怎麼畫路易斯結構式完整教學：從基礎到進階的繪製步驟與技巧
【怎麼畫路易斯結構式】完整教學：從基礎到進階的繪製步驟與技巧
學習如何繪製路易斯結構式，是理解分子結構、化學鍵和分子極性的重要第一步。 簡單來說，路易斯結構式是一種利用點和線來表示原子價電子如何分佈在分子中的圖示方法，其中點代表孤對電子，線代表共價鍵。掌握繪製路易斯結構式的技巧，能幫助您準確預測分子的空間排列、反應活性，甚至物理性質。本文將帶您一步步掌握【怎麼畫路易斯結構式】的完整流程，從最基本的原則到進階的應用。
第一步：計算總價電子數
這是繪製路易斯結構式的基礎。您需要找出分子中所有原子的價電子總數。價電子是原子最外層的電子，也是參與化學鍵形成的電子。
- 確定每個原子的價電子數： 參考週期表，例如：
- 第一族（鹼金屬）通常有 1 個價電子。
- 第二族（鹼土金屬）通常有 2 個價電子。
- 第十三族（硼族）通常有 3 個價電子。
- 第十四族（碳族）通常有 4 個價電子。
- 第十五族（氮族）通常有 5 個價電子。
- 第十六族（氧族）通常有 6 個價電子。
- 第十七族（鹵素）通常有 7 個價電子。
- 第十八族（鈍氣）通常有 8 個價電子（氦有 2 個）。
- 將所有原子的價電子數相加： 得到分子的總價電子數。
- 處理離子：
- 如果分子帶負電荷（陰離子），則需要在總價電子數上加上相應的電子數。例如，對於 OH⁻，計算 (1 for O + 1 for H) + 1 = 3 個價電子，錯誤。正確計算為 (6 for O + 1 for H) + 1 (負電荷) = 8 個價電子。
- 如果分子帶正電荷（陽離子），則需要從總價電子數中減去相應的電子數。例如，對於 NH₄⁺，計算 (5 for N + 4 * 1 for H) - 1 (正電荷) = 8 個價電子。
範例：計算水分子 (H₂O) 的總價電子數
氧原子 (O) 位於第 16 族，有 6 個價電子。
氫原子 (H) 位於第 1 族，有 1 個價電子。
總價電子數 = 6 (O) + 2 * 1 (H) = 8 個價電子。
第二步：確定中心原子
中心原子通常是分子中電負性最小的原子，但有一個重要的例外：氫原子永遠不會是中心原子，因為它只能形成一個共價鍵。在多個原子連接時，選擇連接最多其他原子的原子作為中心原子。如果有多個原子可以作為中心原子，則選擇電負性較小的原子。
判斷中心原子的技巧：
- 電負性： 氟 (F)、氧 (O)、氮 (N)、碳 (C) 的電負性順序為 F > O > N > C。
- 連接數： 通常，電負性越小的原子越容易成為中心原子，因為它們傾向於形成更多鍵。
範例：確定水分子 (H₂O) 的中心原子
在 H₂O 中，氧的電負性高於氫，氫只能形成一個鍵，因此氧 (O) 是中心原子。
範例：確定二氧化碳分子 (CO₂) 的中心原子
碳 (C) 的電負性低於氧 (O)，且可以連接兩個氧原子，因此碳 (C) 是中心原子。
第三步：連接原子並形成單鍵
將中心原子放在中間，將其他原子連接到中心原子上，形成單鍵。每個單鍵都由一對共用電子組成，即兩個價電子。
請記住： 您在這一階段消耗的電子數是「原子數 - 1」乘以 2 (因為每個鍵有 2 個電子)。
範例：連接水分子 (H₂O) 的原子
將氧原子放在中心，兩個氫原子連接到氧原子上，形成兩個單鍵：H - O - H。
消耗的電子數：(3 個原子 - 1) * 2 = 4 個價電子。
範例：連接二氧化碳分子 (CO₂) 的原子
將碳原子放在中心，兩個氧原子連接到碳原子上，形成兩個單鍵：O - C - O。
消耗的電子數：(3 個原子 - 1) * 2 = 4 個價電子。
第四步：為外圍原子（非中心原子）補滿八隅體
從中心原子開始，將剩餘的價電子分配給外圍原子，使其最外層電子達到八隅體（除了氫，它只需要兩個電子，即達成穩定結構）。通常，您會以孤對電子的形式（兩個點）將電子添加到外圍原子上，直到它們滿足八隅體規則。
注意： 每個原子（除了氫）都希望擁有 8 個價電子，就像鈍氣一樣。氫只需要 2 個價電子。
範例：為水分子 (H₂O) 的外圍原子補八隅體
總價電子數是 8 個。已經使用了 4 個形成單鍵。剩餘 8 - 4 = 4 個價電子。
兩個氫原子都已經有 2 個電子（來自共價鍵），滿足了它們的需求。
將剩餘的 4 個價電子以兩對孤對電子的形式添加到氧原子上。
結構現在是： H - Ö - H （氧上有兩對孤對電子）。
檢查：每個氫原子有 2 個電子，氧原子有 2 (來自左鍵) + 2 (來自右鍵) + 4 (來自孤對電子) = 8 個電子。路易斯結構式完成。
範例：為二氧化碳分子 (CO₂) 的外圍原子補八隅體
總價電子數是 16 個 (4 for C + 2 * 6 for O)。已經使用了 4 個形成單鍵。
剩餘 16 - 4 = 12 個價電子。
將 12 個價電子平均分配給兩個氧原子，每個氧原子得到 6 個（3 對孤對電子）。
結構現在是： Ö = C = Ö （每個氧原子上有三對孤對電子，中心碳原子上沒有孤對電子）。
檢查：每個氧原子有 2 (來自鍵) + 6 (孤對電子) = 8 個電子。
但碳原子只有 2 (來自左鍵) + 2 (來自右鍵) = 4 個電子，不滿足八隅體。
第五步：將孤對電子移到中心原子上形成多重鍵，以滿足中心原子的八隅體
如果中心原子在完成步驟四後仍未滿足八隅體，您需要將外圍原子上的孤對電子移到中心原子和外圍原子之間，形成雙鍵或三鍵。這通常發生在碳、氮、氧等原子之間。
範例：為二氧化碳分子 (CO₂) 完成八隅體
如上所述，碳原子只有 4 個價電子。
從每個氧原子上各移走一對孤對電子，與碳原子形成雙鍵。
結構變成： O=C=O （每個氧原子上有兩對孤對電子，中心碳原子上沒有孤對電子）。
檢查：
左側氧原子：2 (來自雙鍵) + 4 (孤對電子) = 6 個電子。不對，這裡有錯誤。重新檢查。
修正範例：為二氧化碳分子 (CO₂) 完成八隅體
總價電子數是 16 個。
初始連接： O - C - O，使用了 4 個電子。
剩餘 12 個電子。
在外圍氧原子上補滿八隅體：每個氧原子得到 6 個電子（3 對孤對電子）。
結構：
:Ö:
/
C
/
:Ö:
(這裡的 :Ö: 表示氧原子周圍有 6 個點，代表 3 對孤對電子)
現在檢查八隅體：
左側氧原子： 2 (來自鍵) + 6 (孤對電子) = 8 個電子。滿足。
右側氧原子： 2 (來自鍵) + 6 (孤對電子) = 8 個電子。滿足。
碳原子： 2 (來自左鍵) + 2 (來自右鍵) = 4 個電子。未滿足。
現在，將外圍氧原子上的孤對電子移到碳原子和氧原子之間形成多重鍵。
從左側氧原子移走一對孤對電子，形成雙鍵。
從右側氧原子移走一對孤對電子，形成雙鍵。
最終結構：
:Ö=C=Ö:
(這裡 :Ö= 表示氧原子有 2 對孤對電子)
再次檢查八隅體：
左側氧原子： 4 (來自雙鍵) + 4 (孤對電子) = 8 個電子。滿足。
碳原子： 4 (來自左鍵) + 4 (來自右鍵) = 8 個電子。滿足。
右側氧原子： 4 (來自雙鍵) + 4 (孤對電子) = 8 個電子。滿足。
所有原子的八隅體都滿足了。總共使用了 4 (左鍵) + 4 (右鍵) + 4 (左側孤對) + 4 (右側孤對) = 16 個價電子。這與計算的總價電子數一致。路易斯結構式完成。
第六步：計算形式電荷（可選但推薦）
形式電荷是計算一個原子在分子中帶有多少「淨」電荷，假設共用電子對平均分配給兩個原子。這有助於判斷最穩定的路易斯結構式。
形式電荷計算公式：
形式電荷 = (原子價電子數) - (非鍵合電子數) - (鍵合電子數 / 2)
規則：
- 最穩定的路易斯結構式應具有最小的絕對值形式電荷。
- 負形式電荷應盡可能出現在電負性較強的原子上。
- 正形式電荷應盡可能出現在電負性較弱的原子上。
範例：計算 CO₂ 的形式電荷
左側氧原子： 6 (價電子) - 4 (孤對電子) - 4 (鍵合電子 / 2) = 6 - 4 - 2 = 0
碳原子： 4 (價電子) - 0 (孤對電子) - 8 (鍵合電子 / 2) = 4 - 0 - 4 = 0
右側氧原子： 6 (價電子) - 4 (孤對電子) - 4 (鍵合電子 / 2) = 6 - 4 - 2 = 0
所有原子的形式電荷均為 0，這表明 CO₂ 的路易斯結構式是穩定的。
處理一些特殊情況
不完整的八隅體
某些原子，特別是硼 (B) 和鈹 (Be)，可能在最終的路易斯結構式中擁有少於八個價電子的情況。例如，BF₃ 中，硼只有 6 個價電子。
擴展的八隅體
位於週期表第三週期及以下的原子（例如，P, S, Cl, Br, I）可以擁有超過八個價電子的情況，因為它們有空的 d 軌域可以容納額外的電子。例如，PCl₅ 中的磷有 10 個價電子。
奇數價電子分子
有些分子包含奇數個總價電子，這意味著它們不可能讓所有原子都滿足八隅體規則。例如，NO₂ 中的氮氧化物。在這種情況下，通常會有一個原子只有七個價電子。
共振結構
當一個分子有多種可能的路易斯結構式，它們僅在電子分佈上有所不同時，我們稱之為共振結構。共振結構用雙箭頭 (↔) 連接。分子的真實結構是這些共振結構的平均值。
範例：臭氧 (O₃) 的共振結構
總價電子數：3 * 6 = 18 個。
中心原子是氧。結構為 O - O - O。
補滿八隅體後，可能出現一個氧原子帶有 3 個鍵（形式電荷為 +1）和 2 個孤對電子，另一個氧原子帶有 1 個鍵（形式電荷為 -1）和 3 對孤對電子，中心氧原子帶有 2 個鍵和 2 對孤對電子（形式電荷為 0）。
由於電子可以從兩側的氧原子重排，因此存在兩種共振結構：
O=O-O ↔ O-O=O
繪製路易斯結構式的總結
掌握【怎麼畫路易斯結構式】的關鍵在於系統性的步驟和對八隅體規則的理解。記住以下步驟：
- 計算總價電子數。
- 確定中心原子。
- 連接原子形成單鍵。
- 為外圍原子補滿八隅體。
- 如有必要，形成多重鍵以滿足中心原子的八隅體。
- 計算形式電荷以評估結構的穩定性。
通過不斷練習，您將能夠熟練地繪製各種分子的路易斯結構式，這將為您深入理解化學打下堅實的基礎。請記住，化學是一個不斷探索的過程，每一次繪製都是一次對分子世界的觀察與理解。