# 共价键与路易斯结构

> IB 化学 HL · 单元 2：成键与结构模型
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-hl-u2-covalent-bonding-and-lewis-structures/

本小节介绍共价键、八隅体规则，以及如何绘制路易斯结构来表示共价分子和多原子离子。你还将学习如何使用形式电荷识别最稳定的共振结构。

**先修:** [电子排布与价电子](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-hl-u1-electron-configuration/); [离子键基础](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-hl-u2-ionic-bonding/)

## 学习目标

- 从静电引力的角度定义共价键
- 为分子和多原子离子绘制正确的路易斯结构
- 识别八隅体规则的常见例外
- 使用形式电荷选择最稳定的路易斯结构

## 共价键的本质

**共价键** — 由成键原子共用电子对与两个带正电原子核之间的静电引力形成的化学键。

*例:* 在氢分子（$H_2$）中，两个氢原子共用一对电子，形成一个单共价键。

共价键通常形成于非金属原子之间，当成键原子的电负性差太小，无法发生电子转移（形成离子键的过程）时，就会形成共价键。电子在原子之间共用而非转移。

1. 单键：1对共用电子（键级 = 1）
2. 双键：2对共用电子（键级 = 2）
3. 三键：3对共用电子（键级 = 3）

**例题:** 确定氧分子（$O_2$）中成键对和孤对电子的数量。

1. 每个氧原子有6个价电子，因此总价电子数 = $6 + 6 = 12$。
2. 两个氧原子共用2对（4个电子）形成双键，两个原子都满足八隅体规则。
3. 每个氧原子剩余4个未成键电子，即每个原子有2对孤对电子。总成键对 = 1个双键 = 1对成键电子，整个分子总孤对电子数为4对。

## 分步绘制路易斯结构

路易斯结构是分子的二维表示，它将所有价电子表示为成键对（原子之间的线）或孤对电子（单个原子上的点）。遵循这套一致的方法可以避免错误：

1. 统计所有原子的总价电子数。离子每带一个负电荷加1个电子，每带一个正电荷减1个电子。
2. 排列原子，将电负性最小的原子放在中心位置（氢永远不是中心原子）。
3. 每对成键原子之间用单键连接（每个单键含2个电子）。
4. 将剩余电子先作为孤对电子分配给端基原子，满足它们的八隅体。
5. 如果中心原子没有填满八隅体，将端基原子的孤对电子转换为双键或三键。

**例题:** 绘制氢氧根离子（$OH^-$）的路易斯结构。

1. 统计总价电子数：O有6个，H有1个，-1电荷加1个电子。总数 = $6 + 1 + 1 = 8$。
2. 排列原子：O在中心，H在端基：$H-O$。
3. 单键用掉2个电子。剩余电子 = $8 - 2 = 6$。
4. 将6个电子作为3对孤对电子分配给O。H有2个电子（外层已满，只需要2个），O有8个电子（八隅体已满）。
5. 将离子放在方括号中，在右上角加上负电荷，得到最终结构。

> **考试提示:** 一定要记得根据多原子离子的电荷调整总价电子数——这是IB考试中最容易丢分的点之一。

## 形式电荷与共振

**形式电荷** — 分配给路易斯结构中某一原子的电荷，计算公式中$V$ = 中性原子的价电子数，$L$ = 孤对电子数，$B$ = 成键电子数。

*记法:* $FC = V - L - \frac{B}{2}$

*例:* 当存在多个有效结构时，用于选择最稳定的路易斯结构。

最稳定的路易斯结构遵循两条形式电荷规则：1) 形式电荷尽可能接近零，2) 任何负形式电荷都位于电负性最大的原子上。

**共振** — 当分子存在多个有效路易斯结构，仅双键和孤对电子的位置不同（原子位置不变）时发生。分子的实际结构是所有共振形式的平均值。

**例题:** 计算氰酸根离子$NCO^-$的形式电荷，并识别更稳定的结构。

1. 总价电子数：$5 (N) + 4 (C) + 6 (O) + 1 (电荷) = 16$。
2. 结构 1 (N-C, C≡O): $FC(N) = 5 - 6 - 2/2 = -1$, $FC(C) = 4 - 0 - 8/2 = 0$, $FC(O) = 6 - 2 - 6/2 = +1$
3. 结构 2 (N≡C, C-O): $FC(N) = 5 - 2 - 6/2 = 0$, $FC(C) = 4 - 0 - 8/2 = 0$, $FC(O) = 6 - 6 - 2/2 = -1$
4. 结构 2 更稳定：所有形式电荷都最接近零，且负电荷位于O上，O的电负性比N更大。

## 八隅体规则的例外

八隅体规则是一般指导原则，不是定律。常见的例外分为三类：

- 不完全八隅体：中心原子电子数少于8。常见于Be、B、Al（例如$BeCl_2$、$BF_3$）
- 扩展八隅体：中心原子电子数多于8。仅第三周期及以上具有空d轨道的中心原子可以形成（例如$PCl_5$、$SF_6$）
- 奇电子物种：总价电子数为奇数，因此有一个原子含有未成对电子（例如$NO$、$ClO_2$）

**例题:** 解释为什么$SF_6$存在而$OF_6$不存在。

1. 硫是第三周期元素，它有空的3d亚层可以容纳额外电子，因此可以形成扩展八隅体，S周围有12个价电子。
2. 氧是第二周期元素，只有2s和2p亚层，最多容纳8个电子。不存在2d亚层来容纳额外电子。
3. 因此$SF_6$是稳定分子，而$OF_6$无法存在。

## 常见错误

- **错误做法:** 忘记根据多原子离子的电荷调整总价电子数
  - 原因: 这会导致电子总数错误，因此最终路易斯结构也会出错
  - 正确做法: 统计总价电子数时，每个负电荷加1个电子，每个正电荷减1个电子
- **错误做法:** 将电负性最大的原子放在中心位置
  - 原因: 这会导致成键错误，产生不必要的多重键
  - 正确做法: 总是将电负性最小的原子放在中心位置（氢永远是端基原子）
- **错误做法:** 为共振结构绘制不同的原子位置
  - 原因: 共振仅电子位置不同，原子位置不变。原子位置不同意味着是不同的同分异构体，不是共振
  - 正确做法: 共振式中所有原子位置保持不变，只移动成键和孤对之间的电子
- **错误做法:** 即使存在例外情况，仍强迫所有原子遵守八隅体规则
  - 原因: 强迫满足八隅体会导致形式电荷错误，选错结构
  - 正确做法: 绘制结构时，一定要检查是否存在不完全八隅体、扩展八隅体和奇电子物种
- **错误做法:** 将负形式电荷放在电负性较小的原子上
  - 原因: 这违反了形式电荷的稳定性规则，导致选错结构
  - 正确做法: 如果形式电荷不为零，将负形式电荷放在分子中电负性最大的原子上

## 速查表

| 步骤 | 操作 |
| --- | --- |
| 1 | 统计总价电子数，根据离子电荷调整 |
| 2 | 将电负性最小的原子放在中心位置 |
| 3 | 在所有相连原子之间添加单键 |
| 4 | 先将孤对电子添加到端基原子 |
| 5 | 如果中心原子未满足八隅体，形成多重键 |
| 6 | 计算形式电荷以选择最稳定结构 |
| 形式电荷 | $FC = V - L - B/2$ |

## 下一步

理解共价键和路易斯结构是学习VSEPR理论和分子几何构型的基础，后者直接建立在你在这里学到的路易斯结构绘制技能之上。它也是理解键级、键焓和分子间作用力的基础，这些内容经常在IB化学HL的试卷1和试卷2中考查。掌握路易斯结构也是后续课程中绘制和理解有机反应机理的必备要求，因此这是所有后续内容的核心技能。

- [VSEPR理论与基础杂化](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-hl-u2-vsepr-theory-and-basic-hybridization/)
- [分子间作用力](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-hl-u2-intermolecular-forces/)
- [金属键与合金结构](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-hl-u2-metallic-bonding-and-alloy-structure/)

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