路易斯结构式的书写及竞赛试题赏析

庞晓峰

摘 要：路易斯结构式从微观角度解释了共价分子或者离子稳定存在的原因，通过介绍对8电子体系、缺电子体系、富电子体系的路易斯结构的书写，意在帮助读者掌握书写路易斯结构式的一般方法，通过对竞赛试题的分析进一步加深对路易斯结构的认识并且会运用此方法解决实际问题。

关键词：路易斯结构式；8电子体系；竞赛试题

一、路易斯理论的介绍

1916年，美国化学家路易斯通过对实验现象的归纳总结，提出分子中的原子之间可以通过共享电子对，使分子中的每个原子具有稳定的稀有气体电子结构（除了He为1s2外，其他稀有气体的价电子构型均为ns2np6），这样形成的分子成为共价分子，原子之间通过共用电子对，形成的化学键称为共价键。路易斯提出了表示共价分子的方法，这些方法画出来的结构式统称为路易斯结构式。路易斯理论作为经典的共价键理论在化学键理论发展的历史长河中有着举足轻重的地位，因此成为中学化学竞赛的常考点。

二、路易斯结构式的书写

（一）8电子体系路易斯结构式的书寫

下面以NO3-为例讲解路易斯结构式书写的一般步骤：

1.确定分子或者离子中原子的连接顺序

电负性小的原子由于其价电子被原子束缚的力较小，易于与其他原子成键，所以其周围排列的原子数通常比电负性大的原子多，即通常做中心原子，即电负性小的原子通常放在中心，电负性大的原子放在端位，而像H或者X（卤素），由于其只需共用一对即可达到8电子，故自然放在端位。以NO3-为例它的原子连接顺序如图1所示

图1

2.通过计算求出成键数和孤对电子对数

令no为共价分子中所有原子为8电子构型（H为2电子构型）所需要的电子总数；

令nv为共价分子中所有原子的价电子数总和；令ns为共价分子中所有原子之间共用电子数总和；

令nl为共价分子中所有原子的孤对电子数总和。

一个分子或者离子需要使得每个原子达到稀有气体结构，就必须通过共用电子对来实现，共用一对电子，对于整个分子或者离子而言可以理解成增加了2个电子，共用两对，对于整个分子或者离子而言可以理解成增加了4个电子，以此类推，很容易得出ns=no-nv。同时分子或者离子的nv可以理解为有两个去向，要么参与共用，要么成为孤对电子，所以不难得出nl=nv-ns。下面以NH3为例讲解no、nv、ns、nl的关系，对于NH3而言no=8+2×3=14，nv=5+1×3=8，ns=no-nv=14-8=6，nl=nv-ns=8-6=2。通过上述简单的计算可以发现NH3的ns=6，成键数=ns/2=3，孤对电子对数=nl/2=1。这和我们高中所学NH3的电子式完成吻合。图2是关于NO3-的计算结果。

图2

3.路易斯结构式的书写

通过12两步，我们已经明确了NO3-中原子的连接方式以及里面的成键数为4，孤对电子对数为8，下面开始画出完整的路易斯结构式了，特别需要注意的是，路易斯结构式需要画出共振式，以硝酸根为例，事实上NO3-里面的NO键都是等价的，而非简单的一根双键加两根单键，而共振式能很好地体现这一点。NO3-的路易斯结构共振式如图3所示。

4.标出形式电荷并判断稳定性

原子形式电荷的计算公式=原子的价电子数-键数-孤对电子数，利用公式即可算出每个原子的形式电荷，NO3-中N原子的形式电荷=5-4=+1，O原子的形式电荷有两种，单键O=6-1-6=-1，双键O=6-2-4=0，将计算结果表示在图上，一般微粒中各原子形式电荷越少，该共振结构越稳定，对分子的贡献越大，NO3-结果如图4所示。

（二）特殊物质的路易斯结构式的书写

路易斯结构式会遇到一些特殊的情况，如缺电子体系、富电子体系，这也是路易斯理论解释不够完善的地方，但是后人也使用了修正的方法，同样可以写出这些物质的路易斯结构式，修正方法如下：对于缺电子或者富电子体系而言，对其中心原子所需的电子数不再认为是8个，而是修正为：中心原子的价电子数+所有配位原子成为8电子构型所需的电子数之和，例如：BeCl2的Be修正为2+1×2=4，BF3的B修正为3+1×3=6，PCl5的P修正为5+1×5=10，SF6中的S修正为6+1×6=12，XeF4中的Xe修正为8+1×4=12，XeO4中的Xe修正为8+2×4=16。修正以后计算no时中心原子按照修正后的电子数带入计算，其他计算不变。下面以BF3、POCl3、PCl5为例讲解这类特殊化合物的路易斯结构式书写。

例1.BF3

按照计算结果可以画出以下结构如图5，其中前3个结构为修正前的，最后一个为修正后的。

例2.POCl3

按照计算结果可以画出以下结构如图6，其中第一个为修正前的，第二个为修正后的。

例3.PCl5

按照计算结果可以画出以下结构如图7，按照修正前计算只成4根键，显然不合理，所以只能画出修正后的结构。

三、竞赛试题赏析

2014年第28届中国化学奥林匹克竞赛（初赛）试题3-1

2013年，科学家通过计算预测了高压下固态氮的一种新结构：N8分子晶体。其中，N8分子呈首尾不分的链状结构，按价键理论，氮原子有4种成键方式，除端位以外，其他氮原子采用3种不同类型的杂化轨道。

画出N8分子的路易斯结构并标出形式电荷，写出端位之外的N原子的杂化轨道类型。

[分析]题目提示，该分子首尾不分的链状结构，可见是对称的链状分子；同时，氮原子采用3种不同类型的杂化，说明结构里面可能单键、双键、三键均有。按照书写路易斯结构的步骤，预测8个氮可能在一直链上，开始计算并画出结构如图8。

2007年江苏省化学夏令营选拔赛试题1-2

多氮化合物均为潜在的高能量密度材料（HEDM），HEDM可用作火箭推进剂及爆炸物。1999年K.O.Christ及其同事成功合成了第一个N5+的化合物N5+AsF6-，它能猛烈的爆炸。光谱数据及量子力学计算结果均表明在N5+的各种异构体中，V型结构最为稳定，它有两个较短的末端键和两个较长的中心键。

（1）请写出V型结构的N5+的Lewis共振式。

（2）根据杂化轨道理论，指出每个氮原子的杂化类型。

（3）中心键的N-N键级为______。

[分析]根据题目提示，N5+的各种异构体中，V型结构最为稳定，既然是V型结构那么5个N应该按照V字形排列，同时根据提示它有两个较短的末端键和两个较长的中心键。说明最中心的N原子键级比较小，键能比较小，键长比较长，再根据其空间成V型，说明中心N不可能是sp杂化，于是考虑中心N周围要么连有两个单键，要么连一个单键和一个双键。

计算并画出结构如图9。第（3）小题中心氮原子的键级=两原子之间的总键数/共振式数目=（1+2+1）/3=4/3。

参考文献：

[1]张祖德.无机化学Inorganic Chemistry[M].2版.安徽：中国科学技术大学出版社，2014：202-210.

[2]董学文.关于路易斯结构式的书写[J].安庆师范学院学报（自然科学版），2005，11（2）：119-120.