定域化電子鍵結模型 The Localized Electron Bonding

化學原理啟迪353

1.     我們需要一個可以用來簡單地描述複雜分子的模型，這個模型讓化學家得以解釋和組織各種化學現象，能夠辦到這一點的模型稱為定域化電子模型localized electron(LE) model。

Beethoven.Violin.Sonata.No.9.Op.47.kreutzer.

2.     定域化電子模型假設，分子由原子組成，這些原子透過共享原子軌域上的電子對彼此鍵結 a molecule is composed of atoms that are bound together by using atomic orbitals to share electron pairs。

3.     在這個模型中，我們假設電子對一定在特定的原子上或是原子之間的空間，不會跑開。在原子上的電子對稱為未鍵結電子/孤對電子lone pairs，在原子之間的電子對稱為鍵結電子bonding pairs。

4.     定域化電子模型LE包括三部分：

(1)用路易斯結構描述分子裡面的價電子排列方式。

(2)用價電殼層模型將電子對彼此的斥力降到最低的構造，預測分子的立體化學。

(3)用原子們彼此共享電子或保留未鍵結電子來描述原子軌域的類型。

5.     路易斯結構Lewis Structures。分子的路易斯構造，展現出分子裡面的原子們彼此之間的價電子排列。這個模型的名稱是為了紀念科學家G. N. Lewis。

6.     路易斯結構的法則來自於對數千種分子的觀察，觀察顯示絕大多數達到穩定的化合物，它們的原子都達到鈍氣電子組態。雖然偶爾會有例外，不過對絕大多數的化合物來說是對。

7.     我們已經知道，當金屬與非金屬反應產生二元離子化合物，原子上的電子會轉移位置產生離子，並且這些離子基本上會有鈍氣的電子組態。舉例來說，鉀K與溴Br產生的KBr化合物，裡面的鉀離子K⁺有氬[Ar]的電子組態，溴離子Br^－有氪[Kr]的電子組態。

8.     寫路易斯結構時，只需要寫出原子的價電子（不需要寫核電子）。利用「點」來表示電子，KBr的路易斯結構如下：

鉀離子K⁺沒有任何的點，因為它沒有價電子。溴離子Br^－有8個電子，顯示它的價電殼層是填滿的。

9.     接著我們將討論第一與第二週期元素共價鍵結成的分子的路易斯結構。這些元素符合追求鈍氣電子組態的原則。

10. 當氫原子們彼此共享2顆電子就能夠形成穩定的分子，這就是偶體法則duet rule。舉例來說，每個氫原子各有一顆電子，當二個氫原子結合成H2分子，我們得到：

11. 透過共享電子，H2氫分子裡的每個氫原子都得到2顆電子，使得氫分子裡的每個氫原子的價電殼層都填滿：

12. 氦不會形成化學鍵，因為氦的價電殼層已經填滿了，它已經是一個鈍性氣體。氦的電子組態1s2，用路易斯結構描述如下：

13. 第二排的非金屬（從碳到氟）元素，只要周遭有足夠的電子填滿價電殼層—2s軌域和2p軌域，它們就能形成穩定的分子。這些元素基本上遵循八隅體法則，要填滿2s和2p軌域需要8顆電子。

14. 其中一個例子是F2分子，它的路易斯結構如下：

15. 特別留意，氟分子F2裡的每個氟原子F都包圍著8顆電子，其中2顆是彼此共享的電子。這對共享的電子稱為鍵結電子對bonding pairs。每個氟原子還有3對電子沒有參與鍵結，這些電子稱為孤對電子/未鍵結電子對 lone pairs。

16. 氖不會形成任何化學鍵，因為氖自己已經有8顆電子，符合八隅體法則，它是鈍性氣體。氖的路易斯結構是：

路易斯結構顯示氖周圍的所有價電子，都是氖自己的價電子（2s²2p⁶）。1s²電子是核電子，不會參與化學反應。

17. 摘要 寫出路易斯結構

l     將分子的所有原子的價電子加總出來。不用擔心這些電子從那個原子來，最重要的是電子的總數。

l     用一對電子構成每一段鍵結原子之間的化學鍵。

l     扣除化學鍵用掉的電子，剩下的電子排列在原子周遭，氫原子必須滿足偶體法則（2顆價電子），其他元素必須符合八隅體法則（8顆價電子）。

18. 為了清楚瞭解以上的原則如何應用，我們將以某些分子為例說明如何建立它們的路易斯結構。首先我們將討論水分子。

步驟1

先計算出水分子H2O價電子的總數：

步驟2

每一個化學鍵使用一對電子，先化出水分子的二個OH單鍵：

H－O－H

特別留意，我們用一直線來代表構成化學鍵的一對電子。這是標準寫法。

步驟3

扣除化學鍵使用掉的電子，剩下來的電子放在原子的四周，務必使每一個原子都達到鈍氣元素的電子組態。因為已經有4顆電子用在2個化學鍵上，只剩下4個電子排在原子周圍。

氫原子擁有2個價電子就已經達到鈍氣組態，因為水分子裡面的氫擁有化學鍵上的2個價電子就已經達到鈍氣組態，但是氧原子需要8顆電子才能達到鈍氣的電子組態。因此，剩下的4顆電子必須加到氧原子身上，成為二組孤對電子/二對未鍵結電子。用黑點表示未鍵結電子對：

這是正確的水分子正確的路易斯結構。每一個氫原子都有2顆電子，並且中間的氧原子擁有8顆電子：

19. 第二個例子是二氧化碳，我們將一步一步寫出二氧化碳的路易斯結構。將二氧化碳所有的價電子加總起來，得到：

首先設定，碳與氧之間形成一個化學鍵如下：

O－C－O

剩下來的電子必須讓二氧化碳的每一個原子達到鈍氣電子組態。氧與左右二個碳各行成一個化學鍵之後（共2個化學鍵、用掉4顆電子），還剩下12顆電子（16－4）。接著用試誤法判斷這些電子應當如何分佈。

12顆電子就是6對電子，我們總共有6對電子可以當成孤對電子排列在原子周圍。如果我們讓每個氧原子分配到3對電子，會得到：

為了瞭解這個分子結構是否正確，我們必須檢查以下二件事情：

(1).檢查電子總數。在這個路易斯結構中共有16顆電子，這樣的電子總數是正確的。

(2)檢查每個原子的外圍電子是否符合八顆電子的總數（氫原子只要二顆電子）。每個氧原子都有8顆電子（包含化學鍵上的價電子與孤對電子），但是碳原子只有4顆電子（化學鍵上的價電子），沒有滿足8顆電子的需求，這顯然不是正確的路易斯構造。

20. 那我們該如何排列這16顆電子，讓它們滿足每個原子都有8顆電子的需求？如果碳與氧之間有二對共享的電子（雙鍵），那就可以滿足每個原子都有8顆電子的需求：

這樣的排列之下，二氧化碳的每一個原子都環繞著8顆電子，而電子總數還是16，因此碳氧之間由雙鍵連接，是正確的二氧化碳路易斯結構。

21. 最後，讓我們討論CN^－（氰）離子的路易斯結構。先將CN^－（氰）離子所有的價電子加起來，得到總數為10的價電子：

特別留意碳與氮的價電子加總之後，還要再加上1顆負電荷。

首先設定碳與氮之間有一個化學鍵（C－N），扣除化學鍵上的鍵結電子，剩下的電子分配到每個原子身上，檢查每個原子周圍的電子是否符合鈍氣的電子組態（8顆電子）：

檢查發現以上的路易斯構造是錯的，因為碳和氮各只有6顆電子，因此要增加碳與氮之間的化學鍵數量，正確的排列方式是：

由於這是一顆帶負電的陰離子，因此碳與氮以三鍵鍵結成的離子，用括弧括起來寫一個負號，代表它整體而言是帶一顆負電荷的。

22. 【例題】將以下的物質寫成路易斯結構：

a. HF  b. N2  c. NH3  d. CH4  e. CF4  f. NO⁺

【解題】

我們將按照以下的步驟寫出每一樣物質的路易斯結構。

23. 當你在寫路易斯結構時，不要擔心電子從哪顆原子來。最好的方法是將一顆分子視為一個整體，用盡原子一切可能的價電子去達到最低能量狀態。這些價電子是屬於分子的，而不是屬於個別原子的。只要將價電子按照分配到每個原子身上，使每個原子的價電子數量符合鈍氣電子組態就可以了，無須在意這些電子從哪來。

n     翻譯編寫Steven S. Zumdahl 《Chemical Principles》