Al dibujar especies químicas, a menudo queremos saber la disposición de sus electrones de valencia. Al fin y al cabo, el número de electrones de valencia suele dictar las propiedades de una especie y cómo reacciona. Pero, dibujar todas las capas de electrones puede resultar bastante tedioso y complicado, especialmente en el caso de las moléculas más grandes. En su lugar, utilizamos unos dibujos llamados diagramas de puntos, o modelos de Lewis.
Los diagramas de puntos o modelos de Lewis son representaciones simplificadas de los electrones de valencia de una molécula.
- Este artículo trata de los diagramas de puntos o modelos de Lewis en química.
- Empezaremos por ver qué son los diagramas de puntos de Lewis.
- Luego, resolveremos ejemplos de modelos de Lewis de algunos elementos y moléculas fundamentales.
- A continuación, aprenderemos a dibujar diagramas de puntos de Lewis.
- Por último, consideraremos la importancia de los modelos de Lewis.
¿Qué es la estructura de Lewis?
Ya te hemos presentado la idea de un diagrama de puntos, o modelo de Lewis: una representación simplificada de los electrones de valencia de una molécula.
También se conocen como estructuras de Lewis, estructuras de puntos de Lewis o estructuras de puntos de electrones. No te preocupes si ves alguno de estos términos flotando por ahí: ¡todos significan lo mismo!
Los diagramas de puntos de Lewis muestran los átomos de una molécula, ya sea un compuesto neutro o un ion cargado. También muestran el número, la posición y la disposición de los electrones de valencia de los átomos, suponiendo que todas las capas internas de electrones están completas. En concreto, muestran los pares de electrones enlazantes y los pares no enlazantes.
Ten en cuenta lo siguiente:
Los electrones se muestran como puntos. Dos puntos juntos representan un par no enlazante de electrones.
Los pares de electrones enlazantes se muestran como líneas, lo que simboliza un enlace covalente.
Una sola línea representa un enlace covalente simple con un solo par de electrones enlazantes.
Dos líneas representan un enlace covalente doble con dos pares de electrones enlazantes.
Tres líneas representan un enlace covalente tripe con tres pares de electrones enlazantes.
Los modelos de Lewis se basan en la regla del octeto.
En estos modelos, los electrones suelen estar repartidos uniformemente por los cuatro puntos cardinales del átomo, con dos electrones en cada lado.
Tenemos un artículo completo sobre La regla del octeto, donde podrás profundizar en este tema; incluso, ¡hasta conocer las excepciones a esta regla!
¿Quieres ver los diagramas de puntos de Lewis en la práctica? Pasemos a algunos ejemplos.
Modelo de Lewis para el oxígeno
Una molécula de oxígeno está formada por dos átomos de oxígeno, unidos por un doble enlace covalente. Cada átomo de oxígeno tiene además dos pares de electrones no enlazantes. Esto se puede ver en el siguiente diagrama de puntos de Lewis.
¿Cuántos electrones de valencia tiene cada átomo de oxígeno? Si los cuentas, verás que cada átomo de oxígeno tiene cuatro electrones de sus dos pares no enlazantes y cuatro electrones de su doble enlace covalente. Esto suma ocho electrones de valencia. Esta molécula de oxígeno, por tanto, cumple la regla del octeto.
Modelo de Lewis de CO2
A continuación, el dióxido de carbono, CO2. Esta molécula está formada por dos átomos de oxígeno unidos a un átomo de carbono central mediante enlaces covalentes dobles. De nuevo, cada átomo de oxígeno tiene dos pares de electrones no enlazantes
Contando los electrones, podemos ver que ambos átomos de oxígeno tienen cuatro electrones en dos pares no enlazantes, y cuatro electrones formando dos enlaces covalentes. Esto suma ocho electrones de valencia. El átomo de carbono no tiene pares no enlazantes, pero presenta dos dobles enlaces. Cada doble enlace proporciona cuatro electrones, por lo que el carbono también tiene ocho electrones de valencia.
Modelo de Lewis del agua
Veamos ahora el diagrama de puntos de Lewis para el agua, H2O.
Observa que cada átomo de hidrógeno solamente tiene dos electrones de valencia, ambos procedentes del enlace covalente que comparte con el oxígeno. Sin embargo, con tan solo dos electrones tiene su capa externa llena.
El hidrógeno es una de las excepciones a la regla del octeto, ya que únicamente necesita dos electrones de valencia para ser más estable.
Modelo de Lewis del metano
Aquí tenemos otro ejemplo: el diagrama de puntos de Lewis para el metano, CH4.
Modelo de Lewis para el carbono
También podemos dibujar diagramas de puntos de Lewis para átomos no combinados, que aún no han formado una molécula. Un ejemplo es el carbono. Este es su diagrama de puntos de Lewis:
Dibujar diagramas de puntos o modelos de Lewis para moléculas simples como el oxígeno o el metano es bastante sencillo. Sin embargo, puede resultar un poco más complicado para moléculas más complejas, por lo que existe un procedimiento establecido que resulta útil seguir. En la siguiente sección, veremos algunos ejemplos más complejos de cómo dibujar diagramas de puntos de Lewis.
Como dibujar las estructuras de Lewis
Ahora que ya sabes qué es un diagrama de puntos de Lewis y qué representa cada parte, vamos a practicar el dibujo de algunas moléculas más complicadas. Los siguientes son los pasos que debes seguir. No te preocupes si te parece un poco largo, ya que desglosaremos cada parte.
Utiliza la fórmula química de la molécula y una tabla periódica, para calcular el número total de electrones de valencia de la molécula. Este número será esencial para sumar los electrones más adelante.
Dibuja la posición aproximada de los átomos en la molécula. Recuerda que a las moléculas les gusta ser simétricas: esto te ayudará a saber qué átomo es el central y cuáles son los exteriores.
Conecta los átomos mediante enlaces covalentes simples, mostrándolos con líneas rectas.
Añade pares de electrones a los átomos exteriores, hasta que todos tengan una capa externa completa de electrones. Esto suele significar que necesitan ocho electrones, pero hay algunas excepciones. Recuerda contar cualquier enlace como un par de electrones.
Cuenta cuántos electrones has añadido a tu molécula en total y réstalos del número de electrones de valencia de la molécula que has calculado antes, en el paso 1. Así obtendrás el número de electrones restantes. Una vez más, recuerda contar los enlaces como pares de electrones.
Añade los electrones restantes al átomo central.
Es de esperar que el átomo central tenga ahora una capa externa completa de electrones. Si no es así, utiliza algunos de los pares de electrones no enlazantes de los átomos exteriores para formar enlaces covalentes dobles con el átomo central, hasta que todos los átomos tengan las capas externas completas.
¿Te parece complicado? Empezaremos con un ejemplo de una molécula básica:
Dibuja un diagrama de puntos de Lewis para el amoníaco, NH3.
En primer lugar, tenemos que calcular el número de electrones de valencia de esta molécula, el amoníaco. Podemos hacerlo mirando la tabla periódica. El nitrógeno está en el grupo V y, por tanto, tiene cinco electrones de valencia. El hidrógeno está en el grupo I y, lo que significa que tiene un electrón de valencia por cada átomo de hidrógeno. Entonces, el número total de electrones de valencia es: 5 + 3(1) = 8.
A continuación, dibuja la posición aproximada de los átomos en la molécula. En este caso, el átomo central es el nitrógeno y está rodeado por los tres átomos de hidrógeno. Añade un enlace entre el nitrógeno y cada átomo de hidrógeno, así.
Luego, añade electrones a los átomos externos, hasta que todos tengan las capas externas llenas. Debes saber que el hidrógeno solo puede tener dos electrones en su capa más externa. Aquí, cada átomo de hidrógeno ya tiene dos electrones; concretamente, el par de enlace compartido con el nitrógeno.
Por tanto, no necesitamos añadir más electrones a ninguno de los hidrógenos. Podemos pasar al siguiente paso: añadir los electrones restantes al átomo central, el nitrógeno. Primero, cuenta cuántos electrones has añadido ya a la estructura. En este caso, hemos añadido tres pares de enlace, por lo que ya tenemos 3(2) = 6 electrones. Antes hemos calculado que el amoníaco tiene ocho electrones de valencia, por lo que todavía tenemos que añadir 8 - 6 = 2 electrones. Los añadimos al átomo central, el nitrógeno, como par no enlazante.
Contemos los electrones alrededor del nitrógeno. Tiene tres pares de enlace y un par solitario, lo que le da 3(2) + 2 = 8 electrones. Por lo tanto, tiene una capa exterior completa: no necesitamos formar más enlaces covalentes.
¡Nuestro diagrama de puntos de Lewis está completo!
Aquí tienes un ejemplo un poco más difícil, para que lo intentes.
Dibuja un diagrama de puntos de Lewis para el ion carbonato, CO32-.
En primer lugar, vamos a contar el número de electrones de valencia. El carbono está en el grupo IV, lo que le da cuatro electrones de valencia. El oxígeno está en el grupo VI, lo que le da seis electrones de valencia. Sin embargo, este es un ion negativo con una carga de 2. Por lo tanto, tiene dos electrones adicionales. Esto significa que el número total de electrones de valencia es 4 + 3(6) + 2 = 24.
A continuación, dibuja los diferentes átomos. Esta molécula está formada por un átomo de carbono rodeado por tres átomos de oxígeno. Añade los enlaces entre cada átomo de oxígeno y el átomo de carbono; deberías obtener algo así:
A continuación, añade electrones a los átomos externos, hasta que todos tengan las capas externas llenas. Cada átomo de oxígeno ya tiene dos electrones en su capa externa, gracias al par de enlace que comparte con el carbono, así que solamente tenemos que añadir seis más a cada uno.
Cuenta el número total de electrones que ya has añadido. Aquí tenemos tres pares de enlace y nueve pares no enlazantes, lo que nos da 3(2) + 9(2) = 24 electrones. Sabemos que el ion carbonato tiene 24 electrones de valencia. Por tanto, no podemos añadir más al átomo central, el carbono. Pero, si observamos este átomo de carbono, podemos ver que no tiene una capa externa completa: solo tiene seis electrones de valencia, y lo ideal es que tenga ocho. Para solucionarlo, utilizamos un par de electrones no enlazantes de uno de los átomos de oxígeno para formar otro par enlazante, creando un doble enlace entre el carbono y el oxígeno.
Ahora todos los átomos tienen las capas externas llenas. Solo queda una cosa por hacer: no te olvides de añadir símbolos de carga a la molécula, para mostrar que es un ion 2.
Aquí tienes tu diagrama de puntos de Lewis final:
¿Por qué son importantes los diagramas de puntos de Lewis?
Hasta ahora hemos averiguado qué son los diagramas de puntos de Lewis y hemos visto algunos ejemplos de moléculas sencillas. También hemos intentado dibujar diagramas de puntos de Lewis para moléculas más complicadas.
Pero, ¿por qué necesitamos saber cómo hacerlo y por qué son importantes los diagramas de puntos de Lewis?Los diagramas de puntos de Lewis nos muestran el número y si los electrones de valencia de cada átomo de una molécula son enlazantes o no enlazantes. Con un diagrama de puntos de Lewis, podemos ver claramente cuántos pares no enlazantes y pares de electrones enlazantes tiene un átomo, y si estos forman parte de un enlace simple, doble o triple.
Conocer la disposición de los electrones de valencia de una molécula es útil por varias razones:
- En primer lugar, nos permite predecir su forma y el ángulo entre los enlaces, así como las longitudes de los enlaces. Esto se conoce como geometría molecular.
- En segundo lugar, también nos ayuda a predecir cómo reacciona la molécula y cuáles son sus propiedades.
La geometría molecular se basa en una teoría denominada Teoría de repulsión de pares de electrónicos de la capa de valencia o TRPECV y tiene que ver con el número de pares de electrones solitarios y enlazados de un átomo. Puedes encontrar más información en Teoría de Repulsión de los Pares Electrónicos de la Capa de Valencia (TRPECV).
Eso es todo en este artículo. Ahora deberías interpretar y dibujar modelos de Lewis para toda una variedad de especies diferentes, además de entender la importancia de estos diagramas.
Modelos de Lewis - Puntos claves
- Los diagramas de puntos o modelos de Lewis son representaciones simplificadas de los electrones de valencia de una molécula. Muestran los átomos de la molécula, los electrones de valencia y sus enlaces.
- Los modelos de Lewis se basan en la regla del octeto, que estable que los átomos son más estables cuando tienen las capas externas llenas.
- Cuando se trata de iones, los modelos de Lewis deben considerar y representar las cargas.
- Los electrones se muestran como puntos y los enlaces covalentes se muestran como líneas.
- Los modelos de Lewis son importantes, porque nos ayudan a predecir la interacción entre los electrones de cada átomo y la geometría de una molécula.
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