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化学碎碎念(一)Lewis电子式

化学碎碎念(一)Lewis电子式

作者: 艾冰台 | 来源:发表于2020-11-15 09:02 被阅读0次

学校从新学期开始把原来的《无机与分析化学》拆成为两门课:无机化学、分析化学。

这里的分析化学主要是化学分析,就是常说的滴定分析,也称之为容量分析。对于刚进入大学的学生而言,尤其是那些高中时化学学的少的孩子来说,化学一上来就感觉听不懂,跟不上老师的进度。尤其要是遇上说话速度快的老师,就与听天书无异。

(。•́︿•̀。)

其中讲到无机化学结构那一部分,很多学生就感到理解无力,对于出现的一些新概念根本无法理解。心中暗忖道,原子轨道怎么可以这样?八隅律是什么鬼?形式电荷又是什么?杂化轨道有啥用处?分子轨道又是啥玩意?心中会涌现出无数的问题,随着课程的开始,问题也越来越多,到最后有种无力学习,无奈懈怠的感觉。看老师在讲台上口若悬河,黑板上写满各种符号,老师说话的声音渐远渐消。精神早就已经无法集中,任老师百般分析讲解,内心里是无数只“癞蛤蟆跳井”。

其实无机里所讲的结构化学,都是一种定性描述,即使有计算也是相当简单的小学四则混合运算。虽然满篇充满了量化的气息,但都是用语言来论述,有关量化计算内容丝毫都没有。但即使是这样,对于微观描述的语言,平日里面对宏观世界的我们该如何去理解?

1.Lewis电子式

结构一上来就开始讲共价键理论。第一个是经典的Lewis理论,也就是高中里常讲的八隅律。

八隅律,顾名思义,组成分子的原子周围都有稀有气体(以前叫惰性气体)的最外层结构。除了He是2电子外,其他Ne、Ar、Kr、Xe、Rn最外层都是8电子结构。在Lewis生活的年代,当时的科学实验发现,这些气体都很稳定,不能与其他元素形成化合物,所以认为具有它们这样的结构是稳定结构,它们的名字也被称为“惰性气体”。当然这是国内这样翻译,英语称之为 noble gas,意思完全不同。(现在科研发现,“惰性气体”也可以形成化合物,如Xe。它可以形成多种化合物,如XeF4,XeO4等等。所以在教材中把它们都名称由“惰性气体”改为稀有气体。)

Lewis电子式在写的时候,可根据一定的运算,可以算出某个分子内有几对电子共享成键,有几对电子是不参加成键,即是孤电子对。画的时候,一般先把分子中电负性(这是衡量原子吸引电子能力的一个指标,越容易吸引电子,电负性越大。所以一般非金属元素的电负性大,金属元素电负性小。)小的原子放在中心位置,电负性大的原子放在四周。

为啥要这样放?学过化学都知道,一般对于复杂分子或离子而言,中心原子的氧化数(大学里的叫法,就是高中里所讲的化合价)一般为正值(除了四周原子是氢,如NH3,OH2等)。所以只有把电负性小的原子放在中间,才有可能它的最外层电子被四周电负性大的原子所吸引,从而发生共用电子对的偏离,这样它的氧化值显正值。

这样,一个分子就可以画出很多种不同画法的Lewis电子式。那到底哪个是稳定的电子式?或着哪个电子式在分子结构中是主要结构?(在有机化学中称之为共振体,可参看前文,有机化学中的共振论)这时可以又引出一个新的判断稳定性指标,形式电荷,QF。

形式电荷,就是原子自身的价电子(主族元素就是最外层电子数)与在分子中属于该元素原子的电子做一个比较。那又如何计算分子中属于该元素原子的电子呢?如果在分子中,该原子有孤电子对,那么这些电子肯定属于它,因为它没有和其他原子共享或共用。分子中还有什么电子属于该原子呢?那就是共用电子对(成键电子对),因为是共享或共用的,所以这对电子不能被该原子专属,它只能拿走一半,即1个电子。由此形式电荷的算法就有了公式:

QF=原子价电子数 — 孤电子对数 — 共用电子一半(也就是成键数目)

形式电荷有正有负,在写出的多种Lewis电子式中,一般的稳定结构是形式电荷少的。形式电荷越小,该分子越稳定。对于离子而言,画出的电子式中肯定有一定的形式电荷,那也应该把负电荷归属给电负性大的原子,正电荷归属给电负性小的原子。这样才符合它们的“身份”,否则“德不配位”必然是不稳定的。

Lewis电子式对于第一第二周期的非金属元素中的碳、氮、氧、氟的化合物基本符合。但到了第三周期以后,就会发现,这个八隅律画出来以后中心原子往往都带有很高的正电荷,四周原子都带有负电荷(因为要满足八隅律)。(如SO42-,PO43-等)为了解决这个问题,为了使中心原子形式电荷归零,由此会形成跟多双键(增加共用电子对),中心原子的形式电荷会大量减少,最后都可以归零(这样的结果就是,中心原子都不满足八隅律了(´;︵;`),但这是稳定结构)。

所以,对于有机化学(涉及的元素多为C、N、O、H……)而言,Lewis电子式可以很好的表达其有机物结构,反应机理,所以有机化学的很多教材,包括更多的原版有机教材,有机分子结构式主导就是Lewis电子式。但由于电子式写起来太复杂,从而出现了很多简写方式,结构式、结构简式、键线式……

还有,对于前面提及的为何要把电负性小的原子放在中间,也可以通过形式电荷来验证,如果电负性小的原子放在四周,最后结果是它们都会带上较高的负电荷,不利于分子稳定。

今天就先讲到这里,休息休息。

明天继续(๑❛ᴗ❛๑)

2020.11.5

临近期末,做个小小的解惑答疑

(文中应该的电子式图画,读者可以自己尝试)

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