路易斯结构式教学研究

浅谈路易斯结构式的教学研究

摘要：路易斯结构式是从微观的角度研究物质的用途性质的，它不仅是一种模型，一种解决问题的工具，一种专属于化学的语言，学习路易斯结构式更是对化学的有意义学习和对物质观的深层次

的理解。

关键词：路易斯结构式形式电荷富电子体系缺电子体系

中图分类号：g64 文献标识码：a 文章编号：1673-9795（2013）04（a）-0018-03

1 问题的提出

路易斯结构式的模型直观形象，通俗易懂。和其分子式化学式相比较，蕴含更多的重要信息，能很好的帮助学生理解和记忆化学知识，形成科学的物质观。路易斯结构式除了显示分子中原子的类型和比例外还可以表明原子之间是如何连接在一起的，我们可以从路易斯结构式中去预测和解释物质的一些性质[1]。路易斯结构式还可以提升学生的科学素养，形成直觉的化学思维，提升学生从微观的角度看待问题的能力，但由于路易斯结构式较抽象，理解起来有一定的困难[2]。因此，很有必要进行系统全面的路易斯结构式的教学研究。

2 分析问题

在中学化学的学习中，学生已经学习了分子式电子式。这为大学里路易斯结构式的学习埋下了伏笔。在高中鲁科版的化学教材中也提到了路易斯结构式，但不作为教学内容。在学习价层电子对互斥理

论之前，如果掌握了路易斯结构式的知识，学生就会很容易的理解价层电子对互斥理论模型。因此，路易斯结构式有着承上启下的作用。在进行价层电子对互斥理论教学之前先进行路易斯结构式的教学，这样更符合学生的认知发展规律。皮亚杰认为：认知发展是一个在已有图式的基础上通过同化顺应和平衡循环往复，逐渐发展的过程[3]。如果在学习价层电子对互斥理论模型之前学习了路易斯结构式，路易斯结构式就属于学生的已知内容，而价层电子对互斥理论是学生未知的内容，学生借助已学内容来学未知的内容这样更符合学生的认知发展规律。路易斯结构式在学生的学习过程中起着“支架”的重要作用。

3 理论基础（路易斯结构式的演变）

在1850年时英国化学家弗兰克兰提出“化合价”这个概念，元素符号之间可以用短横线相连。“—”表示原子之间相互用了“1”价，如hcl为h-cl。“==”表示原子之间共用了“2”价，如co2可以写成o=c=o。“”表示原子之间相互用了“3”价，如hcn则为。在此基础上提出了路易斯结构式[4]。路易斯用元素符号表示原子核和全部内层电子，用短棍表示共价键，用小黑点表示价电子或未成键电子画在元素符号外面，以表示化学键成键情况和原子，分子，离子的电子结构，这种价键模型称路易斯结构式。路易斯指出，稀有气体的结构是最稳定的结构。其他原子倾向于形成稀有气体的这种稳定结构，这就是八隅体规则。以下是甲烷，二氧化碳，氨气，水的路易斯结构式。（见图1）

路易斯结构式中价电子总数等于分子中所有原子的价电子数之和，但有时候中心原子的总数并不等于8。（见图2）

对于这种情况，鲍林提出了“形式电荷”的概念[5]。每个原子的形式电荷等于原子的价层电子数减去未共享电子数，再减去成键电子总数的1/2。形式电荷越靠近零，路易斯结构式越稳定。或形式电荷为“+”的原子比形式电荷为“-”的原子的电负性小，则该结构也较稳定。有些分子的路易斯结构式有好几个，但都是合理的，针对这种情况，鲍林提出了共振论，认为其分子的真实结构式是这些合理路易斯结构式的共振杂化体。（见图3）

4 路易斯结构式的应用

4.1 无机化合物的化学稳定性的预测

缺电子体系[6]：bf3含24个价电子，成键电子数为6，非键电子数为18，根据八隅体规则，每个氯原子有3对孤对电子。这时硼还未满8电子构型。对于像c、n、o、p、s等可以形成双键或叁键，但氟不可以，因此bf3的路易斯结构式只能写成这样。（见图4）每个原子的形式电荷为零，但硼周围只有6个电子，像“b”这类原子称缺电子体系。硼因缺少电子有空轨道，因此，有接受电子形成配位键的稳定化倾向，形成的bf-每个原子都满足八电子结构，因此，bf-比bf3稳定。

富电子体系：nh3含8个电子，成键电子数为6，还有一对孤对电子。根据八隅体规则，这一对孤对电子只能在氮上。像nh3这类中心原子上有非键电子的体系为富电子体系。中心原子上有非键电

子，易与具有空轨道的阳离子配位，易形成更稳定的结构。同样，如：pocl3的路易斯结构式为图5所示。

h2so4和h3po4的路易斯结构式：见图6。

当中心原子是p、s等富电子体系时，如果中心原子是8e-构型，则形式电荷不为零，因此该结构不稳定。这时对中心原子的外围电子进行修正，修正的结果是p为10e-。同时该原子有d轨道，可以形成d—pπ键，从而中心原子周围出现多于8个电子的现象。

4.2 化合物的键长的解释（见图7）

在co32-的路易斯结构式中，两个碳氧键是不同的，一个是双键，一个是单键，而实验测得的碳氧键的键长是相等的，均为131pm。路易斯结构式就可以解释这种现象，co32-的路易斯结构可表示为如图8所示。

其真实结构是他们所有可能的路易斯结构式的混合杂化体。所以碳氧键的键长是相同的。

4.3 用路易斯结构式计算分子式共价键的键级[7]（见图9）

hocn有两种路易斯结构式，由于2式较1式稳定。因此，氢氧之间的键级是1，碳氧之间的键级小于1.5，碳氮之间的键级大于2.5。

4.4 路易斯结构式判断分子式共价键的键长[7]（见图10）

每个c-c键长为（2+1）/2=1.5。因此，比乙烷分子中的碳碳单键短，比乙烯分子的碳碳双键长，说明苯分子中的碳碳键是介于单键和双键之间的一种特殊的键。

5 路易斯结构式的书写[8]

从路易斯结构式中就可以判断分子的稳定性及其其它的一些非常重要的物理性质和化学性质，要很好的掌握这些性质，就必须学会路易斯结构式的书写。路易斯结构式的书写总结起来共有四步，分别为：算，排，写，查。

第一步：算出分子结构中的成键数和孤电子对数。

成键数=（达到稳定结构时各原子最外层电子数之和-各原子价电子数之和）/2

孤对电子数=（各原子价电子数之和-成键电子总数）/2

例如：hno3 成键数=[（2+8+8×3）-（1+5+6×3）]/2=5

孤对电子数=[（1+5+6×3）-5×2]/2=7

第二步：按照排列规则排出正确的的原子次序。

h原子一般情况下排在原子的末端。由于电负性较小的原子的价电子受原子核的束缚力较小，容易与其它原子共享自己的电子。因此应将电负性小的原子放在分子的中心位置，电负性大的则居于其周围。例如hno3的原子排列：

第三步：写出路易斯结构式。

用短线连接相邻的原子，短线总数要与成键数相符。孤电子对要用一对小黑点表示，每个原子都要达到稀有气体的稳定结构。例如hno3可能的路易斯结构式见图11所示。

第四步：检查写出的路易斯结构式。

某物质可能的路易斯结构式有多种，则以形式电荷为依据判断它们是否稳定。若形式电荷越靠近零则该结构越稳定。若相邻两原子的