AP化学 2.5 Lewis 结构

一张图，读出很多信息

2.4.4 节学过 Lewis 结构的画法。AP U2.5 要求你不但画得又快又对，还要会从图上读出信息：每个原子周围有几对电子，中心原子上有没有孤电子对，键是单键还是多重键。后面的共振和形式电荷（U2.6）、分子形状和杂化（U2.7）、分子间作用力（第 3 单元），都从一张正确的 Lewis 结构开始。

画 Lewis 结构：步骤复习

数价电子总数。 阴离子加上电荷数，阳离子减去电荷数。
画骨架。 电负性较小的原子一般在中间；H 只能连一个原子，永远在外侧。
连单键。 每个单键用掉 2 个电子。
补外围原子。 剩下的电子先把外围原子补到 8 个（H 为 2 个），再把多出来的放在中心原子上。
中心原子不够 8 个，就形成多重键。 把外围原子的一对孤电子对移到两个原子之间，单键变成双键，必要时再变成三键。

中心原子上的孤电子对

O 和 S 同在第 16 族，都有 6 个价电子。在 $\ce{H2O}$ 和 $\ce{H2S}$ 中，中心原子用 2 个价电子和两个 H 成键，剩下的 4 个就是中心原子上的 2 对孤电子对lone pairs。同族元素形成的同类分子，Lewis 结构的样子相同： $\ce{NH3}$ 和 $\ce{PH3}$ 的中心原子上都有 1 对孤电子对， $\ce{CH4}$ 和 $\ce{SiH4}$ 都没有。

H₂O：中心原子上 2 对

H₂S：中心原子上 2 对

NH₃：中心原子上 1 对

注意 Lewis 结构是平面上的示意图，H–O–H 画成一条直线，并不表示水分子是直的。分子的真实形状要用 VSEPR 模型判断（U2.7）。

八隅规则的例外

缺电子： $\ce{BF3}$ 、 $\ce{BH3}$ 中的 B 周围只有 6 个电子。为什么不把 F 的孤电子对移过来，形成 B=F 双键？那样 F 会带正的形式电荷（U2.6），而 F 是电负性最大的元素，这很不合理。所以 B 周围只有 3 对电子。
扩展八隅： 第 3 周期及以后的中心原子（P、S、Cl、Xe 等）原子较大，周围可以超过 8 个电子，如 $\ce{PCl5}$ （10 个）、 $\ce{SF6}$ （12 个）。第 2 周期的 C、N、O、F 永远不超过 8 个。
奇数电子： $\ce{NO2}$ 共有 17 个价电子，总有一个原子配不满 8 个。这是 Lewis 模型的局限。

BF₃：B 周围 6 个电子

BH₃：B 周围 6 个电子

SF₆：S 周围 12 个电子

缺电子的 B 遇上孤电子对

$\ce{BF3}$ 中的 B 还“缺”一对电子， $\ce{NH3}$ 中的 N 上正好有一对孤电子对。两种分子相遇时，N 的孤电子对和 B 共用，形成一个新的 N–B 共价键：

\ce{NH3 + BF3 -> H3N-BF3}

NH₃

BF₃

产物 H₃N–BF₃：N 的孤电子对变成了 N–B 键

这个键的两个电子都来自 N（中文教材把这样的键叫做配位键）。反应后 B 周围也有 8 个电子。图上的 +1 和 −1 是形式电荷，U2.6 会详细讲。

从 Lewis 结构读出信息：几种烃

分子	C 和 C 之间	键长 (pm)	键能 (kJ/mol)	实验式
$\ce{C2H6}$	单键（共用 2 个电子）	154	348	$\ce{CH3}$
$\ce{C2H4}$	双键（共用 4 个电子）	134	614	$\ce{CH2}$
$\ce{C2H2}$	三键（共用 6 个电子）	120	839	CH

C₂H₆

C₂H₄

C₂H₂

从这三张图可以直接得出：两个 C 之间共用的电子越多，C–C 键越短、越强（U2.2）；三种分子的实验式各不相同（U1.3），而 $\ce{C2H2}$ 和苯 $\ce{C6H6}$ 的实验式都是 CH。U2.7 还会用这些图判断分子的形状： $\ce{C2H4}$ 的六个原子在同一平面上， $\ce{C2H2}$ 的四个原子在一条直线上， $\ce{C2H6}$ 则不是平面分子。

同分异构体

分子式相同、原子的连接方式不同的化合物，叫做同分异构体isomers。乙醇和甲醚的分子式都是 $\ce{C2H6O}$ ：乙醇中 O 连着一个 C 和一个 H（有 O–H 键），甲醚中 O 连着两个 C。结构不同，性质也不同：常温下乙醇是液体，能和水以任意比例混溶；甲醚却是气体。

乙醇 CH₃CH₂OH

甲醚 CH₃OCH₃

丙醛和丙酮的分子式都是 $\ce{C3H6O}$ ，区别在 C=O 的位置：丙醛的 C=O 在链的一端（C 上还连着一个 H），丙酮的 C=O 在中间。

丙醛 CH₃CH₂CHO

丙酮 CH₃COCH₃

判断两张图是不是同分异构体：先数每种原子的个数，确认分子式相同；再看原子的连接方式是否不同。

现在自己画：选一个分子，点键在单键、双键、三键之间切换，孤电子对会按上面的步骤自动补上，橙色的原子还没有满足八隅规则：

动手试试：选一个分子，点键在单键、双键、三键之间切换，画出正确的 Lewis 结构

点一个键，在单键、双键、三键之间切换。橙色的原子还没有满足八隅规则，绿色的已经满足。

显示形式电荷（AP）

例题 1：PCl₃ 的 Lewis 结构

画出 $\ce{PCl3}$ 的 Lewis 结构，并指出中心原子上有几对孤电子对。

分步解析

数价电子总数。 P 在第ⅤA 族，有 5 个价电子；Cl 在第ⅦA 族，有 7 个：
$5 + 3 \times 7 = 26$
搭骨架。 电负性小的原子放中间：P（2.19）比 Cl（3.16）小，P 在中间，用三个单键连接三个 Cl。每个单键 2 个电子：
$26 - 3 \times 2 = 20$
先补外围原子。 每个 Cl 已有 1 个键（2 个电子），再补 3 对孤电子对（6 个电子）就满 8 个：
$20 - 3 \times 6 = 2$
剩下的给中心原子。 最后 2 个电子放在 P 上，成为 1 对孤电子对。
检查八隅规则。 P：3 个键（6 个电子）+ 1 对孤电子对（2 个电子）= 8；每个 Cl：1 个键 + 3 对孤电子对 = 8。每个原子都满足八隅规则，不需要多重键；用掉的电子 6 + 18 + 2 = 26，和第 1 步一致。

中心原子 P 上有 $\boxed{1}$ 对孤电子对。

例题 2：比较 C₂H₄ 和 C₂H₂

根据 Lewis 结构，比较 $\ce{C2H4}$ 和 $\ce{C2H2}$ 中 C–C 键的长短和强弱，并写出两者的实验式。

分步解析

识别：画出两者的 Lewis 结构。 价电子数：
$\begin{aligned} \ce{C2H4} &: 2 \times 4 + 4 \times 1 = 12 \\ \ce{C2H2} &: 2 \times 4 + 2 \times 1 = 10 \end{aligned}$
要让每个 C 满足八隅规则， $\ce{C2H4}$ 中两个 C 之间是双键（H₂C=CH₂，共用 4 个电子）， $\ce{C2H2}$ 中是三键（H–C≡C–H，共用 6 个电子）。
比较键级。 双键键级 2，三键键级 3。
联系到键长和键能。 两个原子核之间共用的电子越多，对两个原子核的吸引越强，原子核被拉得越近，拆开也越难：
- 键长：C≡C 120 pm < C=C 134 pm
- 键能：C≡C 839 > C=C 614（kJ/mol）
$\ce{C2H2}$ 的 C–C 键更短、更强。
求实验式。 实验式是最简整数比：
$\begin{aligned} \ce{C2H4} &: 2 : 4 = 1 : 2 \to \boxed{\ce{CH2}} \\ \ce{C2H2} &: 2 : 2 = 1 : 1 \to \boxed{\ce{CH}} \end{aligned}$

练一练：中心原子上有几对孤电子对？

$\ce{H2S}$ 中的 S
$\ce{PCl3}$ 中的 P
$\ce{BF3}$ 中的 B
$\ce{CH4}$ 中的 C
$\ce{OF2}$ 中的 O
HCN 中的 C
$\ce{H3O+}$ 中的 O
$\ce{NH4+}$ 中的 N
$\ce{SCl2}$ 中的 S
$\ce{XeF2}$ 中的 Xe

常见误区

误区 1：“每个原子都必须有 8 个电子。” H 只要 2 个； $\ce{BF3}$ 中的 B 只有 6 个；第 3 周期以后的中心原子可以超过 8 个，如 $\ce{SF6}$ 中的 S 有 12 个。

误区 2：“Lewis 结构画成什么样，分子就是什么形状。” Lewis 结构只表示原子怎样连接、电子怎样分布。H–O–H 画成直线，水分子却是 V 形的。形状要用 VSEPR 模型判断（U2.7）。

误区 3：“同分异构体只是同一种物质的不同画法。” 同分异构体是不同的化合物，原子的连接方式不同，性质也不同。只移动电子、不移动原子得到的几种结构才是同一种物质的不同画法，叫共振结构（U2.6）。

即时小测

$\ce{H2S}$ 分子中，中心原子 S 上有几对孤电子对？理由是什么？

下列分子中，中心原子周围少于 8 个电子的是？

$\ce{NH3}$ 和 $\ce{BF3}$ 反应生成 $\ce{H3N-BF3}$ 。关于新形成的 N–B 键，下列说法正确的是？

根据 $\ce{C2H6}$ 、 $\ce{C2H4}$ 、 $\ce{C2H2}$ 的 Lewis 结构，下列哪个说法有根据？

$\ce{CH3CH2OH}$ 和 $\ce{CH3OCH3}$ 的关系是？

下列分子中，只含单键的是？

AP 自由作答题

AP 风格自由作答题

(a) 求 $\ce{BF3}$ 的价电子总数，画出它的 Lewis 结构，并说明 B 周围有几个电子。

(b) 一位同学把 $\ce{BF3}$ 画成有一个 B=F 双键的结构，让 B 满足八隅规则。算出这个结构中 B 和双键 F 的形式电荷（形式电荷 = 价电子数 − 孤电子数 − 键数），说明为什么它不是最好的结构。

(c) $\ce{BF3}$ 和 $\ce{NH3}$ 反应生成 $\ce{H3N-BF3}$ 。说明新的 N–B 键中两个电子的来源。

(d) 反应前后，B 周围的电子对数从 3 对变成 4 对。预测 F–B–F 键角怎样变化。

参考答案与评分要点

(a) 3 + 3 × 7 = 24 个价电子。B 在中间，用三个单键连接三个 F，每个 F 上有 3 对孤电子对。B 周围只有 6 个电子。

(b) 双键 F：7 − 4 − 2 = +1；B：3 − 0 − 4 = −1。F 是电负性最大的元素，却带正的形式电荷，B 反而带负的形式电荷，而只有单键的结构中所有形式电荷都是 0，所以单键结构更好。

(c) 两个电子都来自 $\ce{NH3}$ 中 N 上的孤电子对；B 原来缺一对电子，接受了这对电子。

(d) 键角变小：B 周围从 3 对电子（平面三角形，120°）变成 4 对（四面体形），F–B–F 键角接近 109.5°。

评分要点： (a) 24 个电子、结构正确、“6 个电子”；(b) 两个形式电荷都对，并指出“正电荷在电负性最大的 F 上”；(c) “N 的孤电子对”；(d) 预测变小并说出 4 对电子、约 109.5°。

小结

画 Lewis 结构：数价电子（离子加减电荷）→ 骨架 → 单键 → 先补外围原子、再给中心原子 → 不够就形成多重键。
中心原子上的孤电子对要画出来： $\ce{H2O}$ 、 $\ce{H2S}$ 各有 2 对， $\ce{NH3}$ 有 1 对。
例外：B 可以只有 6 个电子；第 3 周期以后的中心原子可以超过 8 个；奇数电子的分子总有原子配不满。
孤电子对可以和缺电子的原子形成新的共价键，如 $\ce{H3N-BF3}$ 。
从 Lewis 结构能读出键的类型、相对键长和键能、实验式；分子式相同、连接方式不同的是同分异构体。

AP 提示： 题目常给出几种分子，问哪一个的中心原子有两对孤电子对、哪一个不满足八隅规则，或者根据 Lewis 结构判断“哪个说法有根据”。动笔前先数价电子总数，最后再检查一遍：电子总数对不对，每个原子周围有几个电子。

Lewis 结构Lewis Diagrams

学习目标

前置知识

一张图，读出很多信息

画 Lewis 结构：步骤复习

中心原子上的孤电子对

八隅规则的例外

缺电子的 B 遇上孤电子对

从 Lewis 结构读出信息：几种烃

同分异构体

例题 1：PCl₃ 的 Lewis 结构

例题 2：比较 C₂H₄ 和 C₂H₂

常见误区

即时小测

AP 自由作答题

小结

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