Et voi riittävästi ymmärtää Lewisin happoteoriaa pääryhmän alkuaineiden osalta, jos vain piirrät yksinkertaisia Lewisin rakenteita (joissa pitäisi määritelmän mukaan olla täydet oktetit kaikilla pääryhmän alkuaineilla) ja sitten yrität löytää elektroniparin akseptoreita. No, ollakseni täysin rehellinen, booriyhdisteiden kohdalla saattaa käydä tuuri, mutta peli loppuu siihen.
Vähemmistölle on suhteellisen selvää, että metallikationit voivat toimia Lewis-happoina: ne ovat positiivisesti varautuneita, koska ne ovat menettäneet vähintään yhden elektronin. Niillä on myös suhteellisen matalalla olevia orbitaaleja (esim. se, joka menetti elektronin), joiden kanssa Lewisin emäkset voivat olla vuorovaikutuksessa. $\ce{CO2}$:n kaltaisiin molekyyleihin on kuitenkin kohdistettava enemmän ajatuksia.
$ $\ce{CO2}$:n kaltaisen molekyylin analysoimiseksi on aluksi pohdittava kyseisten sidosten napaisuutta. Jaksollisuustaulukko tai mikä tahansa tietosivu, johon haluat tutustua, kertoo meille, että happi on paljon poolisempi kuin hiili; siksi sidokset ovat poolisoituneet hapen suuntaan. Tätä voidaan havainnollistaa alla esitetyllä osittaisvarausformalismilla.
$$\ce{\overset{\delta -}{O}=\overset{\delta +}{C}=\overset{\delta -}{O}}\tag{1}$$$
Tämä ensimmäinen kuvaus kertoo jo, että hiili on jokseenkin ”elektronivapaa”. Vaikka se ei sinänsä ole vielä todiste Lewisin happamuudesta, se on vahva vihje. Syvemmälle sukeltaen olisi tarkasteltava $\ce{CO2}$:n molekyyliorbitaaleja. Siinä on kaksi symmetrialtaan yhtäpitävää mutta kohtisuoraa π-systeemiä, joissa molemmissa on neljä elektronia, ja molempia voidaan pitää allyylianionityyppisenä π-systeeminä. Koska se on täysin symmetrinen, voimme piirtää seuraavat kolme resonanssirakennetta (selvennykseksi allyylianioni $\ce{C3H5-}$, on myös sisällytetty kaavioon).
$$$\begin{array}{ccccc}\ce{O=C=O &<->& \overset{+}{O}#C-\overset{-}{O}#C-\overset{-}{O} &<->& O=\overset{+}{C}-\overset{-}{O}}\\\ce{H2\overset{-}{C}-CH=CH2 &<->& H2C=CH-\overset{-}{C}H2 &<->& H2\overset{-}{C}-\overset{+}{C}H-\overset{-}{C}H2}\end{array}\tag{2}$$$
Tässä kuvauksessa, Olen valinnut vasemmanpuoleisen kaksoissidoksen kuuluvan kohtisuoraan π-systeemiin ja oikeanpuoleisen kaksoissidoksen olevan mielenkiintoinen analoginen allyylianionin kanssa. Näin ollen hiilidioksidin vasemmassa puoliskossa on aina yksi sidos enemmän kuin allyylianionissa. Vasemmanpuoleisimman allyylianionin hiilessä oleva negatiivinen varaus (eli yksinäinen pari) vastaa hiilidioksidin vasemmanpuoleisimman hapen yksinäistä paria; yksinäistä paria ei ole sopimuksen mukaan merkitty.
Näissä kuvauksissa voidaan havaita resonanssirakenne, jossa hiilidioksidin hiilellä on positiivinen varaus ja näin ollen elektronisextetti. Jos tarkastellaan varsinaisia kyseisiä orbitaaleja, kahdella asutulla sidosorbitaalilla (toista voidaan kutsua ei-sitovaksi) on suuri hapen kontribuutio, kun taas ei-sitovalla π3-orbitaalilla on ensisijaisesti hiili-keskeinen orbitaali. Tämä orbitaali on myös pienin miehittämätön molekyyliorbitaali (LUMO) ja siten se, josta olemme kiinnostuneita määritettäessä Lewisin happamuutta. Huomaamme, että se on energeettisesti matalalla sijaitseva ja helposti saavutettavissa, ja siksi Lewisin emäkset (esim. hydroksidi, ammoniakki) voivat helposti vuorovaikuttaa sen kanssa.
Lewisin happo-emäsreaktio voidaan arvata myös resonanssirakenteita tarkastelemalla. Koska Lewisin emäs vuorovaikuttaa antisidoksisen π3-orbitaalin kanssa, se katkaisee yhden $\ce{C=O}$-kaksoissidoksista, mikä johtaa seuraavaan rakenteeseen:
$$\ce{\color{cyan}{O}=C=O + \color{blue}{O}H- -> H\color{blue}{O}-C(=\color{cyan}{O})-\overset{-}{O}}}\tag{3}$$$
Merkitsin happigeenit sinisellä ja syaaninvärisellä värillä (ja mustalla värillä), niin että ne voidaan erottaa toisistaan.