硝酸イオンのLewis構造式について

Question

硝酸イオン(NO3-)のLewis構造式が、理解できません。
添付した画像の、左側が正解らしいのですが、自分で書いてみると右側のようになります。
なぜ、左側のようになるのでしょうか？また、私の書いた右側の構造式ではなぜダメなのでしょうか？書く際には、窒素Nについては手が５本、酸素Oについては手が６本になるように書いたつもりです。

htms42 · Accepted Answer

＃３です。
ルイス構造を調べてみました。

仰るように価標を使っている表現であるようです。
私は電子式がルイス構造だと思っていました。

電子式という言葉は辞典には出てきませんね。
「電子式」はルイス構造を考える途中の表現であるということです。
でもルイスは電子式までしか提案していないようです。

「電子対の共有で結合が生じる」という、現在「共有結合」という名前で呼ばれているものを最初に提案したのがルイスです。「不活性元素の電子配置と同じになる」という「オクテット則」を提案したのもルイス（１９１６年）です。共有された電子対を結合線で表して分かりやすくしたのはラングミュア（１９１９年）だそうです。共有結合の理論的な裏付けはハイトラー・ロンドン（１９２３年）によってなされています。

「価標と電子の両方を書く表現」が「ルイス構造」だとされているのは後からそういう形でまとめたものだということになります。見やすくしたということです。
シュライバーの「無機化学」を見ると
「電子を使った表現を完成させたのち、確定した共有電子対を結合線に書き換える」
という手順が示されています。（第２版ｐ６６、第４版ｐ５０）
結合線の数というのは結果として決まるものです。共有されている電子対の数です。
いくつの電子対が共有されるのかはオクテットを満たすようにして決めます。

＞「窒素Nについては手が５本、酸素Oについては手が６本になるように書いたつもりです」のところは、オクテット則を満たすように各原子の周りに電子があり、かつ原子価が、Nなら５、Oなら６となるように書いたと言いたかったのです。

手順の最初に「ルイス構造の中に組み入れる電子の数は、結合に関与する原子の価電子をすべて加えあわせたものである」と書かれています。
Ｎの価電子の数は５、Ｏの価電子の数は６ですがこれを「結合の手の数」とは言わないようです。結合の手の数と言えば原子価の意味で使われているのが普通です。　Ｏの原子価は２です。６ではありません。あなたの書かれたルイス構造式（右側の図）ではＮから結合線が５本出ています。Ｎの周りには電子が１０個あることになります。オクテット則を満たしていません。「手の数が５本」と考えているのが間違いの原因になっています。

＞Hを外す方法でやってみるとできました。これは、他の構造式にでも使えるのでしょうか？例えば、炭酸イオン(CO3^2-)を考えるのであれば、炭酸（H2CO3）を書いて、二つのHを外すという方法でしょうか？

そうです。
中性の分子で構造を書くことができればオクテットは満たされています。
そこから電子対を残してＨだけを外してもオクテットはやはり満たされています。
分子の構造を書くのには馴染んでいますからＨを外す方が簡単なのです。
（オクテット則を満たさないような分子もありますが、一応除外しておきます。）

イオンで考える場合、電荷をどこに所属させるかで混乱します。
電荷は特定の原子ではなくてイオン全体が担っているとします。
考えるべき価電子の数が変化したものでオクテットを満たすように構造を書きます。
いくつかの可能性が考えられる場合には別の判断が入ってきます。
（形式電荷の値が大きくならない表現の方が安定である、等）
ＯＨ^-であればＯで６個、Ｈで１個、イオンの価数から１個、合計８個です。
これで考えます。電荷は[　　]^-　とします。（シュライバーの本では全体に電荷が存在するというのは別の記号で表しています。）これでＨ－Ｏ－Ｈから電子対を残してＨだけを外したものと同じになるはずです。

各原子に電荷を割り振るという表現も出てきます。
シュライバーの本では「形式電荷と酸化数」という別の章で扱っています。
そこの最初に「化学種の電荷はその化学種全体が担っているものであるが、場合によっては各原子に形式電荷を割り付けるのが便利な場合がある」と書かれています。
[ＮＯ３]^-の場合、Ｎに＋、２つのＯにそれぞれ－が割り振られています。質問文にある左の図はこの形式電荷を表している図です。でも単にルイス構造と言えば「全体に電荷が存在する」というところまででいいと思います。「形式電荷も合わせて書く」というのもルイス構造でしょうが別の目的で発展させたものだという理解です。

「形式電荷」は共有されている電子対の電子が平等に両方の原子に所属するとした時の電荷です。
まず全体に電荷が存在するとして電子式を書きます。１対の電子を共有している原子Ｏには７つの電子が所属します。元々酸素の価電子は６つでしたから１つ－が多いです。形式電荷は－です。電子式から２つのＯは同等だということが分かりますからどちらも－になります。Ｎの周りの電子は８個です。電子対が４つありますから４個の電子が所属します。Ｎの価電子は５つのはずでしたから１つ電子が少なくなっています。Ｎに形式電荷の＋が乗ると考えられます。
ただ「形式電荷」という名前が示すように形式的なものです。電子対の電子が対等に共有されているのは同じ原子の間で共有されている電子対の場合だけでしょう。
反対側の極端な「形式電荷」もあり得ます。「共有されている電子対を丸ごと電気陰性度の大きい方に所属させてしまう」とする考え方です。「酸化数はそのように考えた時の形式電荷の値だ」という説明が載っています。
Ｏの酸化数は－２、Ｎの酸化数は＋５になります。

分子の形を定性的に推測するのに最も有効であるとされているものに原子価殻電子対反発モデル（ＶＳＥＰＲモデル）があります。これはルイスの考え方を余り手を加えずに延長したものに基づいています。
そういうことからもルイス構造式を書くというのは意義のあることでしょう。

※ＮＯ３^-＝[ＮＯ３]^-であればＮ１つから価電子が５つ、Ｏ１つから価電子が６つ、イオンの価数から電子が１つ、これで電子は合計が２４個になります。この２４個の電子をオクテットを満たすように４つの原子に割り振ります。この可能性は１つではありません。
分子から考えると可能性が絞られているところからスタートできます。

htms42 · Answer

ルイスの構造式（電子式）では結合線（価標）は使いません。
質問文の中の表現はどちらも違うのではないでしょうか。

水　Ｈ２Ｏの構造式は　Ｈ－Ｏ－Ｈです。
これを電子式で表すと
　　・・　　　　　　　　　　　・・
Ｈ：Ｏ：Ｈ　　です。　Ｈ－Ｏ－Ｈ　　　ではありません。
　　・・　　　　　　　　　　　・・

htms42 · Answer

ルイス構造はイオンでいきなり考えるよりは分子で考えてからＨをはずすと考える方が分かりやすいと思います。
ＯＨ^-の電子式もまずＨ－Ｏ－Ｈの電子式を完成させておいてからＨを外せばいいのです。

硝酸　ＨＮＯ３　　　
亜硝酸　ＨＮＯ２
構造に忠実に書くと
硝酸　ＨＯＮＯ２
亜硝酸　ＨＯＮＯ

亜硝酸は素直な構造になることが分かります。
Ｈ－Ｏ－Ｎ＝Ｏ
これはルイス式で書くのも簡単です。
この時のＮには非共有電子対が１つあります。アンモニアＮＨ３の時と同じです。

硝酸ではここにあと一つＯがくっつきます。
これは配位結合で考えるとうまくいきます。
Ｎの使っていない電子対をそのままＯが取り入れて結合を作ります。
これも電子式で書くのは難しくないと思います。
電子対１つの共有ですから１重結合です。
硝酸の中のＮには二重結合が１つ、一重結合が２つあることになります。

イオンにするにはＨを外せばいいのです。
分子の電子式が描けていれば電子対を残してＨだけを外せばいいので簡単です。
Ｎの周りにある８個の電子は全てＯとの結合に使われています。Ｏは３つついています。
４つの原子は同一平面上にあることが分かります。３つのＯはほぼ正３角形になっています。
イメージとしてはホルムアルデヒドＨ２Ｃ＝Ｏとか尿素(ＮＨ３)2Ｃ＝Ｏと同じ形です。
Ｎ－Ｏ

＞窒素Nについては手が５本、酸素Oについては手が６本になるように書いたつもりです。

この意味が分かりません。
「最外殻にある電子の数が８個になるように書く」というのが基本だとい思いますが

coirn · Answer

端的に言うと、Nは結合手を5本も出せないからです。
基本的に、第2周期元素は結合手を最大4本までしか出せません。
それは軌道的な要因や、立体化学的な要因によります。
ですので、構造としてはNが4本の結合手を出している左のものが正しいということになります。
実際、計算化学によってNO3-の各結合次数は4/3であることが示されています。

硝酸イオンのLewis構造式について

＃３です。

ルイスの構造式（電子式）では結合線（価標）は使いません。

この回答への補足

ルイス構造はイオンでいきなり考えるよりは分子で考えてからＨをはずすと考える方が分かりやすいと思います。

端的に言うと、Nは結合手を5本も出せないからです。

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