路易斯点式图：原子、离子与共价分子

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。

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。

N

   ••
•  N  •
   •

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：

1. O 周围有八个电子。
2. 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。

H O H

H-O-H

  ••
H-O-H
  ••

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。

O-C-O

••       ••
••O-C-O••
••       ••

••     ••
O=C=O
••     ••

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。

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：

1. 电子总数： 图中是否恰好包含计算所得的价电子数？
2. 氢： 每个 H 是否都有一个键，因而能接触到两个电子？
3. 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？
4. 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。