淺談路易斯結構式的教學研究

摘 要：路易斯結構式是從微觀的角度研究物質的用途性質的，它不僅是一種模型，一種解決問題的工具，一種專屬于化學的語言，學習路易斯結構式更是對化學的有意義學習和對物質觀的深層次的理解。

關鍵詞：路易斯結構式 形式電荷 富電子體系 缺電子體系

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2013）04（a）-0018-03

1 問題的提出

路易斯結構式的模型直觀形象，通俗易懂。和其分子式化學式相比較，蘊含更多的重要信息，能很好的幫助學生理解和記憶化學知識，形成科學的物質觀。路易斯結構式除了顯示分子中原子的類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構式中去預測和解釋物質的一些性質[1]。路易斯結構式還可以提升學生的科學素養，形成直覺的化學思維，提升學生從微觀的角度看待問題的能力，但由于路易斯結構式較抽象，理解起來有一定的困難[2]。因此，很有必要進行系統全面的路易斯結構式的教學研究。

2 分析問題

在中學化學的學習中，學生已經學習了分子式電子式。這為大學里路易斯結構式的學習埋下了伏筆。在高中魯科版的化學教材中也提到了路易斯結構式，但不作為教學內容。在學習價層電子對互斥理論之前，如果掌握了路易斯結構式的知識，學生就會很容易的理解價層電子對互斥理論模型。因此，路易斯結構式有著承上啟下的作用。在進行價層電子對互斥理論教學之前先進行路易斯結構式的教學，這樣更符合學生的認知發展規律。皮亞杰認為：認知發展是一個在已有圖式的基礎上通過同化順應和平衡循環往復，逐漸發展的過程[3]。如果在學習價層電子對互斥理論模型之前學習了路易斯結構式，路易斯結構式就屬于學生的已知內容，而價層電子對互斥理論是學生未知的內容，學生借助已學內容來學未知的內容這樣更符合學生的認知發展規律。路易斯結構式在學生的學習過程中起著“支架”的重要作用。

3 理論基礎（路易斯結構式的演變）

在1850年時英國化學家弗蘭克蘭提出“化合價”這個概念，元素符號之間可以用短橫線相連。“—”表示原子之間相互用了“1”價，如HCl為H-Cl。“==”表示原子之間共用了“2”價，如CO2可以寫成O=C=O。“”表示原子之間相互用了“3”價，如HCN則為。在此基礎上提出了路易斯結構式[4]。路易斯用元素符號表示原子核和全部內層電子，用短棍表示共價鍵，用小黑點表示價電子或未成鍵電子畫在元素符號外面，以表示化學鍵成鍵情況和原子，分子，離子的電子結構，這種價鍵模型稱路易斯結構式。路易斯指出，稀有氣體的結構是最穩定的結構。其他原子傾向于形成稀有氣體的這種穩定結構，這就是八隅體規則。以下是甲烷，二氧化碳，氨氣，水的路易斯結構式。（見圖1）

路易斯結構式中價電子總數等于分子中所有原子的價電子數之和，但有時候中心原子的總數并不等于8。（見圖2）

對于這種情況，鮑林提出了“形式電荷”的概念[5]。每個原子的形式電荷等于原子的價層電子數減去未共享電子數，再減去成鍵電子總數的1/2。形式電荷越靠近零，路易斯結構式越穩定。或形式電荷為“+”的原子比形式電荷為“-”的原子的電負性小，則該結構也較穩定。有些分子的路易斯結構式有好幾個，但都是合理的，針對這種情況，鮑林提出了共振論，認為其分子的真實結構式是這些合理路易斯結構式的共振雜化體。（見圖3）

4 路易斯結構式的應用

4.1 無機化合物的化學穩定性的預測

缺電子體系[6]：BF3含24個價電子，成鍵電子數為6，非鍵電子數為18，根據八隅體規則，每個氯原子有3對孤對電子。這時硼還未滿8電子構型。對于像C、N、O、P、S等可以形成雙鍵或叁鍵，但氟不可以，因此BF3的路易斯結構式只能寫成這樣。（見圖4）

每個原子的形式電荷為零，但硼周圍只有6個電子，像“B”這類原子稱缺電子體系。硼因缺少電子有空軌道，因此，有接受電子形成配位鍵的穩定化傾向，形成的BF-每個原子都滿足八電子結構，因此，BF-比BF3穩定。

富電子體系：NH3含8個電子，成鍵電子數為6，還有一對孤對電子。根據八隅體規則，這一對孤對電子只能在氮上。像NH3這類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離子配位，易形成更穩定的結構。同樣，如：POCl3的路易斯結構式為圖5所示。

H2SO4和H3PO4的路易斯結構式：見圖6。

當中心原子是P、S等富電子體系時，如果中心原子是8e-構型，則形式電荷不為零，因此該結構不穩定。這時對中心原子的外圍電子進行修正，修正的結果是P為10e-。同時該原子有d軌道，可以形成d—pπ鍵，從而中心原子周圍出現多于8個電子的現象。

4.2 化合物的鍵長的解釋（見圖7）

在CO32-的路易斯結構式中，兩個碳氧鍵是不同的，一個是雙鍵，一個是單鍵，而實驗測得的碳氧鍵的鍵長是相等的，均為131pm。路易斯結構式就可以解釋這種現象，CO32-的路易斯結構可表示為如圖8所示。

其真實結構是他們所有可能的路易斯結構式的混合雜化體。所以碳氧鍵的鍵長是相同的。

4.3 用路易斯結構式計算分子式共價鍵的鍵級[7]（見圖9）

HOCN有兩種路易斯結構式，由于2式較1式穩定。因此，氫氧之間的鍵級是1，碳氧之間的鍵級小于1.5，碳氮之間的鍵級大于2.5。

4.4 路易斯結構式判斷分子式共價鍵的鍵長[7]（見圖10）

每個C-C鍵長為（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，說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 路易斯結構式的書寫[8]

從路易斯結構式中就可以判斷分子的穩定性及其其它的一些非常重要的物理性質和化學性質，要很好的掌握這些性質，就必須學會路易斯結構式的書寫。路易斯結構式的書寫總結起來共有四步，分別為：算，排，寫，查。

第一步：算出分子結構中的成鍵數和孤電子對數。

成鍵數=（達到穩定結構時各原子最外層電子數之和-各原子價電子數之和）/2

孤對電子數=（各原子價電子數之和-成鍵電子總數）/2

例如：HNO3 成鍵數=[（2+8+8×3）-（1+5+6×3）]/2=5

孤對電子數=[（1+5+6×3）-5×2]/2=7

第二步：按照排列規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。由于電負性較小的原子的價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。因此應將電負性小的原子放在分子的中心位置，電負性大的則居于其周圍。例如HNO3的原子排列：

第三步：寫出路易斯結構式。

用短線連接相鄰的原子，短線總數要與成鍵數相符。孤電子對要用一對小黑點表示，每個原子都要達到稀有氣體的穩定結構。例如HNO3可能的路易斯結構式見圖11所示。

第四步：檢查寫出的路易斯結構式。

某物質可能的路易斯結構式有多種，則以形式電荷為依據判斷它們是否穩定。若形式電荷越靠近零則該結構越穩定。若相鄰兩原子的形式電荷是同號，這種結構就不穩定。若正負電荷分別在電負性較大和較小的原子上的這種結構也不太穩定。（見圖12）

對于HNO3的路易斯結構式，（1）和（2）較穩定，（3）不穩定，不予考慮。

6 結語

本文從有效教學的角度出發，闡述路易斯結構式對于化學學習的重要性。文中對路易斯結構式的形成及發展過程的介紹，目的在于對這一歷史有更清楚的了解，同時，能夠加深對路易斯結構式的理解。當用路易斯結構式來解釋一些常見的問題時，可以使問題簡單化，對知識的接受也將更容易些。最后介紹路易斯結構式的書寫步驟，從關注電子數到原子的排列順序再到完整的路易斯結構式的書寫，是整個書寫過程中最為重要的環節，當完整的將路易斯結構式呈現出來時，再通過穩定性對其進行檢驗，得出最終的結果。希望在化學學習中把路易斯結構式作為一種解決問題的工具幫助學生分析問題和解決問題，進而進行有效學習和有意義學習。

參考文獻

[1]Lucy Peyde Eubanks，Catherine H. Middlecamp.Chemistry in Context：Applying Chemistry to Society[M].北京：化學工業出版社，2008：110-113.

[2]JosephA.Brady，JohnN.Milbury-Steen，JohnL.Burmeister[J].Journal of Chemical Education，1990.

[3]王振宏，李彩娜.教育心理學[M].高等教育出版社.

[4]北京華中南京師范大學無機化學教研室編.無機化學（上）[M].高等教育出版社，2002（4）：67-69.

[5]楊帆，黃小軍，李仲輝.路易斯結構式及其書寫方法[J].四川教育學報，2008（1）：108.

[6]James L.Reed.Journal of Chemical Education[Z].1994，71，99.

[7]凌崇忠.路易斯結構式的書寫及應用[J].銅陵職業技術學院學報，2010（3）：99.

[8]Barnabe B.Miburo.Journal of Chemical Education[Z].1998.