鄭軍 潘虹

摘要： 針對關(guān)于八隅律電子式應(yīng)用中受到的兩種質(zhì)疑，簡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)合實例，闡述八隅律電子式的合理性與局限性，回應(yīng)對八隅律電子式的質(zhì)疑，同時給出相關(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： 10056629（2020）05009305

中圖分類號： G633.8

文獻標(biāo)識碼： 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)合典型實例認(rèn)識離子鍵和共價鍵的形成時，會用到電子式，在元素符號周圍用小黑點“·”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，常有兩種質(zhì)疑的聲音。

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

例如用電子式表達離子化合物MgCl2的形成過程時（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，則價電子應(yīng)該有1對出現(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。又如用電子式表達共價化合物CH4的形成過程時也出現(xiàn)將碳原子的最外層4個電子分開書寫的情況，將價電子數(shù)從1到8依次對比，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，有觀點認(rèn)為電子式所表達的部分分子的結(jié)構(gòu)完全是錯誤的，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）有觀點認(rèn)為用電子式表達O2是不準(zhǔn)確的，因為按八隅律畫出的電子式為圖3左圖，按此分析，氧氣分子應(yīng)呈現(xiàn)反磁性，但實驗結(jié)果表明為順磁性[2];（2）有觀點認(rèn)為中學(xué)階段對于CO2結(jié)構(gòu)的描述完全錯誤，CO2由C與O共用兩對電子的電子式與真實情況不符合，因為實驗證明二氧化碳中C—O鍵鍵長介于一氧化碳（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)代價鍵理論和分子軌道理論解決了許多經(jīng)典價鍵理論的局限，故在浩瀚的學(xué)科知識面前，

屬于經(jīng)典價鍵理論的

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

在已有文獻[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)功能上分析了其對思維能力培養(yǎng)的作用，但對電子式在部分原子或分子的表達上的質(zhì)疑卻未曾有回應(yīng)，教材對電子式的表達是否欠妥？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，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： 兩個原子結(jié)合時，立方體電子外殼可以共用一條棱或一個面。例如他在解釋H原子與F、 Cl原子化合時是通過共用立方體的一條邊棱，共享一對電子而構(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《價以及原子和分子的結(jié)構(gòu)》中進一步發(fā)揮了他的原子內(nèi)核模型，改進了對化合物中電子對鍵的表示法，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)，這種表達形式即高中化學(xué)的電子式表達。原子在得失電子或共用電子時，除H和He外，如果外層電子達到8個電子的結(jié)構(gòu)時最穩(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)典價鍵理論。

從以上分析可以看出，八隅律電子式在當(dāng)時的歷史條件下，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。雖不能真實地反映分子的空間構(gòu)型，但為后續(xù)的價層電子對互斥理論以及雜化軌道理論等現(xiàn)代價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，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)觀中的一個基本觀念，在學(xué)生掌握了基本原子結(jié)構(gòu)后進行培養(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，電子式也具有其獨特的教學(xué)價值。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，電子式促進了對化學(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)典價鍵理論是聯(lián)系二者的重要一環(huán)，是中學(xué)生初識化學(xué)鍵的最佳工具;再者，電子式是對結(jié)構(gòu)式的合理解釋，結(jié)構(gòu)式是學(xué)生認(rèn)識有機物性質(zhì)的基礎(chǔ)，理解了電子式的書寫可以幫助學(xué)生理解有機反應(yīng)中的斷鍵與成鍵問題，將為有機物性質(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）》中對于化學(xué)鍵的內(nèi)容如是描述：“認(rèn)識構(gòu)成物質(zhì)的微粒之間存在相互作用，結(jié)合典型實例認(rèn)識離子鍵和共價鍵的形成，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)變化的實質(zhì)及能量變化的主要原因。”[7]其中結(jié)合典型實例認(rèn)識離子鍵和共價鍵的形成，不可避免地會利用八隅律的電子式進行分析，因此，電子式仍將繼續(xù)體現(xiàn)它的重要教學(xué)價值與功能。

正因為電子式有以上的教學(xué)價值與功能，無論是人教版、蘇教版還是魯科版教材，都出現(xiàn)了電子式對離子鍵、共價鍵形成過程表達的相關(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化合物;在蘇教版教材中，正文中介紹了電子式的知識，用電子式表示離子化合物和共價化合物，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，而是在資料部分進行簡單介紹，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電子式存在不同的處理方式，但都表達了電子式的應(yīng)用在認(rèn)識離子鍵、共價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?，對于部分化合物在形成過程中用原子的電子式表達就可合理解釋了。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MgCl2的形成過程并未完整表達整個反應(yīng)過程，而僅表達了舊鍵斷裂之后的新鍵形成部分，即圖形中的b點到c點。故從能量視角，b點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右圖表達鎂原子的電子式存在其合理性。再如另一個熟悉的例子CH4的形成過程，C常見最大鍵合電子數(shù)目為4個，因此，為便于成鍵，應(yīng)將4個電子盡可能分開，如何理解其合理性？我們依然可以采用類似的理解方式，形成過程的起點不是基態(tài)碳原子而是激發(fā)態(tài)碳原子。借用現(xiàn)代價鍵理論的觀點，C在激發(fā)態(tài)與H原子成鍵時會先進行雜化出現(xiàn)4個sp3等性雜化軌道，此時4個價電子的能量是相同的，分布于4個雜化軌道，并無成對的價電子。故按4個分散方向去畫電子式也是存在其合理性的。綜上，電子式表達化合物的形成過程起點，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電子的現(xiàn)行表達形式，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際的功能要求。筆者認(rèn)為，每個理論都有它自身適合的應(yīng)用范圍，只有明確這一點，才能合理準(zhǔn)確地使用它。對于解釋CO2的鍵長問題可交由現(xiàn)代價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sp雜化軌道分別與兩個O原子生成兩個σ鍵。C原子上兩個未參加雜化的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)了鍵長介于典型的三鍵與雙鍵之間的情況。對于O2順磁性連現(xiàn)代價鍵理論也無能為力，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)識到八隅律電子式的局限性——從定域鍵理論的角度去認(rèn)識原子形成化學(xué)鍵時鍵合電子數(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為圖9左，用定域鍵的凱庫勒式表達大家仍然認(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)實踐中，教師應(yīng)關(guān)注電子式學(xué)習(xí)背后的功能和價值，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，而是應(yīng)該在簡單了解電子式這種表達后，學(xué)會在隨后的課堂教學(xué)中使用電子式這個工具?；瘜W(xué)知識的發(fā)展有其歷史發(fā)展的邏輯性，經(jīng)典價鍵理論是化學(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，也不會有恒久不變的模型，若當(dāng)層出不窮的實驗和理論要求對模型作出修改時，我們應(yīng)把原始模型的出發(fā)點及具體形式的不適當(dāng)部分作必要的修改、補充，以與新的實驗事實相吻合，從而推動化學(xué)理論不斷地向前發(fā)展。只有認(rèn)識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)價值與功能。

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