir de aqu se presenta resonancia, tal como se havisto en el apartado anterior.

Tambin se pueden abordar estructuras un poco ms complejas como algunas quetienen por tomo central elementos del 3 o ms perodos, para lo cual hay que saberque pueden cerrar capa con ms de ocho electrones octectos expandidos-. As, el Pcierra con 10 en el PCl5(para lo cual hay que representar los 5 electrones de valencia delP en cinco zonas).

Estructuras que contienen S como tomo central tambin se pueden obtener con el mtodo intuitivo y conayuda del enlace dativo como el H2SO4en donde el S cierra capa con 12 electrones (octeto expandido):

3. Clculo del nmero de oxidacin

El nmero de oxidacin de un tomo, n.o., es la carga que tendra dicho tomo en un compuesto si los

electrones fueran transferidos completamente en la direccin indicada por la diferencia deelectronegatividad. Se calcula fcilmente a partir de la estructura de Lewis con la siguiente frmula:

n.o. = e-valencia tomo neutro (e

-no enlazantes + e

-asignados)

en donde los e- asignados se contabilizan al tomo ms electronegativo del enlace. Si se unen dos tomos iguales, loselectrones asignados resultan de repartir por igual entre los dos tomos. La suma de todos los n.o. tiene que ser igual ala carga neta de la molcula.

As, para el cido 2-aminoetanoico (teniendo en cuenta el orden de electronegatividad:O > N > C > H):

n.o. de los O = 6(4 + 4) = -2 (el O atrae hacia s todos los electrones de susenlaces)

n.o. de los H = 1(0 + 0) = +1 n.o. de C1= 4(0 + 1) = +3 (slo atrae hacia s 1 electrn del enlace C1C2)

n.o. de C2= 4(0 + 5) = -1 (atrae hacia s los 2 electrones de cada uno de los enlaces C 2H, esdecir 4 electrones, 1 electrn del enlace C1C2y ninguno del enlace C2N).

n.o. de N = 5(2 + 6) = -3

Una alternativa sencilla para la determinacin del n.o. de los tomos de carbono en los compuestosorgnicos se reduce a:

Por cada enlace con: Nmero a agregar:

H -1

C 0Heterotomo (O, N, etc) +1

C C

O

O H

H

H

N

HH

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4. Nmero de zonas de alta densidad electrnica alrededor del tomo central

La estructura de Lewis permite determinar el nmero de zonas (o regiones) de alta densidad electrnica querodean a un tomo.

El nmero de dichas zonas est dado por:

N zonas en torno a un tomo = n de tomos que lo rodean + n de pares de electrones no enlazantes

Cada par electrnico no enlazante sobre el tomo y cada enlace (sea simple o mltiple) que sale de dichotomo cuenta como una zona de alta densidad electrnica.

El conocimiento del nmero de zonas entorno al tomo central (o tomos centrales) es el punto de partidapara la aplicacin del mtodo no cuntico de RPECV en el que se aplican dos reglas:

1. Dichas zonas de alta densidad electrnica se orientan en el espacio alrededor del tomo central talque la repulsin entre ellas sean mnimas.

2. Estando ponderadas las repulsiones por la siguiente regla: repulsin par no enlazante-par noenlazante > repulsin par no enlazante-par enlazante > repulsin par enlazante-par enlazante.

De esta forma se obtiene una aproximacin a la geometra espacial electrnica (determinada por laorientacin en el espacio de las zonas de alta densidad electrnica) y molecular (determinada por la

posicin en el espacio de los ncleos de los tomos) de la molcula.As mismo, el conocimiento del nmero de zonas tambin constituye un buen punto de partida para teneruna aproximacin al tipo de hibridacin que debe soportar el tomo central para una explicacin cunticadel enlace.

Veamos dos ejemplos:

De la estructura de Lewis del amonaco (aunque no estudiada anteriormente es de fcil obtencin),se observa que del N salen tres enlaces y que el N soporta adems un par no enlazante, por lo queel N est rodeado de 4 zonas de alta densidad electrnica. Al aplicar el mtodo RPECVorientaremos esas cuatro zonas en una disposicin tetradrica (geometra electrnica) entorno al Npara que las repulsiones sean mnimas. La geometra molecular ser piramidal trigonal. Ademscabe esperar que los enlaces N-H se aproximen un poco entre ellos por la mayor repulsin del parno enlazante sobre los enlazantes.

Estructura de Lewis Geometra

Respecto al tipo de hibridacin que cabe esperar para el N podemos aventurar una hibridacin sp 3(por constar esta de 4 OA hbridos equivalentes, necesarios para las 4 zonas que rodean al N) conuna distribucin electrnica para el N hibridado de 1s2 (sp3)2 (sp3)1 (sp3)1 (sp3)1, con geometraelectrnica tetradrica (un sp3soporta el par no enlazante y los otros contribuyen al enlace con elH).

En el caso del cido metanoico, cuya estructura de Lewis se dedujo anteriormente, se observa que

el C est rodeado por 3 zonas de alta densidad electrnica (2 simples enlaces y 1 doble enlace, noexistiendo pares no enlazantes sobre el C). Por la aplicacin del mtodo de RPECV resulta unageometra plana triangular alrededor del tomo de C.

De la misma forma se aplica al O hidroxlico, pues est rodeado por 4 zonas (enlaces a los tomosde C y de H y dos pares no enlazantes), por lo que la geometra electrnica entorno a dicho oxgenoes tetradrica y la geometra molecular es angular.

C

O

OH H

Estructura de Lewis Geometra

Para el C se puede esperar una hibridacin sp2, pues esta consta de tres OA hbridos equivalentes,necesarios para las tres zonas de alta densidad electrnica que rodean al C. La distribucinelectrnica de este C hibridado ser 1s2 (sp2)1(sp2)1(sp2)12p1. Los sp2con un electrn cada uno


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formarn un enlace con los dos H y con el O. El OA 2p (perpendicular a los sp2) no hibridado delC y que contiene un electrn formar el enlace con el O.

Para el O hidroxlico cabe esperar una hibridacin sp 3 (con configuracin 1s2 (sp3)2 (sp3)2 (sp3)1(sp3)1)por estar rodeado por 4 zonas, un sp3estar enlazado a un sp2del C y otro sp3del O estarenlazado al 1s del H. Los otros dos sp3del O soportarn un par no enlazante cada uno de ellos.

5. Bibliografa y recursos de Internet Animaciones sobre la obtencin de estructuras de Lewis:http://treefrog.fullerton.edu/chem/at.html

Vdeos y animaciones:http://www.kentchemistry.com/links/bonding/lewisdotstruct.htm

Estructuras moleculares:http://www.uhu.es/quimiorg/covalente1.html

Estructuras de Lewis:http://www.100ciaquimica.net/temas/tema4/punto3c.htm

PETRUCCI, R. H. y otros (2003). Qumica general. 8 Ed. PEARSON EDUCACION, S.A., Madrid

KLEIN, D. R. (2011). La qumica orgnica como segunda lengua. Ed. LIMUSA, Mxico.
http://treefrog.fullerton.edu/chem/at.htmlhttp://treefrog.fullerton.edu/chem/at.htmlhttp://treefrog.fullerton.edu/chem/at.htmlhttp://www.kentchemistry.com/links/bonding/lewisdotstruct.htmhttp://www.kentchemistry.com/links/bonding/lewisdotstruct.htmhttp://www.kentchemistry.com/links/bonding/lewisdotstruct.htmhttp://www.uhu.es/quimiorg/covalente1.htmlhttp://www.uhu.es/quimiorg/covalente1.htmlhttp://www.uhu.es/quimiorg/covalente1.htmlhttp://www.100ciaquimica.net/temas/tema4/punto3c.htmhttp://www.100ciaquimica.net/temas/tema4/punto3c.htmhttp://www.100ciaquimica.net/temas/tema4/punto3c.htmhttp://www.100ciaquimica.net/temas/tema4/punto3c.htmhttp://www.uhu.es/quimiorg/covalente1.htmlhttp://www.kentchemistry.com/links/bonding/lewisdotstruct.htmhttp://treefrog.fullerton.edu/chem/at.html

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