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Las estructuras de Lewis son representaciones de moléculas y compuestos iónicos que muestran la distribución de los electrones de valencia en dichas sustancias así como la manera en la que los átomos comparten dichos electrones fara formar enlaces químicos. Se basan en los símbolos de puntos de Lewis, así como en la configuración electrónica de cada elemento que forma parte del compuesto.
En las estructuras de Lewis, los enlaces covalentes se representan mediante líneas, cada una de las cuales representa un par de electrones enlazantes, mientras que los electrones no compartidos se representan como puntos ubicados alrededor de cada átomo, de la misma forma como se hace con los símbolos de puntos de Lewis.
Estas estructuras permiten dar una primera descripción muy simplificada del enlace químico entre dos átomos. A partir de la estructura de Lewis de un compuesto se pueden sacar conclusiones acerca de la forma y geometría molecular, así como explicar propiedades de las sustancias tales como la polaridad, los puntos de fusión y ebullición, e incluso la reactividad química.
Este tipo de representaciones son particularmente útiles en química orgánica, donde permiten observar claramente los cambios que ocurren en la distribución de electrones al ocurrir una reacción química, lo que, a su vez, permite dilucidar los mecanismos mediante los cuales ocurren las reacciones químicas.
Elementos que conforman una estructura de Lewis
Como se mencionó anteriormente, las estructuras de Lewis se basan en los símbolos de puntos de Lewis. Estos se escriben comenzando por el símbolo químico del átomo en cuestión, para luego dibujar los electrones de valencia distribuidos a su alrededor en forma de puntos.
En una estructura de Lewis, se representan los electrones no compartidos entre dos átomos como puntos ubicados encima o por debajo del símbolo químico, o a cualquiera de sus dos lados, según sea el caso.
Cada par de electrones que forma parte de un enlace covalente, por otro lado, se representa en una estructura de Lewis por medio de una línea sólida que une el centro los dos átomos enlazados.
Pero, ¿Cómo se dibuja una estructura de Lewis? Esto resulta ser mucho más sencillo de lo que parece, y solo involucra seguir una serie de pasos ordenados, y de aplicar un poco de sentido común cuando haga falta.
Reglas para dibujar la estructura de Lewis
Para facilitar la escritura de las estructuras de Lewis, antes de comenzar se debe tener cierta información preliminar:
- La fórmula molecular del compuesto cuya estructura se desea dibujar, incluyendo la carga eléctrica, en caso de que se trate de un ión. Por ejemplo, si deseamos escribir la estructura de Lewis del ión nitrato, entonces es necesario saber que su fórmula es NO3–.
- Se debe conocer el número de electrones de valencia de cada uno de los átomos presentes en la fórmula molecular. Por ejemplo, el nitrógeno es un elemento que posee 5 electrones de valencia, mientras que el oxígeno tiene 6. Para los elementos representativos, conocer este número es muy fácil. Solo es necesario saber a qué grupo pertenece, ya que todos los elementos dentro de un grupo poseen el mismo número de electrones de valencia.
- Suele ser útil (aunque no estrictamente necesario) tener una idea de las electronegatividades relativas de cada átomo presente en la fórmula. Lo importante aquí no es saber cuánto vale la electronegatividad, sino saber cuál elemento es más o menos electronegativo que los demás.
Una vez reunida esta información básica, procedemos a describir los pasos necesarios para escribir la estructura de Lewis.
Estructuras de Lewis paso a paso
Los pasos que se explican a continuación se pueden aplicar para cualquier especie química, incluidos compuestos covalentes o moleculares neutros, iones monoatómicos o poliatómicos o, por extensión, compuestos iónicos tales como sales u óxidos iónico.
Paso1: Cuenta el número total de electrones de valencia.
La estructura de Lewis debe incluir todos los electrones de valencia de todos los elementos presentes en la molécula, y debe asegurar que se cumpla el balance de cargas eléctricas. Para hallar el número total de electrones, basta con sumar el producto del número de átomos de cada elemento en la fórmula y su número de electrones de valencia, y, al final, se le resta la carga eléctrica, en caso de que la tenga. La fórmula es:
Ejemplo:
Si estamos escribiendo la estructura de Lewis del ion nitrato (NO3–) el cual tiene 1 N, 3 O y una carga de –1, entonces el número total de electrones de valencia es:
Paso 2: Escriba la estructura fundamental de la molécula.
Esto consiste en indicar qué átomo estará conectado con qué otro átomo (lo que se denomina la conectividad de la molécula). En otras palabras, se establecerá el esqueleto básico de la molécula.
Algunas reglas generales a tomar en cuenta cuando se lleve a cabo este paso son:
- El átomo central casi siempre es el menos electronegativo de todos.
- Los átomos de hidrógeno siempre van en los extremos, nunca en el centro. Lo mismo sucede con los halógenos en la mayoría de los compuestos en los que no está enlazados al oxígeno.
- Se puede proponer más de una estructura posible. Más adelante se determina cuál es más probable.
Ejemplo – El ion nitrato
Un ejemplo ilustrativo de todos los pasos presentados anteriormente lo representa el ion nitrato, el cual es un ion poliatómico formado por tres oxígenos y un nitrógeno unidos entre sí por medio de enlaces covalentes. En este caso, el elemento menos electronegativo es el nitrógeno así que se coloca en el centro, y los tres oxígenos se distribuyen a los lados:
Paso 3: Dibujar un enlace covalente sencillo entre todos los átomos que se encuentren enlazados entre sí.
Ya luego de este paso el compuesto comienza a adquirir forma de molécula. Los enlaces finales pueden llegar a ser dobles o triples, pero todo comienzan como enlaces sencillos.
Continuación del ion nitrato
Paso 4: Completar los octetos con los electrones de valencia restantes, comenzando por los más electronegativos.
Luego de descontar los electrones que forman parte de los enlaces, los electrones restantes se van agregando en pares alrededor de los elementos más electronegativos para completar sus octetos (a excepción del hidrógeno).
Continuación del ion nitrato
Paso 5: Formar enlaces múltiples si es necesario.
Si sucede que al terminarse los electrones de valencia algún átomo queda con su octeto incompleto, utilice un par de electrones sin compartir de un átomo vecino para formar un enlace doble o dos pares para formar un enlace triple de ser necesario.
Continuación del ion nitrato
Paso 6: Calcular cargas formales (opcional).
Una vez culminado el paso 5, ya se tiene la estructura de la molécula completamente dibujada. Solo falta agregar las cargas eléctricas si las hubiere. En este punto se puede proceder de dos maneras diferentes. La primera es que, si hay una carga neta (en el caso de un ion), se encierra la estructura completa en corchetes y se agrega la carga como superíndice. La segunda (que es preferible) consiste en determinar la carga formal (C.F.) sobre cada átomo de la estructura.
Esto se hace por medio de la siguiente fórmula:
Continuación del ion nitrato
En el caso del ion nitrato, la carga formal del átomo de nitrógeno es:
Las cargas formales de los dos tipos de oxígeno presentes son:
Luego de calculadas las cargas formales, estas se colocan al lado de cada átomo que no sea neutro, se verifica que la suma de todas las cargas de como resultado la carga neta del ion (o cero, si la molécula es neutra). Como se puede observar en la siguiente imagen, la suma de todas las cargas es +1-2=-1
Ejemplo de estructuras de Lewis
Como se mencionó anteriormente, se pueden escribir estructuras de Lewis de cualquier especie química. En adelante se presentan algunos ejemplos de estructuras de diferentes tipos de compuestos:
Compuestos moleculares neutros – Etileno
Compuestos iónicos simples – Cloruro de sodio
Compuestos iónicos más complejos – Nitrato de sodio y nitrato de amonio
Referencias
Flowers, P., Theopold, K., Langely, R., Robinson, W. R., & O. (2019). Chemistry 2e (2.a ed.). : OpenStax.
The International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). (2014). IUPAC – Lewis formula (electron dot or Lewis structure) (L03513). Recuperado de https://goldbook.iupac.org/terms/view/L03513
