引言

Lewis结构式一直是化学上面一个重要的工具，不管有机还是无机。

而在有机这一部分里面，Lewis结构式可以帮助我们更加清楚地理解很多反应的机理。

所以，学习Lewis结构式罢。

如何确定一个物质的Lewis结构式？

我们首先需要确定一下这个物质到底是什么。是分子？是自由基？亦或是离子？

对于不同种类的物质，我们确定其的Lewis结构式的难度是递增的。

分子

在Lewis结构式里面，原子是用类似这样的方式表示的，这里以氧为例做一下讲解。

首先是一个原子实：

原子实包含了原子核和非价层电子。

然后我们使用小点来表示价层电子：

当然，我们还可以这样表示：

两种不同的结构式适用于不同的情况。

当两个原子成共价键的时候，我们用一条短线来代表一对共用电子对，就像这样：

双键、叁键也是一样。

我们先从简单分子开始看起。

简单分子

甲烷

甲烷，一个很好的分子。这代表了写Lewis结构式时的最简单的情况。它的结构是这样的：

其中的四个短线代表氢与碳成了四个单键。

就像这样。

氨

氨，也是一个很好的分子。这代表了另一种情况。它的结构是这个样子的：

其中N周围除了 \(\ce{N-H}\) 单键之外，还有一对孤对电子。

水

水是氨的进阶——它有两对孤对电子。

他们都满足一个简单的规则——八隅律。

八隅律的意思是，任意一个原子周围都有8个电子。

这主要针对的是第二周期的元素，如C，N和O。像H这样的第一周期元素，最外层只能承受两个电子，所以可以说不满足八隅律。

八隅律适用的地方很多，不适用的地方也很多。但是八隅律很实用，所以学术界就接受了八隅律。

复杂分子

所谓的“复杂分子”其实不是那种分子量动辄上千万的那种复杂，而是指分子内部情况十分复杂。

一氧化碳

一氧化碳是一个很好的例子。

我们先写出C和O：

因为O有2个可以用来成键的电子，所以我们让它俩成先一个双键：

然后我们看一下：

O周围有8个电子，满足八隅律；而C周围有6个电子，不满足八隅律。

此时我们注意到，有一种键叫配位键。

于是我们让O的孤对电子进入C的空轨道，成配位键。

一切看起来都很好。

但是，其实 \(\ce{C-O}\) 之间的一对电子实际是属于O的，并不是两者共享。而且，C也拿不出那么多电子来成键。

这时，我们就让C带上一个负电荷，看做是得到了一个电子，同时让氧带上一个正电荷，看做是失去了一个电子。

实际上，无论是C还是O，都没有发生电子的得失。所以，我们称这种电荷为”形式电荷“。

一氧化氮

而一氧化氮就稍有不同。

我们首先写出氮和氧：

同上，我们首先让他俩成一个双键：

然后我们看一下：

O的周围满足八隅律，但是N的周围不满足。

我们尝试像之前一样搞出来一个配位键，但是这样也无济于事。

其实，一氧化氮是一个自由基，一个”长命“的自由基。

一旦这样解释就解释的通了。

自由基

自由基的书写有两种方法：配对法和均裂法。

配对法

配对法适用于知道大体结构，但是不知道具体的那个电子在哪里的情况。

配对时，要尽量满足八隅律。

以甲基自由基为例：

甲基自由基写出来是 \(\ce{ * CH3 }\) 的样子。

我们首先写出一个C和三个H：

我们知道在甲基自由基理面，三个H都与C成键：

我们可以看到，现在不满足八隅律的只有一个C原子。所以，这就是我们最终得到的自由基的结构。

均裂法

均裂法适用于不知道大体结构的思想。

均裂是指共价键断裂时，共用电子对均匀分配给两个分子残片，产生两个自由基的情况。

还是以甲基自由基为例。

我们不知道甲基自由基是什么样子的。但是我们知道甲烷是什么结构啊！

我们假设甲烷之中的一个 \(\ce{C-H}\) 键发生了均裂。

根据均裂的定义，甲烷最终会均裂成为一个甲基自由基和一个氢原子（或者说氢自由基）：

而我们是知道甲烷的结构的：

于是我们就得到了甲基自由基的结构。

离子

离子的书写也有两种方法。

由自由基转化而来

离子可以看做是中性物质得（或失）\(\ce{1e-}\) 转化而来的。

一般情况下，这个中性物质是自由基。

这里我们举甲基正离子和甲基负离子的例子。

他们两个都可以看做是甲基自由基转化而来。

甲基正离子可以看做是甲基自由基失去 \(\ce{1e-}\) ，

而甲基负离子可以看做是甲基自由基得到 \(\ce{1e-}\) 。

而我们已经知道了甲基自由基的结构，所以推出甲基正离子和甲基负离子的结构应该不算太难。

异裂法

异裂指的是在共价键断裂时，共用电子对完全给予某一分子残片，形成两个离子（一正一负）的情况。

我们还是举甲基正离子和甲基负离子的例子。

这次我们从乙烷开始。

我们清楚地知道乙烷的结构。当乙烷的 \(\ce{C-C}\) 键断裂时，我们假设它发生了异裂，就像这样：

因为我们知道乙烷的结构，我们就能很快地推出甲基正离子和甲基负离子的结构：

形式电荷

形式电荷有一种标法：

\[形式电荷 = 主族序数 - 不包括单电子的未成键电子数 - \frac{1}{2} \times 成键电子数

\]

其中的成键电子数也可以说是化学键数。

当然，有时候形式电荷可以转化为实际的电荷。

例如甲基负离子： \(\ce{C}:4-2-3=-1\) ，正好带1个负电荷。

甲基自由基： \(\ce{C}:4-0-4=0\) ，说明甲基自由基是电中性的。

水合氢离子： \(\ce{O}:6-2-3=+1\) ，正好带1个正电荷。

在一氧化二氮中，我们知道两个N原子与一个O原子是以 \(\ce{N-N-O}\) 的形式连接起来的。我们构造出了两种解释 \(\ce{N2O}\) 分子结构的模型：

上面的那个满足了左边原子“氮三价”的原则，而下面的那个满足了中间原子的八隅律。

我们分别算一下各自的形式电荷：

三价氮： \(\ce{N}:5-2-3=0\) ，呈电中性；

四价氮： \(\ce{N}:5-0-4=+1\) ，带1个正电荷；

一价氧： \(\ce{O}:6-6-1=-1\) ，带1个负电荷。

二价氮： \(\ce{N}:5-4-2=-1\) ，带1个负电荷；

四价氮： \(\ce{N}:5-0-4=+1\) ，带1个正电荷；

二价氧： \(\ce{O}:6-4-2=0\) ，呈电中性。

我们可以发现，两种情况都是合理和电中性的。

这两个结构式就叫做一氧化二氮的“共振式”。

常见的类似情况还有酮-烯醇等等。

如何确定常见元素的形式电荷？

下面将会列出有机化学里面常见的部分元素的Lewis结构式和形式电荷。

氢

氢有以下几种形式：

从左到右分别是：氢正离子、氢自由基、氢负离子和已经形成了化学键的氢。

硼

硼有以下几种形式：

硼可以连3或4根化学键。

此时我们需要注意：这里的硼是不满足八隅律的。

碳

碳有以下几种形式：

从左到右分别是四价碳、碳正离子、碳自由基和碳负离子。

这里所说的四价碳适用于包括烷、烯、炔等在内的情况，即包括单键、双键和叁键。

氮

氮有以下几种形式：

从左到右分别是三价氮，氮正离子与氮负离子。

其中，三价氮适用于例如胺、亚胺、氰基等在内的情况，即包括单键、双键和叁键；

氮正离子适用于例如铵、亚铵、异氰等在内的情况；

氮负离子常见的情况只有氨基负离子（例如氨基钠，里面钠呈负一价）。

氧

氧有以下几种形式：

从左往右分别是烷氧负离子，二价氧和烷氧正离子。

二价氧包括醇、酚、醚、酯里面的单键，也包括醛、酮、酸、酰里面的双键。

烷氧正离子的常见出现位置为水合氢离子和氧。

卤素

_鲁肃卤素有以下几种形式：

从左往右分别是卤负离子，卤素基团和二价卤。

二价的卤素在芳香化合物的亲电加成里面可以看见。

最后

最后附上一张总表：Lewis总表