路易斯点式图:原子、离子与共价分子
学习如何计算价电子,并为原子、离子和共价分子绘制路易斯点式图。透过例题了解如何辨认化学键、孤电子对及常见错误。
当化学式无法提供足够资讯时,路易斯点式图就开始发挥作用。\(\ce{H2O}\) 告诉你水含有两个氢原子和一个氧原子,但它没有显示哪些电子形成化学键、哪些电子以孤电子对形式保留下来,也没有解释为甚么氧通常形成两个键,而氢只形成一个键。
在我们建立方法之前,先试著预测一下。氧有六个价电子。这是否代表水分子中的一个氧原子会把六个价电子全部用于成键?
不会。氧只有两个价电子用来形成两个 O-H 键。其余四个电子以两个孤电子对的形式保留下来。路易斯点式图能把这种电子排列显示出来。
01路易斯点式图实际显示甚么
在成键方面,最重要的电子通常是价电子,也就是位于原子最外层电子壳层的电子。
可以把它们想成可用来进行化学「协商」的电子。内层电子已经位于靠近原子核的位置,通常不会参与一般的共价键结。
路易斯图会显示:
- 每个原子的元素符号
- 以圆点表示的价电子
- 以共价键表示的共享电子对
- 以孤电子对表示的未共享电子对
- 当整个粒子是离子时,以方括号和电荷表示
对常见的主族元素而言,元素在周期表中的族别可以告诉你其价电子数。
| 元素族别 | 价电子数 | 常见例子 |
|---|---|---|
| 第 1 族 | 1 | H, Na |
| 第 2 族 | 2 | Mg, Ca |
| 第 13 族 | 3 | B, Al |
| 第 14 族 | 4 | C, Si |
| 第 15 族 | 5 | N, P |
| 第 16 族 | 6 | O, S |
| 第 17 族 | 7 | F, Cl |
| 第 18 族 | 8 | Ne, Ar |
氦是第 18 族中的例外。它只有两个电子,因为它的第一电子壳层有两个电子时就已经填满。
02单一原子的路易斯点式图
先从氯开始。
一个氯原子有七个价电子。在画图之前,先预测一下这些圆点应该如何排列。你会把七个圆点全部放在元素符号的同一侧吗?
这样仍然会有七个电子,但无法清楚表达它们的排列方式。一般的路易斯表示法是先在元素符号的四个方向各放置一个电子,然后才开始把电子配对。
因此,氯可以表示为:
••
•• Cl ••
•
总共有七个圆点:
- 三对电子
- 一个未成对电子
这个单独的未成对电子是一个很有用的线索。氯通常会形成一个共价键,让它可以再共享一个电子,从而达到稳定的外层电子排列。
例题:画出氮原子的路易斯点式图
画出一个中性氮原子的路易斯点式图。
步骤 1
氮位于第 15 族,因此有五个价电子。
步骤 2
N
步骤 3
其中一种可接受的排列是:
••
• N •
•
对于孤立的原子来说,电子对具体位于哪一侧并不重要。重要的是必须显示全部五个价电子。
这个图中有一对电子和三个未成对电子。
这有助于解释为甚么氮在 \(\ce{NH3}\) 等分子中通常会形成三个共价键。
03单原子离子的路易斯图
现在假设一个原子得到或失去电子。
这里最常见的错误,是先画出中性原子,然后只在旁边加上电荷。电荷并不是装饰。它表示电子的数目实际上已经改变。
以氧化物离子 \(\mathrm{O}^{2-}\) 为例。
中性氧原子有六个价电子。\(2-\) 电荷表示它得到两个电子:
\[
6 + 2 = 8 \text{ 个价电子}
\]
因此,它的路易斯图有八个圆点:
••
[•• O ••]²⁻
••
请注意两个重要特征:
- O 周围有八个电子。
- 整个路易斯符号要放在方括号内,并在括号外标示 \(2-\)。
对于正离子,做法相反:减去电子。
例如,中性钠原子有一个价电子。钠离子 \(\mathrm{Na}^{+}\) 已失去这个电子,所以它的路易斯符号没有圆点:
[Na]⁺
一个方便的规则是:
\[
\text{阴离子中的电子数} = \text{中性原子的价电子数} + \text{负电荷数}
\]
\[
\text{阳离子中的电子数} = \text{中性原子的价电子数} – \text{正电荷数}
\]
这里的「加」和「减」有时容易令人混淆。负离子有更多电子,而正离子则有较少电子。
04从原子到共价分子
当两个原子共享一对电子时,就会形成共价键。
这是圆点的意义开始稍微改变的地方。在孤立的原子中,一个圆点属于该原子。在共价键中,一对电子由两个原子核共享。
我们通常用一条线取代一对共享的圆点:
H:H
变成
H-H
一条线代表两个电子,而不是一个。
现在就把这一点牢记下来很重要,因为错误地把每一个键算成一个电子,会造成许多路易斯图的错误。
八隅体概念
许多主族原子在成键时,倾向使价电子层具有八个电子。这称为八隅体规则。
氢不同。它的第一电子壳层只能容纳两个电子,因此氢追求的是双电子结构,而不是八隅体。
八隅体规则是一个有用的模型,而不是所有粒子都必须遵守的定律。它有一些重要的例外,包括含有硼等元素的分子,以及具有扩展价电子层的粒子。不过,对于这里讨论的常见 HSC 路易斯结构而言,八隅体规则是一个非常好的起点。
05画分子路易斯结构的可靠方法
对于简单的共价分子和多原子离子,可依照以下顺序进行。
1. 计算所有价电子
把每个原子所提供的价电子加起来。
然后根据电荷作出调整:
- 每有一个负电荷,就加一个电子
- 每有一个正电荷,就减一个电子
2. 选择中心原子
中心原子通常是能够形成多个键的原子。
在一般的路易斯结构中,氢从不会是中心原子,因为它只能形成一个键。
氟和氯等卤素通常也是末端原子。
3. 用单键连接原子
每一个单键包含两个电子。
从总电子数中减去这些成键电子。
4. 先完成外围原子
让末端原子得到足够的电子以达到八隅体,但氢除外,因为氢只需要两个电子。
5. 把剩余电子放在中心原子上
任何尚未使用的电子都会成为中心原子上的孤电子对。
6. 检查中心原子
如果中心原子仍未达到八隅体,邻近原子的一个孤电子对可能需要转变成第二对或第三对成键电子。
这样就会形成双键或三键。
7. 再次计算所有电子
最终结构必须恰好包含你一开始计算出的价电子数。
这最后一次检查可以找出多得令人意外的错误。

06孤电子对不是多余的电子
孤电子对是一对位于同一个原子上、而且没有用于成键的价电子。
想像一个小组专题中,两位学生同意共用一本课本。那本共享的课本就像一对成键电子。若其中一位学生把另外两本书完全留给自己使用,就比较像一个孤电子对。
这个类比并不完全准确,因为电子并不是静止地属于某个原子的物件。电子密度需要用量子力学来描述,而成键电子占据分子轨域。不过,就路易斯图而言,「共享电子对」和「孤电子对」是很有用的电子计数概念。
孤电子对很重要,因为它们影响的不只是图的画法。之后,它们会帮助你预测:
- 分子形状
- 键角
- 分子极性
- 分子间作用力
所以不要把它们当成可以忽略的剩余圆点。
例题:画出水的路易斯结构
画出 \(\ce{H2O}\) 的路易斯结构,显示所有成键电子对和孤电子对。
步骤 1
每个 H 提供一个电子。O 提供六个。
\[
2(1) + 6 = 8 \text{ 个价电子}
\]
步骤 2
氢不能作为中心原子,因此氧放在中间:
H O H
步骤 3
H-O-H
共有两个键,而每个键代表两个电子:
\[
2 \times 2 = 4 \text{ 个成键电子}
\]
一开始共有八个电子,所以还剩四个。
步骤 4
四个电子形成两个孤电子对:
••
H-O-H
••
步骤 5
两个 O-H 键中共有四个电子,而氧的两个孤电子对中共有四个电子:
\[
4 + 4 = 8
\]
每个氢都可透过它的键接触到两个电子。氧周围则有八个电子:四个位于键中,另外四个位于孤电子对中。
重要的结果不只是水含有两个键。氧还有两个孤电子对,而这一点在预测分子的弯曲形状时非常关键。
07当单键不足时
现在考虑 \(\ce{CO2}\)。
如果我们只用单键连接所有原子,一开始可能会画成:
O-C-O
这看起来似乎合理。但路易斯结构受到电子计数的限制,而不是取决于图看起来是否整齐。
例题:为甚么二氧化碳需要双键?
建构 \(\ce{CO2}\) 的路易斯结构。
步骤 1
碳提供四个电子。每个氧提供六个电子。
\[
4 + 2(6) = 16 \text{ 个价电子}
\]
步骤 2
O-C-O
两个单键使用四个电子,因此剩下:
\[
16 – 4 = 12 \text{ 个电子}
\]
步骤 3
让每个氧各有三个孤电子对,会用尽剩下的 12 个电子。
这会形成以下暂时结构:
•• ••
••O-C-O••
•• ••
每个氧周围都有八个电子。
然而,碳周围只有四个电子,因为它只有两个单键。
所以这个结构尚未完成。
步骤 4
得到:
•• ••
O=C=O
•• ••
每个双键包含两对共享电子,也就是四个电子。
步骤 5
每个氧都有:
- 双键中的四个电子
- 两个孤电子对中的四个电子
碳透过两个双键,使其周围共有八个电子。
整个结构仍然总共包含 16 个价电子。
因此,最终的路易斯结构是 \(\ce{O=C=O}\),每个氧上各有两个孤电子对。
这很好地说明了为甚么「画出单键后就停止」并不是可靠的方法。你必须检查中心原子周围的电子数。
08单键、双键与三键
路易斯图以不同数目的线表示不同数目的共享电子对。
| 键 | 共享电子对数 | 共享电子数 | 例子 |
|---|---|---|---|
| 单键 | 1 | 2 | \(\ce{H-H}\) |
| 双键 | 2 | 4 | \(\ce{O=O}\) |
| 三键 | 3 | 6 | \(\ce{N#N}\) |
氮分子中的三键可以表示为:
:N≡N:
每个氮都有:
- 六个参与三键的电子
- 一个含有两个电子的孤电子对
所以每个氮都有八隅体。
不要把三条键线理解成「三个电子」。三条线代表三对电子,因此这个键代表六个电子。
09多原子离子的路易斯结构
多原子离子含有数个以共价键相连的原子,但整体带有电荷。
其方法几乎与中性分子相同。主要差异就在一开始:电荷会改变可用电子的总数。
以铵离子 \(\ce{NH4+}\) 为例。
氮提供五个价电子。四个氢再提供四个:
\[
5 + 4 = 9
\]
但这个粒子带有 \(+1\) 电荷,表示少了一个电子:
\[
9 – 1 = 8 \text{ 个价电子}
\]
这八个电子形成四个 N-H 键:
H
|
[H-N-H]⁺
|
H
在 \(\ce{NH4+}\) 中,氮上没有孤电子对。
把它与中性的氨 \(\ce{NH3}\) 比较:
••
H-N-H
|
H
氨有三个 N-H 键,以及氮上的一个孤电子对。
向氨加入 \(\mathrm{H}^{+}\) 可以形成 \(\ce{NH4+}\)。氮上的孤电子对会参与形成新的 N-H 键。
这个比较很有用,因为它显示电荷可以改变成键方式,而不只是改变图外面的标记。
10最容易犯的路易斯图错误
错误 1:把每个键算成一个电子
一条键线代表两个电子。
所以三个单键包含:
\[
3 \times 2 = 6 \text{ 个电子}
\]
而不是三个电子。
错误 2:给氢八个电子
氢的第一电子壳层只需要两个电子。
如果你发现自己正在氢周围画多重键或孤电子对,就表示某处出错了。
错误 3:忘记根据离子电荷调整电子数
对 \(\ce{NH4+}\) 而言,要比中性原子原本能提供的电子总数少算一个电子。
对带负电荷的粒子,则要加上电子。
错误 4:完成外围原子后忘记检查中心原子
这正是第一次尝试画 \(\ce{CO2}\) 时会发生的情况。氧原子可以有完整的八隅体,但碳仍然缺少电子。
一定要检查每一个原子。
错误 5:增加或移除电子,直到图「看起来正确」
价电子总数是固定的。
你不能为了让所有原子都达到八隅体而自行加上额外的圆点。如果电子总数不吻合,就应该重新考虑成键排列。
错误 6:假设八隅体规则没有例外
八隅体规则对许多简单结构都非常有效,但它并不是普遍适用。
例如,硼可以形成稳定化合物,而其中硼周围少于八个电子。第 3 周期及其后的元素,也可能出现在中心原子周围超过八个电子的结构中。
因此,可以把八隅体规则当作一个有力的模型,再检查所研究的粒子是否属于已知的例外情况。
11快速检查流程
在接受任何路易斯结构之前,检查以下四点:
- 电子总数: 图中是否恰好包含计算所得的价电子数?
- 氢: 每个 H 是否都有一个键,因而能接触到两个电子?
- 外围原子: 一般主族原子是否在应有的情况下具备完整八隅体?
- 中心原子: 它是否也有适当的电子排列,还是需要形成多重键?
这个检查流程通常比试图记住每一种分子的完整图形更快。
12问题与解答
问题 1
画出一个中性氟原子的路易斯点式图。说明它有多少个价电子,以及其中有多少个是未成对电子。
解答 1
一个氟原子有七个价电子,其中一个是未成对电子。
氟位于第 17 族,因此最外层电子壳层有七个电子。先在 F 的四周各放一个电子,再把其余电子配对。
其中一个可接受的图是:
••
•• F ••
•
共有三对电子和一个单独的电子:
\[
3(2) + 1 = 7 \text{ 个价电子}
\]
这个单独的未成对电子与氟通常形成一个共价键的情况一致。常见的陷阱是把「七个价电子」误解为「七个键」。路易斯圆点代表的是电子,而不是键。
问题 2
建构氟离子 \(\mathrm{F}^{-}\) 的路易斯图,并解释为甚么它的圆点数与中性氟原子不同。
解答 2
氟离子在 F 周围显示八个价电子,整体以方括号包围,并标示 \(1-\) 电荷。
中性氟有七个价电子。负电荷告诉我们,它得到了一个额外的电子:
\[
7 + 1 = 8 \text{ 个电子}
\]
它的路易斯图是:
••
[•• F ••]⁻
••
因此,氟有四对电子和完整的八隅体。
最容易犯的错误是画七个圆点,然后只加上一个负号。这样做忽略了负电荷在物理上的真正意义:这个离子比中性原子多一个电子。
问题 3
建构 \(\ce{NH3}\) 的路易斯结构。说明氮原子周围有多少对成键电子和多少个孤电子对。
解答 3
\(\ce{NH3}\) 的路易斯结构中有三对 N-H 成键电子,以及氮上的一个孤电子对。
氮提供五个价电子,而三个氢原子各提供一个:
\[
5 + 3(1) = 8 \text{ 个价电子}
\]
把氮放在中心,形成三个 N-H 单键。这些键使用:
\[
3(2) = 6 \text{ 个电子}
\]
还剩两个电子:
\[
8 – 6 = 2
\]
它们在氮上形成一个孤电子对:
••
H-N-H
|
H
每个氢都可以透过一个键接触到两个电子。氮在三个键中有六个电子,加上孤电子对中的两个电子,因此氮周围共有八个电子。
这个孤电子对很重要。若省略它,就只能计算到分子八个价电子中的六个。
问题 4
一位学生为 \(\ce{CH2O}\) 提出以下路易斯结构:
H
|
H-C-O
然后在氧上放置三个孤电子对。
判断这个结构是否有效。如果无效,请建构一个较好的路易斯结构,并解释原本的结构哪里有问题。
解答 4
所提出的结构作为完整的路易斯结构是无效的。碳原子的八隅体不完整,因此需要一个 C=O 双键。
首先计算价电子:
- C 提供 4 个
- 两个 H 原子提供 \(2(1)=2\) 个
- O 提供 6 个
因此:
\[
4 + 2 + 6 = 12 \text{ 个价电子}
\]
所提出的三个单键使用:
\[
3(2) = 6 \text{ 个电子}
\]
氧上的三个孤电子对再使用六个电子,所以全部 12 个电子都已用完。
然而,碳周围只有三个键,因此只能接触到六个电子,而不是八个。
所以,氧上的一个孤电子对必须转变成第二对 C-O 成键电子:
H
\
C=O
/
H
••
••
或者,把原子排列成另一种方式:
H
|
H-C=O
••
••
最终结构有两个 C-H 单键、一个 C=O 双键,以及氧上的两个孤电子对。
陷阱在于误以为只要总电子数正确,就一定能保证结构正确。你还必须检查每个原子周围的电子排列。
问题 5
一位学生说:「铵离子 \(\ce{NH4+}\) 的氮上一定有一个孤电子对,因为中性氮一开始有五个价电子。」
利用电子计数检验这个说法。
解答 5
这个说法是不正确的:在 \(\ce{NH4+}\) 的一般路易斯结构中,氮上没有孤电子对。
先计算中性原子所提供的电子:
\[
5 + 4(1) = 9
\]
\(+1\) 电荷表示这个离子少了一个电子:
\[
9 – 1 = 8 \text{ 个价电子}
\]
四个 N-H 单键刚好需要八个电子:
\[
4(2) = 8 \text{ 个电子}
\]
所以结构是:
H
|
[H-N-H]⁺
|
H
全部八个可用的价电子都已包含在四个键中。没有任何电子剩下形成孤电子对。
氮仍然具有八隅体,因为四个键让氮周围有八个成键电子。
这个误解来自在成键之后仍逐一追踪氮原本的五个电子。处理路易斯结构时,更好的方法是计算完整粒子的总价电子池。
问题 6
一个假想分子 \(\ce{OF2}\) 含有一个氧原子与两个氟原子键结。
一位学生认为氧应该与两个氟都形成双键,因为「双键会让中心原子的八隅体更强」。
建构适当的路易斯结构,并解释为甚么不需要所提出的双键。
解答 6
适当的路易斯结构具有两个 O-F 单键、氧上的两个孤电子对,以及每个氟上的三个孤电子对。不需要双键。
计算价电子:
\[
6 + 2(7) = 20 \text{ 个价电子}
\]
两个 O-F 单键使用四个电子:
\[
2(2) = 4
\]
因此剩下:
\[
20 – 4 = 16 \text{ 个电子}
\]
要完成两个氟的八隅体,每个氟都需要六个孤电子对电子:
\[
2(6) = 12 \text{ 个电子}
\]
还剩四个电子,在氧上形成两个孤电子对。
一个简洁的图是:
•• ••
••F-O-F••
•• •• ••
••
更重要的是,要计算氧周围的电子。它从两个键中得到四个电子,并从两个孤电子对中得到四个电子:
\[
4 + 4 = 8
\]
氧已经具有八隅体。
因此,并不需要双键来完成氧的价电子层。这位学生的错误是把双键视为必然比单键「更好」。画路易斯结构并不是要竞赛谁能把键级最大化。成键排列必须符合可用的电子总数,并使电子具有合理的分布。
特别是氟,在简单的路易斯结构中通常只形成一个键,因为它已有七个价电子,距离八隅体只差一个电子。
13路易斯图还能让你推断甚么
路易斯结构不只是电子排列的最终图像。一旦知道中心原子周围的成键区域数目和孤电子对数目,你就可以开始预测分子的三维形状。
例如,\(\ce{CO2}\) 的碳周围有两个成键区域且没有孤电子对,而 \(\ce{H2O}\) 的氧周围有两个成键区域和两个孤电子对。因此,它们的路易斯结构已包含足以解释为甚么二氧化碳是直线形,而水是弯曲形的资讯。
下一步就是利用电子对排斥和分子几何,把平面的路易斯图转化为分子实际形状的模型。