5.3.1: Diagramas de Lewis y propiedades biológicas y químicas

Diagramas de Lewis en Biología

Un primer paso para obtener una idea de las propiedades biológicas de los átomos o compuestos es dibujar sus diagramas de Lewis. Por ejemplo, exploraremos el fluoruro de litio y el cloruro de sodio a continuación. El fluoruro de litio y el cloruro de sodio son similares en algunos aspectos: Ambos contienen 1+ iones de metal alcalino y iones 1-halógeno; ambos son sólidos cristalinos blancos de alto punto de fusión; y ambos se disuelven en agua para hacer soluciones conductoras.

Pero como hemos llegado a sospechar, las propiedades biológicas son bastante diferentes, y deben ser consideradas junto con las propiedades químicas. El fluoruro de litio es muy tóxico ^[1] Debido al pequeño tamaño del ion litio, causa desequilibrios de iones (electrolitos) y, por supuesto, es un sedante fuerte. El ion fluoruro forma ácido fluorhídrico en el estómago que es muy corrosivo e interrumpe el metabolismo ^[2]. El cloruro de sodio (sal de mesa) es mucho menos tóxico, con dosis altas que conducen a hipertensión crónica.

G.N. Lewis utilizó diagramas simples (ahora llamados “Diagramas de Lewis”) para realizar un seguimiento de cuántos electrones estaban presentes en la capa más externa, o valencia, de un átomo dado. El núcleo del átomo, es decir, el núcleo junto con los electrones internos, está representado por el símbolo químico, y solo los electrones de valencia se dibujan como puntos que rodean al símbolo químico. Así, los tres átomos mostrados aquí de la Figura 1 de Electrones y Valence pueden ser representados por los siguientes diagramas de Lewis:

 

El helio tiene una concha llena de dos puntos rojos. El cloro tiene 2 puntos rojos en su caparazón más interior, seguidos de 8 puntos rojos en la siguiente concha. El caparazón más exterior tiene 7 puntos rojos. El potasio tiene 2 puntos en su caparazón más interno seguido de 8 puntos rojos respectivamente para las siguientes dos conchas. El caparazón más exterior tiene 1 punto rojo.

Figura\(\PageIndex{1}\) La estructura de concha de los átomos de He, Cl y K, como sugiere Lewis.

 

El helio es H e con dos puntos negros a la derecha. El cloro es C l con 2 a la izquierda, arriba y a la derecha con 1 punto único en la parte inferior. El potasio es K con un punto a la derecha.

Si el átomo es un átomo de gas noble, son posibles dos procedimientos alternativos. O podemos considerar que el átomo tiene electrones de valencia cero o podemos considerar la cáscara llena más externa como la capa de valencia. Los tres primeros gases nobles pueden escribirse así como

 

El helio se muestra como H e solo o H e con dos puntos a la derecha. El neón se muestra como N e solo o N e con dos puntos a la izquierda, arriba, derecha e inferior respectivamente. El argón se muestra como A r solo o A r con dos puntos a la izquierda, arriba, derecha e inferior respectivamente.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Lewis Diagrams

Dibuja diagramas de Lewis para un átomo de cada uno de los siguientes elementos:

Li N F Na

Solución Encontramos de la tabla periódica dentro de la portada que Li tiene un número atómico de 3. Contiene así tres electrones, uno más que el gas noble He. Esto significa que la capa más externa, o valencia, contiene solo un electrón, y el diagrama de Lewis es

Siguiendo el mismo razonamiento, N tiene siete electrones, cinco más que He, mientras que F tiene nueve electrones, siete más que He, dando

 

El nitrógeno es N con dos puntos a la izquierda y un punto en la parte superior, derecha e inferior respectivamente. El flúor es F con dos puntos a la izquierda, arriba y derecha, y 1 punto debajo.

Na tiene nueve electrones más que He, pero ocho de ellos están en el núcleo, correspondientes a los ocho electrones en la capa más externa de Ne. Dado que Na tiene solo 1 electrón más que Ne, su diagrama de Lewis es

Observe del ejemplo anterior que los diagramas de Lewis de los metales alcalinos son idénticos a excepción de sus símbolos químicos. Esto concuerda muy bien con el comportamiento químico muy similar de los metales alcalinos. De igual manera, los diagramas de Lewis para todos los elementos de otros grupos, como las tierras alcalinas o los halógenos, tienen el mismo aspecto. Los diagramas de Lewis también se pueden utilizar para predecir las valencias de los elementos. Lewis sugirió que el número de valencias de un átomo era igual al número de electrones en su caparazón de valencia o al número de electrones que tendrían que agregarse a la capa de valencia para lograr la estructura electrónica de la carcasa del siguiente gas noble. Como ejemplo de esta idea, considera los elementos Be y O. Sus diagramas de Lewis y los de los gases nobles He y Ne son

 

Las estructuras de Lewis son H e, B e con dos puntos a su derecha, O con dos puntos a la izquierda, arriba e inferior respectivamente. N e con dos puntos a la izquierda, arriba, derecha e inferior respectivamente.

Comparando Be con He, vemos que el primero tiene dos electrones más y por lo tanto debería tener una valencia de 2. Se podría esperar que el elemento O tenga una valencia de 6 o una valencia de 2 ya que tiene seis electrones de valencia, dos menos que Ne. Utilizando reglas de valencia desarrolladas de esta manera, Lewis pudo dar cuenta del incremento y disminución regulares en los subíndices de los compuestos en la tabla siguiente. Por ejemplo, razonó que el litio perdería un electrón por el flúor, formando Li ⁺ F tóxico ^-:

 

Se muestran los orbitales atómicos de L i y F. El electrón en la capa más externa del litio tiene una flecha que apunta hacia el orbital más externo del flúor, lo que indica la transferencia de electrones.

Figura\(\PageIndex{2}\) Formación de iones mediante la consecución de estructuras de gas inerte ^[3]

O que el cloro ganaría un electrón del sodio para formar Na ⁺ Cl ^-:

Unión Iónica [chemwiki.ucdavis.edu]

Figura\(\PageIndex{3}\) Formación de iones mediante la consecución de estructuras de gas inerte ^[4]

De igual manera, el oxígeno ganaría un electrón de cada uno de los dos iones de sodio para formar Na ⁺ ₂ O ^- no tóxico, otro de los compuestos pronosticados con éxito en la tabla.

Además pudo dar cuenta de más del 50 por ciento de las fórmulas de la tabla. (Los que concuerdan con sus ideas están sombreados en color o gris en la tabla. Es posible que desee referirse ahora a esa tabla y verificar que algunas de las fórmulas indicadas siguen las reglas de Lewis.) El éxito de Lewis en este sentido dio una clara indicación de que los electrones fueron el factor más importante para mantener unidos los átomos cuando se formaron las moléculas.

Tabla\(\PageIndex{1}\) Compuestos de Hidrógeno, Oxígeno y Cloro

A pesar de estos éxitos, también hay dificultades que se encuentran en las teorías de Lewis, en particular para los elementos más allá del calcio en la tabla periódica. El elemento Br (Z = 35), por ejemplo, tiene 17 electrones más que el gas noble Ar (Z = 18). Esto nos lleva a concluir que Br tiene 17 electrones de valencia, lo que hace que sea incómodo explicar por qué Br se parece tanto a Cl y F a pesar de que estos dos átomos tienen sólo siete electrones de valencia.

De ChemPrime: 5.2: Lewis Diagramas

Referencias

1. www.Sciencelab.com/xmsds-lith... uoride-9927212
2. Toxicidad por Fluoruro [emedicine.medscape.com]
3. es.wikipedia.org/wiki/Ionic_bond
4. es.wikipedia.org/wiki/Ionic_bond