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1.6: Estructuras de Lewis y Cargos Formales (Revisión)

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    Objetivo de aprendizaje

    Dibujar, interpretar y convertir entre estructuras de Lewis (Kekule), Condensed y Bond-line

    Nota: La revisión de química general en las secciones 1.3 - 1.6 se integra en el anterior Objetivo de Aprendizaje para la química orgánica en las secciones 1.7 y 1.8.

    Estructuras de Lewis

    Las estructuras de Lewis, también conocidas como diagramas de puntos de Lewis, muestran la relación de unión entre los átomos de una molécula y los pares solitarios de electrones en una molécula. Si bien inicialmente puede ser útil escribir los electrones compartidos individuales, este enfoque rápidamente se vuelve incómodo.

    Una sola línea se utiliza para representar un par de electrones compartidos. Las representaciones de líneas solo se utilizan para electrones compartidos. Los electrones de pares solitarios (no compartidos) todavía se muestran como electrones individuales. Los enlaces dobles y triples también se pueden comunicar con líneas como se muestra a continuación.

    2 electrones compartidos forman un enlace sencillo que se muestra como ':' o '—'

    4 electrones compartidos forman un doble enlace que se muestra como ': :' o' = '

    6 electrones compartidos se forman en el triple enlace mostrado como ': ::' owade 1.6 triple.svg

    Los electrones no compartidos también se llaman 'Pares Solitarios' y se muestran como ':'

    mulitple bonds.jpg

    Dibujo de Pares Solitarios

    Dado que los electrones del par solitario a menudo NO se muestran en las estructuras químicas, es importante agregar mentalmente los pares solitarios. Al principio, puede ser útil agregar físicamente los electrones del par solitario.

    pares solitarios lewis struct.jpg

    Patrones de unión

    Para la química orgánica, los patrones de unión comunes de carbono, oxígeno y nitrógeno tienen aplicaciones útiles a la hora de evaluar estructuras químicas y reactividad.

    unión neutra patterns.jpg

    Cargos formales

    Las moléculas orgánicas también pueden tener cargas positivas o negativas asociadas con ellas. Durante las reacciones químicas, es común tener reactivo de carga, intermedios y/o productos. Reconocer y distinguir entre patrones de vinculación neutros y cargados será útil en el aprendizaje de los mecanismos de reacción. Consideremos la estructura Lewis del metanol, CH 3 OH (el metanol es el llamado 'alcohol de madera' que los trafistas sin escrúpulos vendían a veces durante los días de prohibición en la década de 1920, haciendo que muchas veces las personas que lo bebían quedaran ciegas). El metanol en sí es una molécula neutra, pero puede perder un protón para convertirse en un anión molecular (CH 3 O -), o ganar un protón para convertirse en un catión molecular (CH 3 OH 2 +).

    alt

    El anión molecular y el catión tienen cargas globales de -1 y +1, respectivamente. Pero podemos ser más específicos que eso -también podemos afirmar para cada ion molecular que una carga formal se localiza específicamente en el átomo de oxígeno, más que en el carbono o cualquiera de los átomos de hidrógeno.

    Descubrir la carga formal en diferentes átomos de una molécula es un proceso sencillo, es simplemente una cuestión de sumar electrones de valencia.

    Un átomo de oxígeno no unido tiene 6 electrones de valencia. Sin embargo, cuando se une como parte de una molécula de metanol, un átomo de oxígeno está rodeado por 8 electrones de valencia: 4 electrones no enlazantes (dos 'pares solitarios') y 2 electrones en cada uno de sus dos enlaces covalentes (uno al carbono, uno al hidrógeno). En la convención formal de carga, decimos que el oxígeno 'posee' los 4 electrones no enlazantes. Sin embargo, solo 'posee' un electrón de cada uno de los dos enlaces covalentes, porque los enlaces covalentes implican la compartición de electrones entre átomos. Por lo tanto, el átomo de oxígeno en metanol posee 2 + 2 + (½ x 4) = 6 electrones de valencia.

    alt

    La carga formal sobre un átomo se calcula como el número de electrones de valencia propiedad del átomo aislado menos el número de electrones de valencia propiedad del átomo unido en la molécula:

    Determinar la carga formal sobre un átomo

    cargo formal =

    (número de electrones de valencia propiedad del átomo aislado)

    - (número de electrones de valencia propiedad del átomo unido)

    o..

    cargo formal =

    (número de electrones de valencia propiedad del átomo aislado)

    - (número de electrones no enlazantes en el átomo unido)

    - (½ el número de electrones de unión en el átomo unido)

    Usando esta fórmula para el átomo de oxígeno del metanol, tenemos:

    carga formal sobre oxígeno =

    (6 electrones de valencia en átomo aislado)

    - (4 electrones no enlazantes)

    - (½ x 4 electrones de unión)

    = 6 - 4 - 2 = 0. Así, el oxígeno en metanol tiene una carga formal de cero (es decir, no tiene carga formal).

    ¿Qué tal el átomo de carbono en metanol? Un carbono aislado posee 4 electrones de valencia. El carbono unido en metanol posee (½ x 8) = 4 electrones de valencia:

    alt

    carga formal sobre carbono =

    (4 electrones de valencia sobre átomo aislado)

    - (0 electrones no unientes)

    - (½ x 8 electrones de unión)

    = 4 - 0 - 4 = 0. Por lo que la carga formal sobre el carbono es cero.

    Por cada uno de los hidrógenos en metanol, también obtenemos una carga formal de cero:

    carga formal sobre hidrógeno =

    (1 electrón de valencia sobre átomo aislado)

    - (0 electrones no enlazantes)

    - (½ x 2 electrones de unión)

    = 1 - 0 - 1 = 0

    Ahora, veamos la forma catiónica del metanol, CH 3 OH 2 +. El panorama de unión no ha cambiado para el carbono ni para ninguno de los átomos de hidrógeno, por lo que nos centraremos en el átomo de oxígeno.

    alt

    El oxígeno posee 2 electrones no enlazantes y 3 elecciones de unión, por lo que los cálculos formales de carga se convierten en:

    carga formal sobre oxígeno =

    (6 electrones de valencia en átomo aislado)

    - (2 electrones no enlazantes)

    - (½ x 6 electrones de unión)

    = 6 - 2 - 3 = 1. Una carga formal de +1 se localiza en el átomo de oxígeno.

    Para metóxido, la forma aniónica del metanol, el cálculo para el átomo de oxígeno es:

    carga formal sobre oxígeno =

    (6 electrones de valencia en átomo aislado)

    - (6 electrones no enlazantes)

    - (½ x 2 electrones de unión)

    = 6 - 6 - 1 = -1. Una carga formal de -1 se localiza en el átomo de oxígeno.

    alt

    Una regla muy importante a tener en cuenta es que la suma de las cargas formales sobre todos los átomos de una molécula debe ser igual a la carga neta en toda la molécula.

    Al dibujar las estructuras de las moléculas orgánicas, es muy importante mostrar todos los cargos formales distintos de cero, teniendo claro dónde se encuentran las cargas. Una estructura a la que le faltan cargos formales distintos de cero no se dibuja correctamente, ¡y probablemente se marcará como tal en un examen!

    En este punto, pensando en lo que aprendiste en química general, probablemente te estés preguntando “¿Qué pasa con los dipolos? ¿Un átomo de oxígeno en un enlace O-H no 'posee' más de la densidad electrónica que del hidrógeno, por su mayor electronegatividad?” Esto es absolutamente correcto, y posteriormente estaremos revisando el concepto de dipolos bond. Con el propósito de calcular las cargas formales, sin embargo, los dipolos de enlace no importan; siempre consideramos que los dos electrones en un enlace se comparten por igual, aunque eso no sea un reflejo exacto de la realidad química. Los cargos formales son solo eso: una formalidad, un método de contabilidad electrónica que está ligado al sistema Lewis para dibujar las estructuras de compuestos orgánicos e iones. Posteriormente, veremos cómo el concepto de carga formal puede ayudarnos a visualizar cómo reaccionan las moléculas orgánicas.

    Por último, no se dejen llevar a pensar que solo porque la carga neta en una estructura es cero no hay átomos con cargas formales: un átomo podría tener una carga formal positiva y otro una carga formal negativa, y la carga neta seguiría siendo cero. Los zwitteriones, como los aminoácidos, tienen cargas formales tanto positivas como negativas en diferentes átomos:

    alt

    A pesar de que la carga neta sobre glicina es cero, sigue siendo necesario mostrar la ubicación de los cargos formales positivos y negativos.

    Ejercicio 1.4

    Rellene todos los electrones de pares solitarios y cargas formales que faltan en las estructuras a continuación. Supongamos que todos los átomos tienen una completa capa de valencia de electrones. Los cargos netos se muestran fuera de los corchetes.

    alt

    Soluciones a los ejercicios


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