例析八隅律電子式的合理性與局限性

鄭軍 潘虹

摘要： 針對(duì)關(guān)于八隅律電子式應(yīng)用中受到的兩種質(zhì)疑，簡(jiǎn)述八隅律電子式在學(xué)科歷史發(fā)展中的地位，分析它在中學(xué)教學(xué)中不可或缺的重要作用。結(jié)合實(shí)例，闡述八隅律電子式的合理性與局限性，回應(yīng)對(duì)八隅律電子式的質(zhì)疑，同時(shí)給出相關(guān)的教學(xué)建議以及界定八隅律電子式的應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞： 八隅律; 電子式; 合理性; 局限性; 教學(xué)建議

文章編號(hào)： 10056629（2020）05009305

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題的提出

高中必修化學(xué)中化學(xué)鍵屬于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一部分，在結(jié)合典型實(shí)例認(rèn)識(shí)離子鍵和共價(jià)鍵的形成時(shí)，會(huì)用到電子式，在元素符號(hào)周圍用小黑點(diǎn)“·”或小叉“×”來表示元素原子的最外層電子，這種表示物質(zhì)的式子叫做電子式[1]。然而在使用電子式時(shí)，常有兩種質(zhì)疑的聲音。

第一種，在用電子式表達(dá)離子鍵和共價(jià)鍵的形成過程時(shí)，有教師對(duì)部分原子的電子式提出質(zhì)疑。

例如用電子式表達(dá)離子化合物MgCl2的形成過程時(shí)（見圖1），有教師指出鎂原子核外電子排布式為1s22s22p63s2，其核外電子排布圖為圖2左圖，則價(jià)電子應(yīng)該有1對(duì)出現(xiàn)，即圖2中圖，而中學(xué)書寫形式以人教版教材為例如圖2右圖所示。又如用電子式表達(dá)共價(jià)化合物CH4的形成過程時(shí)也出現(xiàn)將碳原子的最外層4個(gè)電子分開書寫的情況，將價(jià)電子數(shù)從1到8依次對(duì)比，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)此矛盾的為最外層電子數(shù)為2、 3、 4的原子（見表1）。

第二種，有觀點(diǎn)認(rèn)為電子式所表達(dá)的部分分子的結(jié)構(gòu)完全是錯(cuò)誤的，質(zhì)疑最大的集中在兩種常見分子O2和CO2的電子式上（見圖3）： （1）有觀點(diǎn)認(rèn)為用電子式表達(dá)O2是不準(zhǔn)確的，因?yàn)榘窗擞缏僧嫵龅碾娮邮綖閳D3左圖，按此分析，氧氣分子應(yīng)呈現(xiàn)反磁性，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明為順磁性[2];（2）有觀點(diǎn)認(rèn)為中學(xué)階段對(duì)于CO2結(jié)構(gòu)的描述完全錯(cuò)誤，CO2由C與O共用兩對(duì)電子的電子式與真實(shí)情況不符合，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)證明二氧化碳中C—O鍵鍵長(zhǎng)介于一氧化碳（典型的三鍵）與碳氧雙鍵之間，這是電子式所不能解釋的[3]。

綜上，便有教師提出中學(xué)所用的電子式無論在處理原子的電子式，還是分子的電子式都是不完全準(zhǔn)確的，在教學(xué)上該如何處理感到手足無措。出現(xiàn)以上質(zhì)疑的深層次原因，緣于隨著化學(xué)科學(xué)研究成果不斷有新發(fā)現(xiàn)，無論原子結(jié)構(gòu)還是分子結(jié)構(gòu)都有了更深層次的發(fā)展。在20世紀(jì)30年代量子力學(xué)理論應(yīng)用到分子軌道理論后，現(xiàn)代價(jià)鍵理論和分子軌道理論解決了許多經(jīng)典價(jià)鍵理論的局限，故在浩瀚的學(xué)科知識(shí)面前，

屬于經(jīng)典價(jià)鍵理論的

電子式是否可以退出歷史的舞臺(tái)？教學(xué)中，教師本身若對(duì)所授內(nèi)容存疑是不可能清晰地傳遞學(xué)科知識(shí)和培養(yǎng)學(xué)科素養(yǎng)的，電子式的教學(xué)價(jià)值也將大打折扣。

在已有文獻(xiàn)[4]中，闡述了什么是電子式及其書寫規(guī)則，從電子式的教學(xué)功能上分析了其對(duì)思維能力培養(yǎng)的作用，但對(duì)電子式在部分原子或分子的表達(dá)上的質(zhì)疑卻未曾有回應(yīng)，教材對(duì)電子式的表達(dá)是否欠妥？筆者認(rèn)為，要分析電子式處理是否欠妥，得理清以下幾個(gè)問題。

2 八隅律電子式在學(xué)科歷史發(fā)展中的地位

化學(xué)鍵的電子理論是立足于原子的電子層結(jié)構(gòu)學(xué)說的。1916年，德國(guó)柏林丹尼格高等技術(shù)大學(xué)教授W.柯塞爾（Walther Kossel， 1888～1956）、美國(guó)伯克利加州大學(xué)教授G.N.路易斯（Gilbert Newton Lewis， 1875～1946）等人設(shè)計(jì)了靜態(tài)的原子模型和靜態(tài)的電子概念?？氯麪柼岢龅碾娮訉幽Ｐ褪黔h(huán)狀的，路易斯則把外層電子配置在正方體的頂點(diǎn)上，設(shè)想形成正方體的殼狀結(jié)構(gòu)，如他們分別提出的氬原子電子層模型如圖4所示。

柯塞爾格外清晰地描述了離子鍵的形成： 當(dāng)金屬原子與非金屬原子化合時(shí)，在結(jié)合的瞬間金屬原子的外層電子跑到非金屬原子的外層上，于是它們都成為外層電子數(shù)為8的離子，而靠靜電引力結(jié)合在一起;路易斯的模型則有利于解釋非金屬原子之間的結(jié)合： 兩個(gè)原子結(jié)合時(shí)，立方體電子外殼可以共用一條棱或一個(gè)面。例如他在解釋H原子與F、 Cl原子化合時(shí)是通過共用立方體的一條邊棱，共享一對(duì)電子而構(gòu)成化學(xué)鍵，這樣H原子便具有氦原子的外電子層結(jié)構(gòu)，F(xiàn)和Cl便分別具有氖及氬原子的電子層結(jié)構(gòu)，都處在極穩(wěn)定的狀態(tài)[5]（如圖5所示）。以此類推，HCl、 H2O、 NH3、 CH4、 CCl4和CO2都可以用相同的模式加以解釋。

1923年，路易斯在其名著《價(jià)以及原子和分子的結(jié)構(gòu)》中進(jìn)一步發(fā)揮了他的原子內(nèi)核模型，改進(jìn)了對(duì)化合物中電子對(duì)鍵的表示法，以“●●”表示，如圖6所示[6]。

這樣一來，他的表示法中電子對(duì)鍵就相當(dāng)于化學(xué)結(jié)構(gòu)式中的短線“—”，從而說明了過去的結(jié)構(gòu)式中短線的本質(zhì)。

路易斯的上述描述相當(dāng)圓滿地說明了很多化合物的電子結(jié)構(gòu)，這種表達(dá)形式即高中化學(xué)的電子式表達(dá)。原子在得失電子或共用電子時(shí)，除H和He外，如果外層電子達(dá)到8個(gè)電子的結(jié)構(gòu)時(shí)最穩(wěn)定（即所謂的八隅律），中學(xué)所學(xué)習(xí)的電子式即為經(jīng)典的八隅律電子式，此理論也被稱為經(jīng)典價(jià)鍵理論。

從以上分析可以看出，八隅律電子式在當(dāng)時(shí)的歷史條件下，能從原子最大鍵合電子數(shù)目的角度處理分子中原子之間的鍵合情況，是一種難能可貴的開創(chuàng)性理論。雖不能真實(shí)地反映分子的空間構(gòu)型，但為后續(xù)的價(jià)層電子對(duì)互斥理論以及雜化軌道理論等現(xiàn)代價(jià)鍵理論去解釋分子空間構(gòu)型提供了分析基礎(chǔ)。猶如積木搭建時(shí)，只有先明確哪些積木可以互搭，有相互間搭幾塊構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的構(gòu)想，才有后續(xù)的大結(jié)構(gòu)積木的成功搭建，因此，我們應(yīng)正視八隅律電子式的教學(xué)價(jià)值與功能。

由圖7可看出，八隅律電子式是根基，無論現(xiàn)在及將來分子共價(jià)鍵理論如何向前發(fā)展、如何不斷修繕理論，這種原子之間的基本搭建形式的思維方式仍然會(huì)延續(xù)，因此，八隅律電子式的教學(xué)屬于分子結(jié)構(gòu)觀中的一個(gè)基本觀念，在學(xué)生掌握了基本原子結(jié)構(gòu)后進(jìn)行培養(yǎng)是非常必要的。

3 八隅律電子式在中學(xué)教學(xué)中的重要作用

在化學(xué)教學(xué)中，電子式也具有其獨(dú)特的教學(xué)價(jià)值。首先，電子式是自初中化學(xué)開始物質(zhì)基礎(chǔ)積累到一定階段后，在認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，第一次以微觀結(jié)構(gòu)的角度分析物質(zhì)原子間的相互作用，符合化學(xué)科學(xué)的發(fā)展道路，與學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律一致;其次，電子式促進(jìn)了對(duì)化學(xué)鍵的理解，從學(xué)生已有的認(rèn)知水平來看，原子的行星模型及稀有氣體原子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是原有的認(rèn)知，而現(xiàn)代價(jià)鍵理論和分子軌道理論卻又過于復(fù)雜，八隅律電子式這種經(jīng)典價(jià)鍵理論是聯(lián)系二者的重要一環(huán)，是中學(xué)生初識(shí)化學(xué)鍵的最佳工具;再者，電子式是對(duì)結(jié)構(gòu)式的合理解釋，結(jié)構(gòu)式是學(xué)生認(rèn)識(shí)有機(jī)物性質(zhì)的基礎(chǔ)，理解了電子式的書寫可以幫助學(xué)生理解有機(jī)反應(yīng)中的斷鍵與成鍵問題，將為有機(jī)物性質(zhì)的學(xué)習(xí)奠定重要的基礎(chǔ)。因此，在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中對(duì)于化學(xué)鍵的內(nèi)容如是描述：“認(rèn)識(shí)構(gòu)成物質(zhì)的微粒之間存在相互作用，結(jié)合典型實(shí)例認(rèn)識(shí)離子鍵和共價(jià)鍵的形成，建立化學(xué)鍵概念。知道分子存在一定的空間結(jié)構(gòu)。認(rèn)識(shí)化學(xué)鍵的斷裂和形成是化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)變化的實(shí)質(zhì)及能量變化的主要原因?！盵7]其中結(jié)合典型實(shí)例認(rèn)識(shí)離子鍵和共價(jià)鍵的形成，不可避免地會(huì)利用八隅律的電子式進(jìn)行分析，因此，電子式仍將繼續(xù)體現(xiàn)它的重要教學(xué)價(jià)值與功能。

正因?yàn)殡娮邮接幸陨系慕虒W(xué)價(jià)值與功能，無論是人教版、蘇教版還是魯科版教材，都出現(xiàn)了電子式對(duì)離子鍵、共價(jià)鍵形成過程表達(dá)的相關(guān)陳述[8～10]。在人教版教材中，用電子式表示離子化合物和共價(jià)化合物的形成過程出現(xiàn)于正文部分，此外教材還以表格形式列出了用電子式表示的一些常見的共價(jià)化合物;在蘇教版教材中，正文中介紹了電子式的知識(shí)，用電子式表示離子化合物和共價(jià)化合物，但無相關(guān)化合物形成過程的描述;在魯科版中，電子式并沒有出現(xiàn)在正文部分，而是在資料部分進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，舉例列出了用電子式表示HCl和NaCl的形成過程。雖然不同版本教材中對(duì)電子式存在不同的處理方式，但都表達(dá)了電子式的應(yīng)用在認(rèn)識(shí)離子鍵、共價(jià)鍵的形成過程中具有不可取消或替代的重要地位和作用。

4 八隅律電子式的教學(xué)建議

4.1 關(guān)于形成過程

八隅律電子式的主要作用是從原子最大鍵合電子數(shù)目的角度處理分子中原子之間的鍵合情況?；诖?，對(duì)于部分化合物在形成過程中用原子的電子式表達(dá)就可合理解釋了。例如Mg與Cl2反應(yīng)生成MgCl2的化學(xué)反應(yīng)過程，其完整的能量變化過程如圖8所示。

值得注意的是，用電子式表達(dá)MgCl2的形成過程并未完整表達(dá)整個(gè)反應(yīng)過程，而僅表達(dá)了舊鍵斷裂之后的新鍵形成部分，即圖形中的b點(diǎn)到c點(diǎn)。故從能量視角，b點(diǎn)為舊鍵斷裂后的活性原子部分，我們可以認(rèn)為是處于激發(fā)態(tài)的原子而非基態(tài)原子。因此用圖2右圖表達(dá)鎂原子的電子式存在其合理性。再如另一個(gè)熟悉的例子CH4的形成過程，C常見最大鍵合電子數(shù)目為4個(gè)，因此，為便于成鍵，應(yīng)將4個(gè)電子盡可能分開，如何理解其合理性？我們依然可以采用類似的理解方式，形成過程的起點(diǎn)不是基態(tài)碳原子而是激發(fā)態(tài)碳原子。借用現(xiàn)代價(jià)鍵理論的觀點(diǎn)，C在激發(fā)態(tài)與H原子成鍵時(shí)會(huì)先進(jìn)行雜化出現(xiàn)4個(gè)sp3等性雜化軌道，此時(shí)4個(gè)價(jià)電子的能量是相同的，分布于4個(gè)雜化軌道，并無成對(duì)的價(jià)電子。故按4個(gè)分散方向去畫電子式也是存在其合理性的。綜上，電子式表達(dá)化合物的形成過程起點(diǎn)，都可以理解為處于激發(fā)態(tài)的原子，因此關(guān)于Mg、 Al、 C等原子電子式按盡可能分散的方向去分布價(jià)電子的現(xiàn)行表達(dá)形式，是符合能量視角的變化規(guī)律的，是合理的。

4.2 關(guān)于O2和CO2

關(guān)于O2的質(zhì)疑相當(dāng)于要求電子式去解釋其順磁性問題，關(guān)于CO2則相當(dāng)于用定域鍵理論去解釋離域鍵相關(guān)問題，這都是賦予了八隅律電子式不切實(shí)際的功能要求。筆者認(rèn)為，每個(gè)理論都有它自身適合的應(yīng)用范圍，只有明確這一點(diǎn)，才能合理準(zhǔn)確地使用它。對(duì)于解釋CO2的鍵長(zhǎng)問題可交由現(xiàn)代價(jià)鍵理論的雜化軌道理論去解釋，依據(jù)雜化軌道理論，在CO2分子中碳原子采用sp雜化軌道與氧原子成鍵，C原子的兩個(gè)sp雜化軌道分別與兩個(gè)O原子生成兩個(gè)σ鍵。C原子上兩個(gè)未參加雜化的p軌道與sp雜化軌道成直角，并且從側(cè)面同氧原子的p軌道分別肩并肩地發(fā)生重疊，形成兩個(gè)Π43電子的離域鍵。因此，縮短了碳氧原子間的距離，使CO2中碳氧鍵具有一定程度的叁鍵特征，出現(xiàn)了鍵長(zhǎng)介于典型的三鍵與雙鍵之間的情況。對(duì)于O2順磁性連現(xiàn)代價(jià)鍵理論也無能為力，則需要交給分子軌道理論去解釋了[11]。中學(xué)八隅律電子式的功能在于建立搭建分子鍵合電子數(shù)目的分析方法，因此不必過分要求此類解釋功能。在中學(xué)階段按圖3去構(gòu)建O2、 CO2的電子式是可取的，這恰是緣于充分認(rèn)識(shí)到八隅律電子式的局限性——從定域鍵理論的角度去認(rèn)識(shí)原子形成化學(xué)鍵時(shí)鍵合電子數(shù)目的基本情況。因此，在結(jié)構(gòu)式描述中，表達(dá)為OO、 OCO也尚無不可。這就像苯環(huán)的結(jié)構(gòu)用離域鍵的角度表達(dá)為圖9左，用定域鍵的凱庫勒式表達(dá)大家仍然認(rèn)可，見圖9右。

4.3 八隅律電子式的應(yīng)用邊界

認(rèn)識(shí)到八隅律電子式的合理性與局限性，重在思想性的啟發(fā)，便能更清晰地指導(dǎo)教學(xué)。中學(xué)階段可用八隅律電子式表達(dá)如下微粒，諸如H2、 Cl2、 N2、 HCl、 H2O、 NH3、 CH4、 CCl4、 HClO、 H2O2、 NH+4、 H3O+、 OH-、 O2-2、 C2-2、 CN-、 NaCl、 MgO、 MgCl2、 CaF2、 Na2O，以及其中的單質(zhì)及化合物的形成過程。教學(xué)中不應(yīng)做過多拓展，例如硫酸、硝酸等復(fù)雜分子微粒就無必要介紹。

5 總結(jié)

對(duì)于八隅律電子式，我們應(yīng)持取其精華之態(tài)度，知其可取，知其局限，方可合理使用。

在教學(xué)實(shí)踐中，教師應(yīng)關(guān)注電子式學(xué)習(xí)背后的功能和價(jià)值，不能片面要求學(xué)生死記硬背，或者單純記憶某物質(zhì)的電子式或形成過程的電子式表達(dá)，而是應(yīng)該在簡(jiǎn)單了解電子式這種表達(dá)后，學(xué)會(huì)在隨后的課堂教學(xué)中使用電子式這個(gè)工具?；瘜W(xué)知識(shí)的發(fā)展有其歷史發(fā)展的邏輯性，經(jīng)典價(jià)鍵理論是化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)展史上重要的一環(huán)，不可或缺，我們要把電子式模型當(dāng)作研究手段，當(dāng)作溝通宏觀世界與微觀世界的媒介。

沒有萬古不易的定理，也不會(huì)有恒久不變的模型，若當(dāng)層出不窮的實(shí)驗(yàn)和理論要求對(duì)模型作出修改時(shí)，我們應(yīng)把原始模型的出發(fā)點(diǎn)及具體形式的不適當(dāng)部分作必要的修改、補(bǔ)充，以與新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)相吻合，從而推動(dòng)化學(xué)理論不斷地向前發(fā)展。只有認(rèn)識(shí)到八隅律電子式的重要作用，明晰其合理性與局限性，我們才能站在新的歷史背景下去彰顯電子式的教學(xué)價(jià)值與功能。

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