路易斯點式圖：原子、離子與共價分子

當化學式無法提供足夠資訊時，路易斯點式圖就開始發揮作用。\(\ce{H2O}\) 告訴你水含有兩個氫原子和一個氧原子，但它沒有顯示哪些電子形成化學鍵、哪些電子以孤電子對形式保留下來，也沒有解釋為甚麼氧通常形成兩個鍵，而氫只形成一個鍵。

在我們建立方法之前，先試著預測一下。氧有六個價電子。這是否代表水分子中的一個氧原子會把六個價電子全部用於成鍵？

不會。氧只有兩個價電子用來形成兩個 O-H 鍵。其餘四個電子以兩個孤電子對的形式保留下來。路易斯點式圖能把這種電子排列顯示出來。

01路易斯點式圖實際顯示甚麼

在成鍵方面，最重要的電子通常是價電子，也就是位於原子最外層電子殼層的電子。

可以把它們想成可用來進行化學「協商」的電子。內層電子已經位於靠近原子核的位置，通常不會參與一般的共價鍵結。

路易斯圖會顯示：

• 每個原子的元素符號
• 以圓點表示的價電子
• 以共價鍵表示的共享電子對
• 以孤電子對表示的未共享電子對
• 當整個粒子是離子時，以方括號和電荷表示

對常見的主族元素而言，元素在週期表中的族別可以告訴你其價電子數。

氦是第 18 族中的例外。它只有兩個電子，因為它的第一電子殼層有兩個電子時就已經填滿。

02單一原子的路易斯點式圖

先從氯開始。

一個氯原子有七個價電子。在畫圖之前，先預測一下這些圓點應該如何排列。你會把七個圓點全部放在元素符號的同一側嗎？

這樣仍然會有七個電子，但無法清楚表達它們的排列方式。一般的路易斯表示法是先在元素符號的四個方向各放置一個電子，然後才開始把電子配對。

因此，氯可以表示為：

   ••
•• Cl ••
   •

總共有七個圓點：

• 三對電子
• 一個未成對電子

這個單獨的未成對電子是一個很有用的線索。氯通常會形成一個共價鍵，讓它可以再共享一個電子，從而達到穩定的外層電子排列。

N

   ••
•  N  •
   •

03單原子離子的路易斯圖

現在假設一個原子得到或失去電子。

這裡最常見的錯誤，是先畫出中性原子，然後只在旁邊加上電荷。電荷並不是裝飾。它表示電子的數目實際上已經改變。

以氧化物離子 \(\mathrm{O}^{2-}\) 為例。

中性氧原子有六個價電子。\(2-\) 電荷表示它得到兩個電子：

\[ 6 + 2 = 8 \text{ 個價電子} \]

因此，它的路易斯圖有八個圓點：

    ••
[•• O ••]²⁻
    ••

請注意兩個重要特徵：

1. O 周圍有八個電子。
2. 整個路易斯符號要放在方括號內，並在括號外標示 \(2-\)。

對於正離子，做法相反：減去電子。

例如，中性鈉原子有一個價電子。鈉離子 \(\mathrm{Na}^{+}\) 已失去這個電子，所以它的路易斯符號沒有圓點：

[Na]⁺

一個方便的規則是：

\[ \text{陰離子中的電子數} = \text{中性原子的價電子數} + \text{負電荷數} \]

\[ \text{陽離子中的電子數} = \text{中性原子的價電子數} - \text{正電荷數} \]

這裡的「加」和「減」有時容易令人混淆。負離子有更多電子，而正離子則有較少電子。

04從原子到共價分子

當兩個原子共享一對電子時，就會形成共價鍵。

這是圓點的意義開始稍微改變的地方。在孤立的原子中，一個圓點屬於該原子。在共價鍵中，一對電子由兩個原子核共享。

我們通常用一條線取代一對共享的圓點：

H:H

變成

H-H

一條線代表兩個電子，而不是一個。

現在就把這一點牢記下來很重要，因為錯誤地把每一個鍵算成一個電子，會造成許多路易斯圖的錯誤。

八隅體概念

許多主族原子在成鍵時，傾向使價電子層具有八個電子。這稱為八隅體規則。

氫不同。它的第一電子殼層只能容納兩個電子，因此氫追求的是雙電子結構，而不是八隅體。

八隅體規則是一個有用的模型，而不是所有粒子都必須遵守的定律。它有一些重要的例外，包括含有硼等元素的分子，以及具有擴展價電子層的粒子。不過，對於這裡討論的常見 HSC 路易斯結構而言，八隅體規則是一個非常好的起點。

05畫分子路易斯結構的可靠方法

對於簡單的共價分子和多原子離子，可依照以下順序進行。

1. 計算所有價電子

把每個原子所提供的價電子加起來。

然後根據電荷作出調整：

• 每有一個負電荷，就加一個電子
• 每有一個正電荷，就減一個電子

2. 選擇中心原子

中心原子通常是能夠形成多個鍵的原子。

在一般的路易斯結構中，氫從不會是中心原子，因為它只能形成一個鍵。

氟和氯等鹵素通常也是末端原子。

3. 用單鍵連接原子

每一個單鍵包含兩個電子。

從總電子數中減去這些成鍵電子。

4. 先完成外圍原子

讓末端原子得到足夠的電子以達到八隅體，但氫除外，因為氫只需要兩個電子。

5. 把剩餘電子放在中心原子上

任何尚未使用的電子都會成為中心原子上的孤電子對。

6. 檢查中心原子

如果中心原子仍未達到八隅體，鄰近原子的一個孤電子對可能需要轉變成第二對或第三對成鍵電子。

這樣就會形成雙鍵或三鍵。

7. 再次計算所有電子

最終結構必須恰好包含你一開始計算出的價電子數。

這最後一次檢查可以找出多得令人意外的錯誤。

06孤電子對不是多餘的電子

孤電子對是一對位於同一個原子上、而且沒有用於成鍵的價電子。

想像一個小組專題中，兩位學生同意共用一本課本。那本共享的課本就像一對成鍵電子。若其中一位學生把另外兩本書完全留給自己使用，就比較像一個孤電子對。

這個類比並不完全準確，因為電子並不是靜止地屬於某個原子的物件。電子密度需要用量子力學來描述，而成鍵電子佔據分子軌域。不過，就路易斯圖而言，「共享電子對」和「孤電子對」是很有用的電子計數概念。

孤電子對很重要，因為它們影響的不只是圖的畫法。之後，它們會幫助你預測：

• 分子形狀
• 鍵角
• 分子極性
• 分子間作用力

所以不要把它們當成可以忽略的剩餘圓點。

H O H

H-O-H

  ••
H-O-H
  ••

07當單鍵不足時

現在考慮 \(\ce{CO2}\)。

如果我們只用單鍵連接所有原子，一開始可能會畫成：

O-C-O

這看起來似乎合理。但路易斯結構受到電子計數的限制，而不是取決於圖看起來是否整齊。

O-C-O

••       ••
••O-C-O••
••       ••

••     ••
O=C=O
••     ••

08單鍵、雙鍵與三鍵

路易斯圖以不同數目的線表示不同數目的共享電子對。

氮分子中的三鍵可以表示為：

:N≡N:

每個氮都有：

• 六個參與三鍵的電子
• 一個含有兩個電子的孤電子對

所以每個氮都有八隅體。

不要把三條鍵線理解成「三個電子」。三條線代表三對電子，因此這個鍵代表六個電子。

09多原子離子的路易斯結構

多原子離子含有數個以共價鍵相連的原子，但整體帶有電荷。

其方法幾乎與中性分子相同。主要差異就在一開始：電荷會改變可用電子的總數。

以銨離子 \(\ce{NH4+}\) 為例。

氮提供五個價電子。四個氫再提供四個：

\[ 5 + 4 = 9 \]

但這個粒子帶有 \(+1\) 電荷，表示少了一個電子：

\[ 9 - 1 = 8 \text{ 個價電子} \]

這八個電子形成四個 N-H 鍵：

    H
    |
[H-N-H]⁺
    |
    H

在 \(\ce{NH4+}\) 中，氮上沒有孤電子對。

把它與中性的氨 \(\ce{NH3}\) 比較：

   ••
H-N-H
   |
   H

氨有三個 N-H 鍵，以及氮上的一個孤電子對。

向氨加入 \(\mathrm{H}^{+}\) 可以形成 \(\ce{NH4+}\)。氮上的孤電子對會參與形成新的 N-H 鍵。

這個比較很有用，因為它顯示電荷可以改變成鍵方式，而不只是改變圖外面的標記。

10最容易犯的路易斯圖錯誤

錯誤 1：把每個鍵算成一個電子

一條鍵線代表兩個電子。

所以三個單鍵包含：

\[ 3 \times 2 = 6 \text{ 個電子} \]

而不是三個電子。

錯誤 2：給氫八個電子

氫的第一電子殼層只需要兩個電子。

如果你發現自己正在氫周圍畫多重鍵或孤電子對，就表示某處出錯了。

錯誤 3：忘記根據離子電荷調整電子數

對 \(\ce{NH4+}\) 而言，要比中性原子原本能提供的電子總數少算一個電子。

對帶負電荷的粒子，則要加上電子。

錯誤 4：完成外圍原子後忘記檢查中心原子

這正是第一次嘗試畫 \(\ce{CO2}\) 時會發生的情況。氧原子可以有完整的八隅體，但碳仍然缺少電子。

一定要檢查每一個原子。

錯誤 5：增加或移除電子，直到圖「看起來正確」

價電子總數是固定的。

你不能為了讓所有原子都達到八隅體而自行加上額外的圓點。如果電子總數不吻合，就應該重新考慮成鍵排列。

錯誤 6：假設八隅體規則沒有例外

八隅體規則對許多簡單結構都非常有效，但它並不是普遍適用。

例如，硼可以形成穩定化合物，而其中硼周圍少於八個電子。第 3 週期及其後的元素，也可能出現在中心原子周圍超過八個電子的結構中。

因此，可以把八隅體規則當作一個有力的模型，再檢查所研究的粒子是否屬於已知的例外情況。

11快速檢查流程

在接受任何路易斯結構之前，檢查以下四點：

1. 電子總數： 圖中是否恰好包含計算所得的價電子數？
2. 氫： 每個 H 是否都有一個鍵，因而能接觸到兩個電子？
3. 外圍原子： 一般主族原子是否在應有的情況下具備完整八隅體？
4. 中心原子： 它是否也有適當的電子排列，還是需要形成多重鍵？

這個檢查流程通常比試圖記住每一種分子的完整圖形更快。

12問題與解答

問題 1

畫出一個中性氟原子的路易斯點式圖。說明它有多少個價電子，以及其中有多少個是未成對電子。

解答 1

一個氟原子有七個價電子，其中一個是未成對電子。

氟位於第 17 族，因此最外層電子殼層有七個電子。先在 F 的四周各放一個電子，再把其餘電子配對。

其中一個可接受的圖是：

   ••
•• F ••
   •

共有三對電子和一個單獨的電子：

\[ 3(2) + 1 = 7 \text{ 個價電子} \]

這個單獨的未成對電子與氟通常形成一個共價鍵的情況一致。常見的陷阱是把「七個價電子」誤解為「七個鍵」。路易斯圓點代表的是電子，而不是鍵。

問題 2

建構氟離子 \(\mathrm{F}^{-}\) 的路易斯圖，並解釋為甚麼它的圓點數與中性氟原子不同。

解答 2

氟離子在 F 周圍顯示八個價電子，整體以方括號包圍，並標示 \(1-\) 電荷。

中性氟有七個價電子。負電荷告訴我們，它得到了一個額外的電子：

\[ 7 + 1 = 8 \text{ 個電子} \]

它的路易斯圖是：

    ••
[•• F ••]⁻
    ••

因此，氟有四對電子和完整的八隅體。

最容易犯的錯誤是畫七個圓點，然後只加上一個負號。這樣做忽略了負電荷在物理上的真正意義：這個離子比中性原子多一個電子。

問題 3

建構 \(\ce{NH3}\) 的路易斯結構。說明氮原子周圍有多少對成鍵電子和多少個孤電子對。

解答 3

\(\ce{NH3}\) 的路易斯結構中有三對 N-H 成鍵電子，以及氮上的一個孤電子對。

氮提供五個價電子，而三個氫原子各提供一個：

\[ 5 + 3(1) = 8 \text{ 個價電子} \]

把氮放在中心，形成三個 N-H 單鍵。這些鍵使用：

\[ 3(2) = 6 \text{ 個電子} \]

還剩兩個電子：

\[ 8 - 6 = 2 \]

它們在氮上形成一個孤電子對：

   ••
H-N-H
   |
   H

每個氫都可以透過一個鍵接觸到兩個電子。氮在三個鍵中有六個電子，加上孤電子對中的兩個電子，因此氮周圍共有八個電子。

這個孤電子對很重要。若省略它，就只能計算到分子八個價電子中的六個。

問題 4

一位學生為 \(\ce{CH2O}\) 提出以下路易斯結構：

H
|
H-C-O

然後在氧上放置三個孤電子對。

判斷這個結構是否有效。如果無效，請建構一個較好的路易斯結構，並解釋原本的結構哪裡有問題。

解答 4

所提出的結構作為完整的路易斯結構是無效的。碳原子的八隅體不完整，因此需要一個 C=O 雙鍵。

首先計算價電子：

• C 提供 4 個
• 兩個 H 原子提供 \(2(1)=2\) 個
• O 提供 6 個

因此：

\[ 4 + 2 + 6 = 12 \text{ 個價電子} \]

所提出的三個單鍵使用：

\[ 3(2) = 6 \text{ 個電子} \]

氧上的三個孤電子對再使用六個電子，所以全部 12 個電子都已用完。

然而，碳周圍只有三個鍵，因此只能接觸到六個電子，而不是八個。

所以，氧上的一個孤電子對必須轉變成第二對 C-O 成鍵電子：

H
 \
  C=O
 /
H
  ••
  ••

或者，把原子排列成另一種方式：

  H
  |
H-C=O
    ••
    ••

最終結構有兩個 C-H 單鍵、一個 C=O 雙鍵，以及氧上的兩個孤電子對。

陷阱在於誤以為只要總電子數正確，就一定能保證結構正確。你還必須檢查每個原子周圍的電子排列。

問題 5

一位學生說：「銨離子 \(\ce{NH4+}\) 的氮上一定有一個孤電子對，因為中性氮一開始有五個價電子。」

利用電子計數檢驗這個說法。

解答 5

這個說法是不正確的：在 \(\ce{NH4+}\) 的一般路易斯結構中，氮上沒有孤電子對。

先計算中性原子所提供的電子：

\[ 5 + 4(1) = 9 \]

\(+1\) 電荷表示這個離子少了一個電子：

\[ 9 - 1 = 8 \text{ 個價電子} \]

四個 N-H 單鍵剛好需要八個電子：

\[ 4(2) = 8 \text{ 個電子} \]

所以結構是：

    H
    |
[H-N-H]⁺
    |
    H

全部八個可用的價電子都已包含在四個鍵中。沒有任何電子剩下形成孤電子對。

氮仍然具有八隅體，因為四個鍵讓氮周圍有八個成鍵電子。

這個誤解來自在成鍵之後仍逐一追蹤氮原本的五個電子。處理路易斯結構時，更好的方法是計算完整粒子的總價電子池。

問題 6

一個假想分子 \(\ce{OF2}\) 含有一個氧原子與兩個氟原子鍵結。

一位學生認為氧應該與兩個氟都形成雙鍵，因為「雙鍵會讓中心原子的八隅體更強」。

建構適當的路易斯結構，並解釋為甚麼不需要所提出的雙鍵。

解答 6

適當的路易斯結構具有兩個 O-F 單鍵、氧上的兩個孤電子對，以及每個氟上的三個孤電子對。不需要雙鍵。

計算價電子：

\[ 6 + 2(7) = 20 \text{ 個價電子} \]

兩個 O-F 單鍵使用四個電子：

\[ 2(2) = 4 \]

因此剩下：

\[ 20 - 4 = 16 \text{ 個電子} \]

要完成兩個氟的八隅體，每個氟都需要六個孤電子對電子：

\[ 2(6) = 12 \text{ 個電子} \]

還剩四個電子，在氧上形成兩個孤電子對。

一個簡潔的圖是：

  ••       ••
••F-O-F••
  •• ••    ••
     ••

更重要的是，要計算氧周圍的電子。它從兩個鍵中得到四個電子，並從兩個孤電子對中得到四個電子：

\[ 4 + 4 = 8 \]

氧已經具有八隅體。

因此，並不需要雙鍵來完成氧的價電子層。這位學生的錯誤是把雙鍵視為必然比單鍵「更好」。畫路易斯結構並不是要競賽誰能把鍵級最大化。成鍵排列必須符合可用的電子總數，並使電子具有合理的分布。

特別是氟，在簡單的路易斯結構中通常只形成一個鍵，因為它已有七個價電子，距離八隅體只差一個電子。

13路易斯圖還能讓你推斷甚麼

路易斯結構不只是電子排列的最終圖像。一旦知道中心原子周圍的成鍵區域數目和孤電子對數目，你就可以開始預測分子的三維形狀。

例如，\(\ce{CO2}\) 的碳周圍有兩個成鍵區域且沒有孤電子對，而 \(\ce{H2O}\) 的氧周圍有兩個成鍵區域和兩個孤電子對。因此，它們的路易斯結構已包含足以解釋為甚麼二氧化碳是直線形，而水是彎曲形的資訊。

下一步就是利用電子對排斥和分子幾何，把平面的路易斯圖轉化為分子實際形狀的模型。