例析八隅律电子式的合理性与局限性

郑军 潘虹

摘要： 针对关于八隅律电子式应用中受到的两种质疑，简述八隅律电子式在学科历史发展中的地位，分析它在中学教学中不可或缺的重要作用。结合实例，阐述八隅律电子式的合理性与局限性，回应对八隅律电子式的质疑，同时给出相关的教学建议以及界定八隅律电子式的应用范围。

关键词： 八隅律; 电子式; 合理性; 局限性; 教学建议

文章编号： 10056629（2020）05009305

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

高中必修化学中化学键属于物质结构的一部分，在结合典型实例认识离子键和共价键的形成时，会用到电子式，在元素符号周围用小黑点“·”或小叉“×”来表示元素原子的最外层电子，这种表示物质的式子叫做电子式[1]。然而在使用电子式时，常有两种质疑的声音。

第一种，在用电子式表达离子键和共价键的形成过程时，有教师对部分原子的电子式提出质疑。

例如用电子式表达离子化合物MgCl2的形成过程时（见图1），有教师指出镁原子核外电子排布式为1s22s22p63s2，其核外电子排布图为图2左图，则价电子应该有1对出现，即图2中图，而中学书写形式以人教版教材为例如图2右图所示。又如用电子式表达共价化合物CH4的形成过程时也出现将碳原子的最外层4个电子分开书写的情况，将价电子数从1到8依次对比，发现出现此矛盾的为最外层电子数为2、 3、 4的原子（见表1）。

第二种，有观点认为电子式所表达的部分分子的结构完全是错误的，质疑最大的集中在两种常见分子O2和CO2的电子式上（见图3）： （1）有观点认为用电子式表达O2是不准确的，因为按八隅律画出的电子式为图3左图，按此分析，氧气分子应呈现反磁性，但实验结果表明为顺磁性[2];（2）有观点认为中学阶段对于CO2结构的描述完全错误，CO2由C与O共用两对电子的电子式与真实情况不符合，因为实验证明二氧化碳中C—O键键长介于一氧化碳（典型的三键）与碳氧双键之间，这是电子式所不能解释的[3]。

综上，便有教师提出中学所用的电子式无论在处理原子的电子式，还是分子的电子式都是不完全准确的，在教学上该如何处理感到手足无措。出现以上质疑的深层次原因，缘于随着化学科学研究成果不断有新发现，无论原子结构还是分子结构都有了更深层次的发展。在20世纪30年代量子力学理论应用到分子轨道理论后，现代价键理论和分子轨道理论解决了许多经典价键理论的局限，故在浩瀚的学科知识面前，

属于经典价键理论的

电子式是否可以退出历史的舞台？教学中，教师本身若对所授内容存疑是不可能清晰地传递学科知识和培养学科素养的，电子式的教学价值也将大打折扣。

在已有文献[4]中，阐述了什么是电子式及其书写规则，从电子式的教学功能上分析了其对思维能力培养的作用，但对电子式在部分原子或分子的表达上的质疑却未曾有回应，教材对电子式的表达是否欠妥？笔者认为，要分析电子式处理是否欠妥，得理清以下几个问题。

2 八隅律电子式在学科历史发展中的地位

化学键的电子理论是立足于原子的电子层结构学说的。1916年，德国柏林丹尼格高等技术大学教授W.柯塞尔（Walther Kossel， 1888～1956）、美国伯克利加州大学教授G.N.路易斯（Gilbert Newton Lewis， 1875～1946）等人设计了静态的原子模型和静态的电子概念。柯塞尔提出的电子层模型是环状的，路易斯则把外层电子配置在正方体的顶点上，设想形成正方体的壳状结构，如他们分别提出的氩原子电子层模型如图4所示。

柯塞尔格外清晰地描述了离子键的形成： 当金属原子与非金属原子化合时，在结合的瞬间金属原子的外层电子跑到非金属原子的外层上，于是它们都成为外层电子数为8的离子，而靠静电引力结合在一起;路易斯的模型则有利于解释非金属原子之间的结合： 两个原子结合时，立方体电子外壳可以共用一条棱或一个面。例如他在解释H原子与F、 Cl原子化合时是通过共用立方体的一条边棱，共享一对电子而构成化学键，这样H原子便具有氦原子的外电子层结构，F和Cl便分别具有氖及氩原子的电子层结构，都处在极稳定的状态[5]（如图5所示）。以此类推，HCl、 H2O、 NH3、 CH4、 CCl4和CO2都可以用相同的模式加以解释。

1923年，路易斯在其名著《价以及原子和分子的结构》中进一步发挥了他的原子内核模型，改进了对化合物中电子对键的表示法，以“●●”表示，如图6所示[6]。

这样一来，他的表示法中电子对键就相当于化学结构式中的短线“—”，从而说明了过去的结构式中短线的本质。

路易斯的上述描述相當圆满地说明了很多化合物的电子结构，这种表达形式即高中化学的电子式表达。原子在得失电子或共用电子时，除H和He外，如果外层电子达到8个电子的结构时最稳定（即所谓的八隅律），中学所学习的电子式即为经典的八隅律电子式，此理论也被称为经典价键理论。

从以上分析可以看出，八隅律电子式在当时的历史条件下，能从原子最大键合电子数目的角度处理分子中原子之间的键合情况，是一种难能可贵的开创性理论。虽不能真实地反映分子的空间构型，但为后续的价层电子对互斥理论以及杂化轨道理论等现代价键理论去解释分子空间构型提供了分析基础。犹如积木搭建时，只有先明确哪些积木可以互搭，有相互间搭几块构成稳定结构的构想，才有后续的大结构积木的成功搭建，因此，我们应正视八隅律电子式的教学价值与功能。

由图7可看出，八隅律电子式是根基，无论现在及将来分子共价键理论如何向前发展、如何不断修缮理论，这种原子之间的基本搭建形式的思维方式仍然会延续，因此，八隅律电子式的教学属于分子结构观中的一个基本观念，在学生掌握了基本原子结构后进行培养是非常必要的。

3 八隅律电子式在中学教学中的重要作用

在化学教学中，电子式也具有其独特的教学价值。首先，电子式是自初中化学开始物质基础积累到一定阶段后，在认识原子结构的基础上，第一次以微观结构的角度分析物质原子间的相互作用，符合化学科学的发展道路，与学生的认知规律一致;其次，电子式促进了对化学键的理解，从学生已有的认知水平来看，原子的行星模型及稀有气体原子的稳定结构是原有的认知，而现代价键理论和分子轨道理论却又过于复杂，八隅律电子式这种经典价键理论是联系二者的重要一环，是中学生初识化学键的最佳工具;再者，电子式是对结构式的合理解释，结构式是学生认识有机物性质的基础，理解了电子式的书写可以帮助学生理解有机反应中的断键与成键问题，将为有机物性质的学习奠定重要的基础。因此，在《普通高中化学课程标准（2017年版）》中对于化学键的内容如是描述：“认识构成物质的微粒之间存在相互作用，结合典型实例认识离子键和共价键的形成，建立化学键概念。知道分子存在一定的空间结构。认识化学键的断裂和形成是化学反应中物质变化的实质及能量变化的主要原因。”[7]其中结合典型实例认识离子键和共价键的形成，不可避免地会利用八隅律的电子式进行分析，因此，电子式仍将继续体现它的重要教学价值与功能。

正因为电子式有以上的教学价值与功能，无论是人教版、苏教版还是鲁科版教材，都出现了电子式对离子键、共价键形成过程表达的相关陈述[8～10]。在人教版教材中，用电子式表示离子化合物和共价化合物的形成过程出现于正文部分，此外教材还以表格形式列出了用电子式表示的一些常见的共价化合物;在苏教版教材中，正文中介绍了电子式的知识，用电子式表示离子化合物和共价化合物，但无相关化合物形成过程的描述;在鲁科版中，电子式并没有出现在正文部分，而是在资料部分进行简单介绍，举例列出了用电子式表示HCl和NaCl的形成过程。虽然不同版本教材中对电子式存在不同的处理方式，但都表达了电子式的应用在认识离子键、共价键的形成过程中具有不可取消或替代的重要地位和作用。

4 八隅律电子式的教学建议

4.1 关于形成过程

八隅律电子式的主要作用是从原子最大键合电子数目的角度处理分子中原子之间的键合情况。基于此，对于部分化合物在形成过程中用原子的电子式表达就可合理解释了。例如Mg与Cl2反应生成MgCl2的化学反应过程，其完整的能量变化过程如图8所示。

值得注意的是，用电子式表达MgCl2的形成过程并未完整表达整个反应过程，而仅表达了旧键断裂之后的新键形成部分，即图形中的b点到c点。故从能量视角，b点为旧键断裂后的活性原子部分，我们可以认为是处于激发态的原子而非基态原子。因此用图2右图表达镁原子的电子式存在其合理性。再如另一个熟悉的例子CH4的形成过程，C常见最大键合电子数目为4个，因此，为便于成键，应将4个电子尽可能分开，如何理解其合理性？我们依然可以采用类似的理解方式，形成过程的起点不是基态碳原子而是激发态碳原子。借用现代价键理论的观点，C在激发态与H原子成键时会先进行杂化出现4个sp3等性杂化轨道，此时4个价电子的能量是相同的，分布于4个杂化轨道，并无成对的价电子。故按4个分散方向去画电子式也是存在其合理性的。综上，电子式表达化合物的形成过程起点，都可以理解为处于激发态的原子，因此关于Mg、 Al、 C等原子电子式按尽可能分散的方向去分布价电子的现行表达形式，是符合能量视角的变化规律的，是合理的。

4.2 关于O2和CO2

关于O2的质疑相当于要求电子式去解释其顺磁性问题，关于CO2则相当于用定域键理论去解释离域键相关问题，这都是赋予了八隅律电子式不切实际的功能要求。笔者认为，每个理论都有它自身适合的应用范围，只有明确这一点，才能合理准确地使用它。对于解释CO2的键长问题可交由现代价键理论的杂化轨道理论去解释，依据杂化轨道理论，在CO2分子中碳原子采用sp杂化轨道与氧原子成键，C原子的两个sp杂化轨道分别与两个O原子生成两个σ键。C原子上两个未参加杂化的p轨道与sp杂化轨道成直角，并且从侧面同氧原子的p轨道分别肩并肩地发生重叠，形成两个Π43电子的离域键。因此，缩短了碳氧原子间的距离，使CO2中碳氧键具有一定程度的叁键特征，出现了键长介于典型的三键与双键之间的情况。对于O2顺磁性连现代价键理论也无能为力，则需要交给分子轨道理论去解释了[11]。中学八隅律电子式的功能在于建立搭建分子键合电子数目的分析方法，因此不必过分要求此类解释功能。在中学阶段按图3去构建O2、 CO2的电子式是可取的，这恰是缘于充分认识到八隅律电子式的局限性——从定域键理论的角度去认识原子形成化学键时键合电子数目的基本情况。因此，在结构式描述中，表达为OO、 OCO也尚无不可。这就像苯环的结构用离域键的角度表达为图9左，用定域键的凯库勒式表达大家仍然认可，见图9右。

4.3 八隅律电子式的应用边界

认识到八隅律电子式的合理性与局限性，重在思想性的启发，便能更清晰地指导教学。中学阶段可用八隅律电子式表达如下微粒，诸如H2、 Cl2、 N2、 HCl、 H2O、 NH3、 CH4、 CCl4、 HClO、 H2O2、 NH+4、 H3O+、 OH-、 O2-2、 C2-2、 CN-、 NaCl、 MgO、 MgCl2、 CaF2、 Na2O，以及其中的单质及化合物的形成过程。教学中不应做过多拓展，例如硫酸、硝酸等复杂分子微粒就无必要介绍。

5 总结

对于八隅律电子式，我们应持取其精华之态度，知其可取，知其局限，方可合理使用。

在教学实践中，教师应关注电子式学习背后的功能和价值，不能片面要求学生死记硬背，或者单纯记忆某物质的电子式或形成过程的电子式表达，而是应该在简单了解电子式这种表达后，学会在随后的课堂教学中使用电子式这个工具。化学知识的发展有其历史发展的逻辑性，经典价键理论是化学物质结构发展史上重要的一环，不可或缺，我们要把电子式模型当作研究手段，当作沟通宏观世界与微观世界的媒介。

没有万古不易的定理，也不会有恒久不变的模型，若当层出不穷的实验和理论要求对模型作出修改时，我们应把原始模型的出发点及具体形式的不适当部分作必要的修改、補充，以与新的实验事实相吻合，从而推动化学理论不断地向前发展。只有认识到八隅律电子式的重要作用，明晰其合理性与局限性，我们才能站在新的历史背景下去彰显电子式的教学价值与功能。

参考文献：

[1][8]宋心琦主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学2（第3版）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2007： 21.

[2][5][6]赵匡华. 化学通史[M]. 北京： 高等教育出版社， 1990： 322， 323.

[3]https：//baike.so.com/doc/53286585563830.html.

[4]沈科挺. 浅谈电子式书写中的困惑[J]. 教育教学刊， 2016， （9）： 156.

[7]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 18.

[9]王祖浩主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学2（第3版）[M]. 南京： 江苏教育出版社， 2008： 17～19.

[10]王磊主编. 普通高中课程标准实验教科书·化学2[M]. 济南： 山东科学技术出版社， 2007： 33～34.

[11]吴国庆等. 无机化学（上册）（第四版）[M]. 北京： 高等教育出版社， 2002： 84～90.