淺談路易斯結(jié)構(gòu)式的教學研究

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

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(jié)構(gòu)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(zhì)觀。路易斯結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)式中去預(yù)測和解釋物質(zhì)的一些性質(zhì)[1]。路易斯結(jié)構(gòu)式還可以提升學生的科學素養(yǎng)，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(jié)構(gòu)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(tǒng)全面的路易斯結(jié)構(gòu)式的教學研究。

2 分析問題

在中學化學的學習中，學生已經(jīng)學習了分子式電子式。這為大學里路易斯結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)式，但不作為教學內(nèi)容。在學習價層電子對互斥理論之前，如果掌握了路易斯結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)式的教學，這樣更符合學生的認知發(fā)展規(guī)律。皮亞杰認為：認知發(fā)展是一個在已有圖式的基礎(chǔ)上通過同化順應(yīng)和平衡循環(huán)往復，逐漸發(fā)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(jié)構(gòu)式，路易斯結(jié)構(gòu)式就屬于學生的已知內(nèi)容，而價層電子對互斥理論是學生未知的內(nèi)容，學生借助已學內(nèi)容來學未知的內(nèi)容這樣更符合學生的認知發(fā)展規(guī)律。路易斯結(jié)構(gòu)式在學生的學習過程中起著“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(chǔ)上提出了路易斯結(jié)構(gòu)式[4]。路易斯用元素符號表示原子核和全部內(nèi)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(jié)構(gòu)，這種價鍵模型稱路易斯結(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。（見圖1）

路易斯結(jié)構(gòu)式中價電子總數(shù)等于分子中所有原子的價電子數(shù)之和，但有時候中心原子的總數(shù)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(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。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(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，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(jié)構(gòu)式是這些合理路易斯結(jié)構(gòu)式的共振雜化體。（見圖3）

4 路易斯結(jié)構(gòu)式的應(yīng)用

4.1 無機化合物的化學穩(wěn)定性的預(yù)測

缺電子體系[6]：BF3含24個價電子，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，每個氯原子有3對孤對電子。這時硼還未滿8電子構(gòu)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(jié)構(gòu)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(wěn)定化傾向，形成的BF-每個原子都滿足八電子結(jié)構(gòu)，因此，BF-比BF3穩(wěn)定。

富電子體系：NH3含8個電子，成鍵電子數(shù)為6，還有一對孤對電子。根據(jù)八隅體規(guī)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(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(gòu)型，則形式電荷不為零，因此該結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。這時對中心原子的外圍電子進行修正，修正的結(jié)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(xiàn)多于8個電子的現(xiàn)象。

4.2 化合物的鍵長的解釋（見圖7）

在CO32-的路易斯結(jié)構(gòu)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(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。所以碳氧鍵的鍵長是相同的。

4.3 用路易斯結(jié)構(gòu)式計算分子式共價鍵的鍵級[7]（見圖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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)式的書寫[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)和化學性質(zhì)，要很好的掌握這些性質(zhì)，就必須學會路易斯結(jié)構(gòu)式的書寫。路易斯結(jié)構(gòu)式的書寫總結(jié)起來共有四步，分別為：算，排，寫，查。

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

成鍵數(shù)=（達到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)時各原子最外層電子數(shù)之和-各原子價電子數(shù)之和）/2

孤對電子數(shù)=（各原子價電子數(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(yīng)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(jié)構(gòu)式。

用短線連接相鄰的原子，短線總數(shù)要與成鍵數(shù)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(wěn)定結(jié)構(gòu)。例如HNO3可能的路易斯結(jié)構(gòu)式見圖11所示。

第四步：檢查寫出的路易斯結(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，這種結(jié)構(gòu)就不穩(wěn)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(jié)構(gòu)也不太穩(wěn)定。（見圖12）

對于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

本文從有效教學的角度出發(fā)，闡述路易斯結(jié)構(gòu)式對于化學學習的重要性。文中對路易斯結(jié)構(gòu)式的形成及發(fā)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(jié)構(gòu)式的理解。當用路易斯結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)式的書寫步驟，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)式的書寫，是整個書寫過程中最為重要的環(huán)節(jié)，當完整的將路易斯結(jié)構(gòu)式呈現(xiàn)出來時，再通過穩(wěn)定性對其進行檢驗，得出最終的結(jié)果。希望在化學學習中把路易斯結(jié)構(gòu)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

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