淺談路易斯結(jié)構(gòu)式的教學(xué)研究

摘 要：路易斯結(jié)構(gòu)式是從微觀(guān)的角度研究物質(zhì)的用途性質(zhì)的，它不僅是一種模型，一種解決問(wèn)題的工具，一種專(zhuān)屬于化學(xué)的語(yǔ)言，學(xué)習(xí)路易斯結(jié)構(gòu)式更是對(duì)化學(xué)的有意義學(xué)習(xí)和對(duì)物質(zhì)觀(guān)的深層次的理解。

關(guān)鍵詞：路易斯結(jié)構(gòu)式 形式電荷 富電子體系 缺電子體系

中圖分類(lèi)號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2013）04（a）-0018-03

1 問(wèn)題的提出

路易斯結(jié)構(gòu)式的模型直觀(guān)形象，通俗易懂。和其分子式化學(xué)式相比較，蘊(yùn)含更多的重要信息，能很好的幫助學(xué)生理解和記憶化學(xué)知識(shí)，形成科學(xué)的物質(zhì)觀(guān)。路易斯結(jié)構(gòu)式除了顯示分子中原子的類(lèi)型和比例外還可以表明原子之間是如何連接在一起的，我們可以從路易斯結(jié)構(gòu)式中去預(yù)測(cè)和解釋物質(zhì)的一些性質(zhì)[1]。路易斯結(jié)構(gòu)式還可以提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，形成直覺(jué)的化學(xué)思維，提升學(xué)生從微觀(guān)的角度看待問(wèn)題的能力，但由于路易斯結(jié)構(gòu)式較抽象，理解起來(lái)有一定的困難[2]。因此，很有必要進(jìn)行系統(tǒng)全面的路易斯結(jié)構(gòu)式的教學(xué)研究。

2 分析問(wèn)題

在中學(xué)化學(xué)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了分子式電子式。這為大學(xué)里路易斯結(jié)構(gòu)式的學(xué)習(xí)埋下了伏筆。在高中魯科版的化學(xué)教材中也提到了路易斯結(jié)構(gòu)式，但不作為教學(xué)內(nèi)容。在學(xué)習(xí)價(jià)層電子對(duì)互斥理論之前，如果掌握了路易斯結(jié)構(gòu)式的知識(shí)，學(xué)生就會(huì)很容易的理解價(jià)層電子對(duì)互斥理論模型。因此，路易斯結(jié)構(gòu)式有著承上啟下的作用。在進(jìn)行價(jià)層電子對(duì)互斥理論教學(xué)之前先進(jìn)行路易斯結(jié)構(gòu)式的教學(xué)，這樣更符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律。皮亞杰認(rèn)為：認(rèn)知發(fā)展是一個(gè)在已有圖式的基礎(chǔ)上通過(guò)同化順應(yīng)和平衡循環(huán)往復(fù)，逐漸發(fā)展的過(guò)程[3]。如果在學(xué)習(xí)價(jià)層電子對(duì)互斥理論模型之前學(xué)習(xí)了路易斯結(jié)構(gòu)式，路易斯結(jié)構(gòu)式就屬于學(xué)生的已知內(nèi)容，而價(jià)層電子對(duì)互斥理論是學(xué)生未知的內(nèi)容，學(xué)生借助已學(xué)內(nèi)容來(lái)學(xué)未知的內(nèi)容這樣更符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律。路易斯結(jié)構(gòu)式在學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程中起著“支架”的重要作用。

3 理論基礎(chǔ)（路易斯結(jié)構(gòu)式的演變）

在1850年時(shí)英國(guó)化學(xué)家弗蘭克蘭提出“化合價(jià)”這個(gè)概念，元素符號(hào)之間可以用短橫線(xiàn)相連?！啊北硎驹又g相互用了“1”價(jià)，如HCl為H-Cl?！?=”表示原子之間共用了“2”價(jià)，如CO2可以寫(xiě)成O=C=O?！啊北硎驹又g相互用了“3”價(jià)，如HCN則為。在此基礎(chǔ)上提出了路易斯結(jié)構(gòu)式[4]。路易斯用元素符號(hào)表示原子核和全部?jī)?nèi)層電子，用短棍表示共價(jià)鍵，用小黑點(diǎn)表示價(jià)電子或未成鍵電子畫(huà)在元素符號(hào)外面，以表示化學(xué)鍵成鍵情況和原子，分子，離子的電子結(jié)構(gòu)，這種價(jià)鍵模型稱(chēng)路易斯結(jié)構(gòu)式。路易斯指出，稀有氣體的結(jié)構(gòu)是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。其他原子傾向于形成稀有氣體的這種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這就是八隅體規(guī)則。以下是甲烷，二氧化碳，氨氣，水的路易斯結(jié)構(gòu)式。（見(jiàn)圖1）

路易斯結(jié)構(gòu)式中價(jià)電子總數(shù)等于分子中所有原子的價(jià)電子數(shù)之和，但有時(shí)候中心原子的總數(shù)并不等于8。（見(jiàn)圖2）

對(duì)于這種情況，鮑林提出了“形式電荷”的概念[5]。每個(gè)原子的形式電荷等于原子的價(jià)層電子數(shù)減去未共享電子數(shù)，再減去成鍵電子總數(shù)的1/2。形式電荷越靠近零，路易斯結(jié)構(gòu)式越穩(wěn)定?；蛐问诫姾蔀椤?”的原子比形式電荷為“-”的原子的電負(fù)性小，則該結(jié)構(gòu)也較穩(wěn)定。有些分子的路易斯結(jié)構(gòu)式有好幾個(gè)，但都是合理的，針對(duì)這種情況，鮑林提出了共振論，認(rèn)為其分子的真實(shí)結(jié)構(gòu)式是這些合理路易斯結(jié)構(gòu)式的共振雜化體。（見(jiàn)圖3）

4 路易斯結(jié)構(gòu)式的應(yīng)用

4.1 無(wú)機(jī)化合物的化學(xué)穩(wěn)定性的預(yù)測(cè)

缺電子體系[6]：BF3含24個(gè)價(jià)電子，成鍵電子數(shù)為6，非鍵電子數(shù)為18，根據(jù)八隅體規(guī)則，每個(gè)氯原子有3對(duì)孤對(duì)電子。這時(shí)硼還未滿(mǎn)8電子構(gòu)型。對(duì)于像C、N、O、P、S等可以形成雙鍵或叁鍵，但氟不可以，因此BF3的路易斯結(jié)構(gòu)式只能寫(xiě)成這樣。（見(jiàn)圖4）

每個(gè)原子的形式電荷為零，但硼周?chē)挥?個(gè)電子，像“B”這類(lèi)原子稱(chēng)缺電子體系。硼因缺少電子有空軌道，因此，有接受電子形成配位鍵的穩(wěn)定化傾向，形成的BF-每個(gè)原子都滿(mǎn)足八電子結(jié)構(gòu)，因此，BF-比BF3穩(wěn)定。

富電子體系：NH3含8個(gè)電子，成鍵電子數(shù)為6，還有一對(duì)孤對(duì)電子。根據(jù)八隅體規(guī)則，這一對(duì)孤對(duì)電子只能在氮上。像NH3這類(lèi)中心原子上有非鍵電子的體系為富電子體系。中心原子上有非鍵電子，易與具有空軌道的陽(yáng)離子配位，易形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。同樣，如：POCl3的路易斯結(jié)構(gòu)式為圖5所示。

H2SO4和H3PO4的路易斯結(jié)構(gòu)式：見(jiàn)圖6。

當(dāng)中心原子是P、S等富電子體系時(shí)，如果中心原子是8e-構(gòu)型，則形式電荷不為零，因此該結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。這時(shí)對(duì)中心原子的外圍電子進(jìn)行修正，修正的結(jié)果是P為10e-。同時(shí)該原子有d軌道，可以形成d—pπ鍵，從而中心原子周?chē)霈F(xiàn)多于8個(gè)電子的現(xiàn)象。

4.2 化合物的鍵長(zhǎng)的解釋?zhuān)ㄒ?jiàn)圖7）

在CO32-的路易斯結(jié)構(gòu)式中，兩個(gè)碳氧鍵是不同的，一個(gè)是雙鍵，一個(gè)是單鍵，而實(shí)驗(yàn)測(cè)得的碳氧鍵的鍵長(zhǎng)是相等的，均為131pm。路易斯結(jié)構(gòu)式就可以解釋這種現(xiàn)象，CO32-的路易斯結(jié)構(gòu)可表示為如圖8所示。

其真實(shí)結(jié)構(gòu)是他們所有可能的路易斯結(jié)構(gòu)式的混合雜化體。所以碳氧鍵的鍵長(zhǎng)是相同的。

4.3 用路易斯結(jié)構(gòu)式計(jì)算分子式共價(jià)鍵的鍵級(jí)[7]（見(jiàn)圖9）

HOCN有兩種路易斯結(jié)構(gòu)式，由于2式較1式穩(wěn)定。因此，氫氧之間的鍵級(jí)是1，碳氧之間的鍵級(jí)小于1.5，碳氮之間的鍵級(jí)大于2.5。

4.4 路易斯結(jié)構(gòu)式判斷分子式共價(jià)鍵的鍵長(zhǎng)[7]（見(jiàn)圖10）

每個(gè)C-C鍵長(zhǎng)為（2+1）/2=1.5。因此，比乙烷分子中的碳碳單鍵短，比乙烯分子的碳碳雙鍵長(zhǎng)，說(shuō)明苯分子中的碳碳鍵是介于單鍵和雙鍵之間的一種特殊的鍵。

5 路易斯結(jié)構(gòu)式的書(shū)寫(xiě)[8]

從路易斯結(jié)構(gòu)式中就可以判斷分子的穩(wěn)定性及其其它的一些非常重要的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，要很好的掌握這些性質(zhì)，就必須學(xué)會(huì)路易斯結(jié)構(gòu)式的書(shū)寫(xiě)。路易斯結(jié)構(gòu)式的書(shū)寫(xiě)總結(jié)起來(lái)共有四步，分別為：算，排，寫(xiě)，查。

第一步：算出分子結(jié)構(gòu)中的成鍵數(shù)和孤電子對(duì)數(shù)。

成鍵數(shù)=（達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)時(shí)各原子最外層電子數(shù)之和-各原子價(jià)電子數(shù)之和）/2

孤對(duì)電子數(shù)=（各原子價(jià)電子數(shù)之和-成鍵電子總數(shù)）/2

例如：HNO3 成鍵數(shù)=[（2+8+8×3）-（1+5+6×3）]/2=5

孤對(duì)電子數(shù)=[（1+5+6×3）-5×2]/2=7

第二步：按照排列規(guī)則排出正確的的原子次序。

H原子一般情況下排在原子的末端。由于電負(fù)性較小的原子的價(jià)電子受原子核的束縛力較小，容易與其它原子共享自己的電子。因此應(yīng)將電負(fù)性小的原子放在分子的中心位置，電負(fù)性大的則居于其周?chē)?。例如HNO3的原子排列：

第三步：寫(xiě)出路易斯結(jié)構(gòu)式。

用短線(xiàn)連接相鄰的原子，短線(xiàn)總數(shù)要與成鍵數(shù)相符。孤電子對(duì)要用一對(duì)小黑點(diǎn)表示，每個(gè)原子都要達(dá)到稀有氣體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。例如HNO3可能的路易斯結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖11所示。

第四步：檢查寫(xiě)出的路易斯結(jié)構(gòu)式。

某物質(zhì)可能的路易斯結(jié)構(gòu)式有多種，則以形式電荷為依據(jù)判斷它們是否穩(wěn)定。若形式電荷越靠近零則該結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。若相鄰兩原子的形式電荷是同號(hào)，這種結(jié)構(gòu)就不穩(wěn)定。若正負(fù)電荷分別在電負(fù)性較大和較小的原子上的這種結(jié)構(gòu)也不太穩(wěn)定。（見(jiàn)圖12）

對(duì)于HNO3的路易斯結(jié)構(gòu)式，（1）和（2）較穩(wěn)定，（3）不穩(wěn)定，不予考慮。

6 結(jié)語(yǔ)

本文從有效教學(xué)的角度出發(fā)，闡述路易斯結(jié)構(gòu)式對(duì)于化學(xué)學(xué)習(xí)的重要性。文中對(duì)路易斯結(jié)構(gòu)式的形成及發(fā)展過(guò)程的介紹，目的在于對(duì)這一歷史有更清楚的了解，同時(shí)，能夠加深對(duì)路易斯結(jié)構(gòu)式的理解。當(dāng)用路易斯結(jié)構(gòu)式來(lái)解釋一些常見(jiàn)的問(wèn)題時(shí)，可以使問(wèn)題簡(jiǎn)單化，對(duì)知識(shí)的接受也將更容易些。最后介紹路易斯結(jié)構(gòu)式的書(shū)寫(xiě)步驟，從關(guān)注電子數(shù)到原子的排列順序再到完整的路易斯結(jié)構(gòu)式的書(shū)寫(xiě)，是整個(gè)書(shū)寫(xiě)過(guò)程中最為重要的環(huán)節(jié)，當(dāng)完整的將路易斯結(jié)構(gòu)式呈現(xiàn)出來(lái)時(shí)，再通過(guò)穩(wěn)定性對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，得出最終的結(jié)果。希望在化學(xué)學(xué)習(xí)中把路易斯結(jié)構(gòu)式作為一種解決問(wèn)題的工具幫助學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，進(jìn)而進(jìn)行有效學(xué)習(xí)和有意義學(xué)習(xí)。

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