本單元我們將學習繪製分子化合物路易斯結構式的方法 路易斯結構式可用來表達原子如何共用價電子 以符合八隅體規則 並形成分子 先從氟開始 每個氟原子都有7個價電子 缺1個電子才能符合八隅體規則 所以當兩個氟原子各自提供1個價電子共用時 就形成了穩定的氟分子 習慣上會將共用的「價電子對」用一條短線表示 這就是氟分子的路易斯結構式 接著再看氫分子的例子 每個氫原子都有1個價電子 因為氫的價殼層電子全滿 只需要兩個電子 所以當兩個氫原子各提供一個價電子共用時 即可形成穩定的氫分子了 再來看複雜一點的分子 想想看 氧原子與氫原子要如何結合形成穩定的分子呢？ 氧原子有6個價電子 還缺少兩個電子才能滿足八隅體規則 所以需要和其他原子共用兩個價電子 而氫原子有1個價電子 還缺少1個電子才能滿足八隅體規則 所以需要和其他原子共用1個價電子 請推論看看 1個氧原子需要與幾個氫原子結合 才能形成穩定的化合物呢？ 答案是1個氧原子需要與兩個氫原子結合 就能夠形成穩定的化合物 水 依此類推 具有5個價電子的氮原子 需要與3個氫原子結合 以形成穩定的化合物 氨 具有4個價電子的碳原子 則需要與4個氫原子 以形成穩定的化合物 甲烷 綜上所述 可以歸納出在繪製路易斯結構式時 需要注意 一 路易斯結構式必須標示出所有原子的價電子 且分子中的各原子會盡可能符合八隅體規則 二 原子與原子之間若有價電子的共用 可用一條短線表示 有沒有能夠快速畫出路易斯結構式的方法呢？ 路易斯結構的基本想法 是讓所有原子符合八隅體規則 而形成穩定的化合物 所以只要將分子中 所有原子的價電子加總後重新分配 讓原子可以兩兩鍵結 再讓原子的價電子數符合八隅體規則即可 接下來 用不太複雜的三氟化氮示範 首先第一步「將所有價電子加總」 氮原子有5個價電子 氟原子有7個價電子 因此三氟化氮共有26個價電子 請注意 這代表畫出來的路易斯結構式中 必須要包含26個價電子 接著 我們必須決定在分子中 各原子的相對位置關係 簡單的分子通常會有一個中心原子 其他的原子則是外圍原子 所以第二步「選擇中心原子」 通常會選擇個數少、需要形成較多化學鍵 或電負度較小的原子做為中心原子 另外 因為氫原子只有一個價電子 最多只能形成一個共價鍵 所以氫原子必為外圍原子 依照上述說明 我們選擇氮原子為中心原子 氟原子為外圍原子 第三步「中心原子與外圍原子形成鍵結」 我們在氮原子與氟原子間畫一條短線 表示共用2個電子形成共價鍵 才能將原子結合並形成分子 第四步「滿足八隅體規則」 先分配電子給外圍原子 以滿足八隅體規則 如果還有剩餘的價電子再給中心原子 先從氟原子開始 與氮原子間的一條短線代表兩個電子 所以氟原子旁需要再點上6個電子 使氟原子滿足八隅體規則 另外兩個氟原子也依樣畫葫蘆 當三個氟原子都滿足八隅體規則時 總共已經畫上了24個價電子 由於第一步算出價電子總數是26 剩餘的兩個價電子 就畫在中心的氮原子旁 如此氮原子也滿足八隅體規則了 接下來再試看看結構更複雜分子 二氧化碳的路易斯結構式 第一個步驟 碳原子有4個價電子 氧原子有6個價電子 因此二氧化碳共有16個價電子 第二個步驟 選擇個數較少的碳原子做為中心原子 氧原子則是外圍原子 第三個步驟 在碳原子與氧原子間畫一條短線 表示共用電子形成共價鍵 第四個步驟 先從氧原子開始 在氧原子旁點上6個電子 使其滿足八隅體規則 另一個氧原子也一樣 至此 16個價電子已經都畫出來了 但是中心的碳原子卻還沒滿足八隅體規則 該怎麼辦呢？ 此時 需要再加上第五個步驟「形成多重鍵」 將氧原子周圍的兩個電子 移至碳原子與氧原子之間 形成第二個共價鍵 如此氧原子仍然滿足八隅體規則 而碳原子周圍會多出兩個電子 再將另一個氧原子周圍的兩個電子 移至碳原子與氧原子間 形成第二個共價鍵 就會發現所有原子周圍都有8個價電子 都符合八隅體規則了 其中碳原子與氧原子間共用2對電子形成兩個共價鍵 稱為「雙鍵」 請試著畫畫看氰化氫分子的路易斯結構式 最後一個例子是碳酸根 碳酸根是帶有負2價的離子 所以第一步 除了要將所有原子的價電子加總之外 還要加上離子所帶的兩個負電荷 因此總共有24個價電子 接著依照前面所學 完成「選擇中心原子」 「中心原子與外圍原子形成鍵結」 「滿足八隅體規則」等步驟 當我們要進行第五個步驟「形成多重鍵」時 會發現碳酸根中有三個氧原子 任意一個氧原子周圍的電子與碳原子形成多重鍵時 都可讓碳原子滿足八隅體規則 所以會出現不只一種合理的結構表示法 這種狀況稱做「共振」 習慣上會將三種可能的路易斯結構式都畫出來 並且在結構間畫上雙箭頭 來表示所謂的共振結構 任一個共振結構都不足以表示真實結構 以碳酸根的結果為例 碳原子與氧原子之間的共價鍵 不是單鍵也不是雙鍵 而是鍵長與鍵能都介於單鍵與雙鍵之間的「一又三分之一鍵」 另外 由於離子本身帶有電荷 所以我們會將整個結構用「中括弧」括起來 並且在右上角標示電荷 請試著判斷以下物質是否含有共振結構 接著 我們來看看不符合八隅體規則的例子 第一類是「價電子總數為奇數」的分子 如果價電子總數為奇數 則不可能使每個原子皆符合八隅體規則 常見的例子是含有氮原子的「一氧化氮」、「二氧化氮」 第二類是「中心原子為鈹、硼」的分子 因為鈹為2A族 只能提供兩個價電子形成兩個共價鍵 同理 硼只能提供3個價電子形成3個共價鍵 所以中心原子為鈹或硼的分子 中心原子周圍的電子會少於8個 但需要說明的是 因為一些實驗數據的出現 有科學家認為三氟化硼有共振結構 硼原子與氟原子之間為「一又三分之一鍵」 唯現行高中教材仍將三氟化硼歸類於不符合八隅體的例子 第三類是「中心原子價電子數超過8個」 由五氯化磷的路易斯結構 可看出磷原子周圍共有10個價電子 而六氟化硫的硫原子周圍共有12個價電子 想想看 除了直接畫出路易斯結構之外 有沒有更簡單的方式 可以粗略判斷不符合八隅體規則的分子嗎？ 其實當價電子總數大於32時 就表示讓中心原子周圍的四個外圍原子滿足八隅體規則後 還有多的電子會分配給中心原子 所以中心原子的價電子數必會大於8 當然不符合八隅體囉！ 但這只是粗略的判斷 最準確的方式還是需要畫出路易斯結構 讓我們複習一下今天學到的觀念 前面提到不符合八隅體規則的例子 是五氯化磷和六氟化硫 想想看 為什麼不存在畫面上兩種分子呢？ 歡迎在影片下方留言區告訴我們你的答案 我們下次見