点与短线:化学家的速记
化学家需要一种快速的方法,来记录分子里电子都跑到哪儿去了,于是一个多世纪以前,一种简单的「记账」图胜出了。在路易斯结构里,你写出每个原子的符号,在它周围点上代表价电子的点,再用一根线(一道短横)表示每一对形成键的共享电子。它看起来几乎像小孩子的涂鸦——字母、点和短横——可它却抓住了「谁和谁成键」以及「多余的电子待在哪里」。
会出现两种电子对。成键对被两个原子共享——那就是共价键,画成一根线。孤对只待在一个原子上,不和任何人共享,画成两个点。这两种都算进该原子「填满外层」的配额里。把成键对和孤对分得清清楚楚,就是这整套本领;到下一篇我们预测分子形状时,它会给你带来巨大的回报。
一份你照着做就行的食谱
画路易斯结构真的就是照菜谱做——按步骤走,你几乎不会出错。我们就拿二氧化碳 CO₂ 作为示范题。
- 数出所有价电子。碳带来 4 个,每个氧带来 6 个,所以 4 + 6 + 6 = 16 个电子要安排。
- 把最不贪(电负性最低)的原子放中间。碳放在中央,两边各一个氧。
- 先用单键连起来,再把剩下的电子作为孤对铺在外侧原子上,把它们的外层填满。
- 如果中央原子还不够八个,就把孤对拉过来形成双键或三键。结果碳和每个氧之间都成了双键:O=C=O。
偏向一边的键:极性
路易斯结构把共享电子对画得好像正好在正中央,但你已经知道事情没那么简单。如果两个原子的电负性不同,那个更贪的原子就会霸占共享电子,于是它积累出一点点负电,而它的搭档则被剩下一点点正电。这种不均匀的共享就是键的极性:一根键有了带一点负电的一端和带一点正电的一端——尽管并没有任何电子被完全转移。
极性键自带一支小箭头,从正端指向负端——化学家把它的强弱和方向叫做偶极矩。水是弯曲的,满是极性的 O–H 键,而这些箭头并不互相抵消,于是整个分子都是极性的;单凭这一点,就能解释为什么水能溶盐、为什么冰会浮、为什么我们所知的生命得以存在。极性,正是从一张静态的点图通向「分子实际如何表现」的那座桥。
当一张图不够用:共振
有时候这份食谱会让你头疼。拿臭氧分子 O₃ 来说,你可以把它画成左边一个双键、右边一个单键——但你同样也可以把双键画在右边、单键画在左边。两张图都遵守每一条规则。哪一张才对呢?老实的回答是:都不对,又都对。
真实测量显示,臭氧的两根键是完全相同的——每一根都恰好介于单键和双键之间。真正的分子,是你能画出的那几张图的一种混合、一种平均。化学家把这叫做共振:当没有任何一张路易斯结构说出真相时,真实分子就是好几张图的混合体。那些共享的电子并没有被钉在某一个位置——它们摊开了,也就是[[delocalization|离域]],铺满了整段。