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1、路易斯结构式及其书写方法 杨 ? 帆 1, 黄小军2, 李仲辉2 ( 1?四川教育学院 网络与信息管理中心, 成都 ? 610041; 2?四川教育学院 化学系, 成都?610041)* 摘? 要: 文章介绍了路易斯结构的基本概念和书写路易斯结构式的重要方法, 从价壳占据度讨论物种的化 学稳定性和化学性质, 路易斯结构的多重键、 局限性以及共振理论等。 关键词: 共价键; 路易斯结构式; 孤对电子; 书写方法; 共振理论 Lewis Structure and ItsW ritingM ethods Abstract : This paper introduces the basic conc
2、epts of Lew is structure and its writing methods . Through the occupation of valence shel, lit discusses specieschemical stability and property, Lew iss multiple bonds and resonance theory . Key words : covalent bond ; Lew is structure ;lone pair electron; writing methods ;resonance theory 中图分类号: O6
3、? ? 文献标识码: A? ? 文章编号: 1000? 5757( 2008) 01?0106?04 ? ? 著名美国化学家路易斯 ( GilbertN e wton Lewis , 1875 1946年 ) 在化学科学方面的建树颇丰, 涉及化学热力学、 酸碱理论和共价键理论等方面。 1路易斯最初在化学键的 教学中用元素符号表示原子实 (即原子核和全部内层电 子 ), 用短棍表示共价键, 用小黑点表示价电子或未成键电 子画在元素符号外面, 以表示化学键成键情况和原子、 分子 或离子的电子结构 2。这种价键模型, 称为路易斯结构式 ( Le w is Structure)。它因简单、 直观并能解
4、释化合物分子的 化学键, 而备受化学家喜爱, 成为化学科学中最常用的价键 模型之一。路易斯结构式是中学化学竞赛, 尤其是国际奥 林匹克化学竞赛的知识点, 也是学好化学、 正确书写化学结 构式的基础 3。但目前国内的大学化学教材却忽视了路 易斯结构式及其书写方法的教学, 致使本应在中学掌握的 知识点, 到了大学、 甚至研究生也未掌握, 给有机化学及其 反应机理的学习带来困难。因此, 本文从概念、 书写方法和 局限性等方面, 详细介绍路易斯结构式, 以弥补我国大学化 学教学在这一基本知识方面的不足。 1、 路易斯结构中的几个基本概念 4 1. 1路易斯电子结构式? 共价键概念: 路易斯于 1916
5、年 2 提出了共价键的概念, 他认为原子之间可通过电子配对成 键 (共价键 ), 使原子能够达到稳定的惰性气体的电子构 型。例如: H + CI ! H! CI ! 即 H- CI ! 3H + N ! H! N H H ! 即 H- N | H | H ! 这种氢外层具有惰性气体氦的两电子构型, 氯、 氮外层 具有惰性气体氖的八电子构型结构的现象, 通称 # 八隅体 规则。两个原子间的一对电子表示共价单键, 两个原子 间两对或叁对电子分别表示共价双键和共价叁键, 孤电子 对 (即非键电子 )用小黑点表示。 1 . 2(原子的 )价层占据度: 它等于键连原子的全部共价键 中的电子总数与原子周围
6、的全部非共享电子数之和。正确 的路易斯结构式中, 氢的价层占据度不大于 2, 第二周期元 素的价层占据度不大于 8 , 而第三周期元素的价层占据度 可以是 10或者 12 。 1 . 3(原子的 )形式电荷: 它是从路易斯结构中假想出来的 电荷 (即表观电荷 ), 它能显示路易斯结构的相对稳定性 (称形式电荷原则 ): % 路易斯结构的形式电荷愈低愈稳 定; 相邻 原子应带相反的形式电荷。每个原子的形式电荷等于原子 的价层电子数 (Nv . e)减去未共享电子数 (Nus. e), 再减去成 键电子数的二分之一 ( 1/2Nb . e .)。即: 形式电荷 = Nv . e .- Nus. e
7、 .- 1/2Nb . e .。 如 H?O - ! 中, H: Nv . e= 1, Nus. e= 0, ?1/2Nb . e .= 2/2 = 1, 形式电荷数 = 1- 0- 1 = 0; 106 第 24卷? 第 1期 Vo. l 24 ? ? ? ? ? ? ? ? 四川教育学院学报 J OURNAL OF SI CHUAN COLLEGE OF EDUCATI ON 2008年 1月 Jan. 2008 *收稿日期: 2007?12?10 ? 作者简介: 杨? 帆 ( 1957?), 男, 四川安岳, 讲师, 研究方向: 高等教育管理、 化学教育; 李仲辉 ( 1963?), 男
8、, 四川眉山, 博士, 教授, 研究方向: 有机光电子材料。 O: Nv . e= 6, ? Nus. e= 6, ?1/2Nb . e .= 2/2 = 1 , 形式电荷 数 = 6- 6- 1=- 1; B: Nv . e= 3, ? Nus . e=0, ?1/2Nb . e .= 8/2 = 4, 形式电荷 数 = 3- 0- 4= - 1; F : Nv . e= 7, ? Nus. e= 6 , ?1/2Nb. e .= 2/2= 1, 形式电荷 数 = 7- 6- 1= 0; 1. 4 (物种的 )净电荷: 在路易斯结构式中, 全部原子的形式 电荷的代数和与物种的净电荷数相等。形
9、式电荷虽说是一 种假想电荷, 但在稳定的路易斯结构中, 形式电荷仍表示出 了分子或离子中电荷的大致分布情况, 对判断其化学性质 非常有用。例如: H?O - ! (羟基负离子 ), 氧原子上带负电荷, 是物种 中的富电子部位, 因此卤代烃发生碱性水解时, 自然是羟基 中的氧进攻卤代烃的碳, 形成新的 O - C共价键, 即生成 醇。再如: R- N = N + =N - ! (叠氮化合物 )中, 三个 N 原 子带不同的电荷, 其上的电子云密度也就不同, 反应性自然 差别很大。 2、 路易斯结构式的书写方法 5 , 6 路易斯价键理论的核心是离子的键合力来自带相反电 荷的离子间的静电吸引力,
10、而共价的键合力来自原子之间 电子对的共享。因此书写路易斯结构式的关键是原子及其 电子的表示方法, 应遵循三个原则: a , 价层占据度原则; b , 共价键数目最多原则; c , 未共享价电子数最少原则。此理 论的核心是原子间有通过共用电子对形成最外层 8个电子 的惰性气体稳定电子结构 ( ns 2np6) (氢除外 )的趋向。故路 易斯价键理论又称八隅体规则。 2. 1各类物种的路易斯结构表示方法 路易斯用元素符号表示原子实, 小黑点标示价电子, 画 在元素符号外面。例如原子: ! Br (溴原子 )、 N a(钠离 子 )。原子得到或失去电子形成离子, 离子的电荷 (净电 荷 )数等于中性
11、原子的价层电子数减去明确标示出来的电 子数。如: !Br - ! (溴离子 )、 Na+(钠离子 )。离子化合物 由带相反电荷离子的路易斯结构式表示: Na+!Br - ! (溴化钠 )。在共价化合物的路易斯结构式 中, 每一对共享电子 (共价键 )用一根短棍表示, 非共享价 电子仍用小黑点标出。如: H - O - H (水分子 )。 2. 2复杂体系的路易斯结构式书写方法 要正确书写路易斯结构式, 对初学者来说实非易事, 因 此化学家总结出了不少书写方法, 这里介绍两种重要的。 2. 2 . 1成键数 - 孤电子对数法 首先算出分子结构中的成键数 (按惰性气体电子结构 计算的各原子最外层电
12、子数之和与各原子价电子总数之差 的二分之一 )和孤电子对数 (等于各原子价电子数之和与 成键电子总数之差的二分之一 ), 然后按照正确的原子间 连接规则写出较稳定的路易斯结构式。例如: H2O: 成键数 = ( 2) 2+ 8) - ( 1) 2+ 6) /2= 2 孤电子对数 = (1) 2+ 6) - 2) 2 /2= 2 所以 H2O 的路易斯结构式: H- O - H NH3: 成键数 = ( 8+ 2) 3) - ( 5+ 1) 3) /2= 3 孤对电子对数 = (5+ 1) 3) - 3) 2 /2= 1 所以 NH3的路易斯结构式: H - N | H | H ! 2 . 2.
13、 2分步法 ( Step?By?StepApproach) 对于简单分子, 成键数? 孤电子对数法书写路易斯结构 简单明了, 但对于复杂分子, 应用此法往往无从下手, 且易 出错。这时分步法显示出更大的优越性。下面以氯酸根离 子为例详细介绍此方法。 第一步: 确定分子的价电子总数。对于中性分子, 其价 电子总数等于各原子的价电子数之和; 如分子带一个电荷, 其价电子总数需加 (负电荷 )或减 (正电荷 )一个电子。例如 氯酸根离子 ( ClO3 - )的价电子数为: 7+ 3) 6+ 1 =26个。 第二步: 画出分子骨架结构。这一步需要确定分子中 哪些原子通过共价键连在一起。化合物的分子式往
14、往提供 了构建骨架结构的信息。例如氯酸根离子的分子式 ClO3 - 暗示了下列骨架结构: O? Cl | O ? O 画分子骨架是分步法书写路易斯结构的关键。通常, 将电负性相对较小的元素放在分子骨架的中心位置。例如 二氯亚砜 ( SOCl2)和磺酰氯 ( SO2Cl2)可分别画成下列骨架 结构: Cl ?S | O ?Cl ? ? ?Cl ?S | O | O ?Cl 复杂分子的分子式常暗示了分子的骨架结构。例如, 二甲基醚通常写成 CH3OCH3, 其可转化成下列骨架结构: H?C | H | H ? O?C | H | H ? H 第三步: 骨架结构中每两个价电子组成一个共价键。 由此将
15、价电子分成两类: 成键电子和非键电子。由于形成 一个共价键需要两个电子, 用分子的总价电子数减去所有 共价键所含的电子数, 可计算出分子中的非键电子数。如 氯酸根离子: 26(价电子总数 )?6(成键电子数 ) =20 (非 键电子 )。 第四步: 分配剩下的价电子作为非键电子, 让每个原子 周围满足八隅体的稳定电子结构。 Cl O3-中的每个氧原子 已经在 Cl- O共价键中拥有两个电子, 还需要 6个电子才 能满足八隅体规则, 因此三个氧原子共需要 18个非键电 107 第 24卷 (总第 177期 )? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 杨 ? 帆,
16、 黄小军, 李仲辉: 路易斯结构式及其书写方法 108 第 24卷 (总第 177期 )? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 杨 ? 帆, 黄小军, 李仲辉: 路易斯结构式及其书写方法 不都享有八隅体的电子结构; 在 B和 C中正负电荷分离, 而在 A 中则不是。电荷分离是去稳定化因素, 引起路易斯 结构的能量升高。最不稳定的结构是 C, 因为在 C中电负 性大的氧原子带正电荷, 而电负性小的碳原子带负电荷。 这违背了稳定的路易斯结构的另一条原则: 负电荷应在电 负性大的原子上, 而正电荷应在电负性小的原子上。 路易斯结构式, 虽因其简单、 直观并能解释化
17、合物的许 多化学性质, 而备受化学家喜爱, 成为了化学科学中最常用 的价键模型, 但其自身也存在局限性。比如不能解释如下 的实验现象: 在甲酸分子的路易斯结构中, 两个 C?O 键是不同的, 一个是双键, 一个是单键, 与实验事实一致; 而在甲酸负离 子的路易斯结构中, 两个 C?O 键应也是不同的, 一个是双 键, 一个是单键, 而实验测得两个 C?O 键是等长的, 均为 1 . 27? 。这种用单个路易斯结构式不能解释实验结果的现象 在碳酸氢根离子 (HCO3 - )、 碳酸根离子 ( CO32-)、 硝酸根 离子 ( NO3 - )、 硼酸根离子 ( BO3 3- )和二氧化氮分子 (N
18、O2) 等的路易斯结构中也存在。 为了解释这种现象, 美国著名理论化学家 L .Pauling 提出了共振杂化理论 10。 Pauling认为这些物种的单个路 易斯结构式不能代表其真实的结构, 其真实结构是他们所 有可能的路易斯结构式的混合杂化体。路易斯结构越稳 定, 其对真实结构的贡献越大。因此, 甲酸根离子的真实结 构可表示为下列两个路易斯结构式的杂化体, 用双箭号 # 表示这种杂化关系: 甲醛分子的真实结构应表示如下: 由于三个共振杂化体的稳定性依次下降, 所以 A 、 B、 C对 真实结构的贡献也依次减小。而碳酸根离子的三个共振杂化 体对其真实结构的贡献是相同的,因为他们的稳定性相同:
19、 总之, 路易斯结构式是化学科学中最常用的价键模型。 正确书写路易斯结构式、 充分理解路易斯结构式的含义和 局限性、 能应用路易斯结构式的形式电荷和价层占据度分 析物种的稳定性或化学性质, 是学好化学, 尤其是学好有机 化学的基础。 参考文献: 1?Davenport ,D.A. G ilbert N e wton Le w is :1875 - 1946.J . Che m. Ed. , 1984, 61 : 2 。 2、 Lewis , G. N. The Atom and the M olecule .J .Am.Che m.Soc . , 1916 , 38: 762- 786? 3?
20、 中国科技大学化学竞赛辅导组等. 奥林匹克化学竞 赛辅导 (第 2版 ) M . 合肥: 安徽教育出版社, 1997? 4?Servos,J . W.G.N.Lewis :The D isciplinary Set? ting.J .Che m.Ed . ,1984,61: 7。 5、Seaborg, G. T. The Research Style of G ilbert N.Lewis.J . Che m. Ed . , 1984, 61: 93? 6?Lewis , G. N. Valence and the Structure ofA to ms and M olecules.Dove
21、r Publications,Inc . ,NewYork, 1966? 7?The G. N. Le w is Sy mposium,G ilbertN e wton Lewis : Report of the Symposium. J. Che m. Ed . , 1984, 61: 2- 21, 93- 108 , 185- 204? 8? 董学文. 关于路易斯结构式的书写 J? 安庆师范学 院学报 (自然科学版 ), 2005, 11( 2): 119- 120? 9 ?Carey ,F.A.Organic Che m istry ,M c G ram - H il, l Inc . , 1987, P16- 22? 10?Kerber , R.C.If It+ s Resonance , W hat Is Resona ? ting ? J . Che m. Ed . , 2006, 83: 233? (责任编辑: 刘春林? 责任校对: 林? 子 ) 109 第 24卷 (总第 177期 )? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 杨 ? 帆, 黄小军, 李仲辉: 路易斯结构式及其书写方法