時至今日,強大的軟體已經可以根據量子力學來計算電子結構並能以數據來畫出其結構,而以路易氏結構進行簡單的推測仍然是預測分子結構的有效方法。在過去的四分之一世紀內本期刊中有大量的公開文章去試驗那些在畫路易氏結構時的重要因素,不管它們的重要性,有十二本普化書中指出一個結論,路易氏結構的呈現、形式電荷及過八隅體的討論,這之間的互相矛盾遠超過其他事物。
最近本期刊中有一篇報告指出路易氏結構在過八隅體中強調形式電荷的還原,這並非完全正確的分子描述,也不值得使大一的學生混淆。作者在書上附加上路易氏結構在過八隅體的分子描述時事實上是誤導的,在普化課本中這文篇帶來路易氏結構衝擊。例如,有一本教科書上寫著「雖然在過八隅體中有很多不能解決的問題令你疑惑,但是要緊記的是八隅體理念在大多數的路易氏結構中是很成功的」。有另一位作者說,「近期的那些根據量子力學的計算指出左邊的結構(不是最小形式電荷的結構)是最佳的獨立磷酸離子路易氏結構。基本上當你要從兩個路易氏結構中選出一個,你可以選一個盡量有可能滿足八隅體的結構。」最後一個例子是一位教師的註釋,「現在可以利用強大的量子化學軟體解水丁格方程,二氧化硫的最佳路易氏結構是那些合符八隅體的,有較短的鍵長(參考二氧化硫)是由於SO鍵中的高離子性。」
三個月後,另一篇關於畫路易氏結構最佳方法引出一個矛盾的結論,那作者認為考慮中介形態中氧原子是單價還是共價鍵是沒有幫助的,但找出形式電荷最小值的結構才是對的,是合符觀察所得的分子性質。
在兩份論文中出現矛盾的情況,同一份數據被兩種不同的解釋方法去定義最‘好’的路易氏結構。堅持八隅體規則的一方,認為最好的路易氏結構是只用原子軌域的參與來描述一個鍵,以量子計算為基礎(只有s和p軌域沒有d軌域)。這種說法引出一個矛盾就是第二週期以後的元素,當在過八隅體的情況時都是以最小形式電荷來作為最佳的路易氏結構,而可以提供的鍵長與鍵角合適於實驗觀察。路易氏結構要正確的描述分子結構必須有d軌域的參與而且也被發現的確如此,路易氏結構要避免d軌域的參與但又不能正確地解釋這部分的問題,這二者之間的矛盾除非得接受路易氏結構就像VSEPR是一個古典模型,因此,它對原子軌域的參與不能提供定量的資訊。
我們可以從分子的量子力學分析中獲得精確的軌域資訊,路易氏結構並不能提供任可軌域的資訊,也不能用來預測分子中電子真正的結構。(無論如何,利用VESPR來預測幾何形狀時,可以被肯定的是原子軌域會對稱地形成分子軌域。)在分子或離子中‘電子結構’會作為電子分佈或分子軌域的參考。我們可作出推論,路易氏結構和VSEPR模型是相對於牛頓力學的量子力學,當牛頓力學應用於宏觀的層次,卻不適用於質量小速度大的物體,路易氏結構和VESPR是靜電的圖片,然而在分子軌域理論中是以電子的波性質來計算的。在本論文的例子可以表示出以現在的理解程度,以路易氏結構所參與的軌域來預測是不可能的。
討論
在分子中鍵序和電荷劃分
電子密集互相吸引使核被固定在一起就是共價鍵,而鍵序是用來表達兩核之間電子的互相作用,鍵序可以預測鍵長鍵能等性質,但它不像其他特質,鍵序本身不能以實驗測量出來。
鍵序並沒有一個單一的基本定義,使用路易氏結構時,鍵序是兩核之間電子數的一半,當有共振結構時,鍵序又被定義為各部分共振形態的鍵序平均值,利用分子軌域去解釋雙原子分子時,鍵序被定義為鍵結與反鍵結中電子數差的一半,但在多原子分子的量子計算中,鍵序不同的定義隨著描述不同分子中的電子分佈模型而出現,有三種較普遍計算鍵序的方法,就是莫利奇電子分佈分析、自然電子分佈分析和羅汀電子分佈分析,本論文的目的並非要討論這三個方法的計算分析,而是那些方法本身是有不足之處的。例如:莫利奇和羅汀的電子分佈分析法在高能階分子軌域中會過分強調電子分佈甚於低能階分子軌域,因此,所計算出來的鍵序數值可能是由一組錯誤的軌域作用而得,而引致鍵序值太高。自然電子分佈分析(由自然鍵序計算而得)強迫一個或兩個原子核之間電子必須定位於軌域中,比實際上離子或分子之間的電子是不定位的於核與核之間,鍵序值又太低了,這些限制並不是代表計算鍵序值沒有意義,用於同系列物質及同樣的分析方法計算,計算鍵序可以提供一些定性的資訊,就像可以從路易氏結構推論鍵序一般。
與鍵序相同,多原子離子或分子中原子的電荷是很難單獨準確的被定義出來或測量出來,但就如鍵序跟一些可測量的量有關(鍵長和鍵能),與原子電荷有關又能以實驗方法測出的就是偶極矩。在這情況下,原子電荷便被定義為原子最外面的電荷,故偶極矩導致出已得知的幾何結構,如此定義的好處是當我們知道實驗中氣體的偶極矩鍵長和鍵角,所有C2v對稱的分子內的原子都可以清楚地定義出來,已經被計算出來的原子電荷有H2O、H2S、NO2、O3、OF2、SF2和SO2,數據及原子電荷結果(在靜電情況下)列於表1。
由路易氏結構和電負度的知識,我們可以準確的預測到偶極矩,舉個例子,利用路易氏結構和電負度,我們可以正確的總結說H2O中的O原子電負度比H2S中的S原子大。
從量子力學計算著重於定量地識別電子密度的位置,其中一個說法是計算原子電荷可以定義鍵序,但事實根本不是這樣,計算原子電荷只可以作為相對比較值,而且都要用相同的計算方法,七個三原子分子的簡單電荷分佈分析列表證明此點,最初計算分子中的電子結構是用Hartree-Fock理論的限制(NO2不受限制)和6-31G*或6-31G**基礎數據,也是合適的。原子電荷會利用以下三項來計算(i)與分子靜電位能相符的(ii)莫利奇電子分佈分析(iii)自然電子分佈分析,結果列在表2。以莫利奇電子分佈分析、自然電子分佈分析和羅汀電子分佈分析所計算出來的鍵序值列於表3。我們可以觀察出並非由量子力學的理念來計算鍵序,是以一個恣意的定義——鍵作為基礎,不同的鍵可用不同的計算方法算出,亦會得出不同的鍵序。考慮絕對鍵值的話,臭氧裏三個氧原子的中間那個氧原子所計算出來的鍵序值,為1.94(羅汀)、1.5(自然)及1.35(莫利奇),無論如何,不同方計算出來的鍵序結果相似:H2O,H2S,SF2,OF2<
對中心原子的原子電荷不同計算方法的結果見圖1,大部分的計算值都大於幾何結構和偶極矩所得之觀察值,指出所有有組織的計算得出的電荷分佈皆大於實際存在於分子中的,對於這三種方法,分子靜電位能得出的值更接近觀察值,並顯出一致性,反而莫利奇和自然電子分佈分析的計算結果卻存在很大的誤值,特別值得注意的是缺乏一致性,二氧化硫分子計算所得的原子電荷與實驗測出的原子電荷(+1.86計算值+0.47觀察值)。
從計算所得及實驗所得的原子電荷可以得出一個結論,把電子定位成孤電子對及2個中心鍵(如路易氏結構中所畫)導致電荷的區分有意義地大於自然界觀察所得,並且路易氏結構中的孤電子對及2中心鍵不能真實的反映電子分佈。那麼就出現分子和離子間把電荷區分是否正確的問題,第三周期或以後的高原子電荷非金屬元素往往鍵角是觀察大於預期的,鍵長是觀察短於預期的。真正的電荷區分是小於以自然電子分佈分析法計算出來的,最能合理的解釋觀察現象的方法一直都令人懷疑。
水
水的最佳路易氏結構是結構圖1,以此結果及VSEPR模型作為基礎,預計鍵角小於109°而實驗得知鍵角為104.5°,雖然分子的幾何結構可以從圖1預測,但它並不能提供任何電子或軌域的資訊,有些鍵的模型會用來預測電子結構,很多課本會用原子價鍵模型和混成的概念,例如氧原子就是sp3混成軌域,其中一本課本寫著,「四對電子對可以想像成是sp3的混成軌域,兩個軌域是沒有鍵結的電子對,另外兩個軌域被用作與氫原子鍵結。」即使現實知道這是錯誤的,但這種水電子結構依然被堅持著。以sp3混成電子軌域並非唯一解釋圖1的方法,有一點可以議論的,也許氧原子沒有混成,只是氧p軌域與兩個氫原子的1s軌域重疊而成二鍵,於此圖,那兩對孤電子對可以存在於非混成p軌域及非混成s軌域,根據凡得瓦斥力氫原子之間的鍵角會大於90°。第三個可能性是氧原子是sp2混成軌域其中兩個sp2軌域與氫原子的1s軌域重疊成二鍵,一對孤電子對存在於非混成p軌域而另一對存在於sp2混成軌域中,根據孤電子對的斥力鍵角會小於120°,事實上由一個路易氏結構可畫出任何一個水的軌域結構,這說明路易氏結構並不能區分電子結構的可能性,而是它不能解決軌域參與的問題。
嘗試從量子力學計算而導出路易氏結構,就像自然電子分佈分析一樣不夠充分,自然電子分佈分析把電子區分成孤電子對和2個中心鍵形成路易氏結構,用自然電子分佈分析水分子出現有效的誤值,以水為例,其中心氧原子電荷計算值(-0.97esu)有效的異於觀察值(-0.66esu)。
自然電子分佈分析發生錯誤的原因,來路易氏結構來說,它把電子密度區分為孤電子對2中心鍵,低估了真正分子中的電子是不定位的,利用Hartree-Fock理論(6-31G*基礎數據)和計算定位的分子軌域(在分子軌域中具有最大軌域自斥能),能量最高的分子軌域(HOMO)以水來說是px軌域,有一對孤電子對,次高能量的軌域(HOMO-1)是由1s軌域的氫原子和pz軌域的氧原子相互作用而成,同樣,HOMO-2依然含1s軌域的氫原子,但卻是和py軌域的氧原子作用,HOMO-3是由1s軌域的氫原子及2s軌域的氧原子合併而成,軌域除了HOMO外其餘3個中心作用都強調了路易氏結構在表達電子結構上的無能,另外的例證有觀察出以路易氏結構預測出兩對孤電子對,但在最原始的計算卻只有一對,這點在其他地方再作討論。
臭氧
臭氧分子所涉及的鍵更為複雜,因為臭氧不能以一個路易氏結構來描述,兩個共振的形態表示在結構圖2,利用VSEPR和共振形態可預測有一略小於120°的鍵角,O-O的鍵長介於單鍵(如H2O2)與雙鍵(如O2)之間,與實驗相符,原始計算中的九個定位的分子軌域(1s的電子可以忽略),七對參與的電子處於三個氧原子之間,得出結果是3中心鍵結作用,臭氧分子中有兩個沒有鍵結的分子軌域。結構圖2表達出有兩個2中心鍵,一個不定位的3中心鍵,一個不定位的3中心沒有鍵結的分子軌域和五對沒有鍵結的孤電子對,這個比較展示出一些路易氏結構中電子的位置與電子結構計算的關係,結構圖2用於預測含有π鍵的臭氧分子,O-O鍵長對O2和H2O2的比較,及分式的極性和鍵角,同時,它卻不能預測大量的3中心電子作用,就像描述水分子,路易氏結構不能表達軌域的排列。
二氧化硫
第三周期的非金屬氧化物構成一系列重要的化合物,多年來化學家爭論著d軌域在這些分子離子所扮演的角色,近代理論中量子力學解決了這個爭論,雖然s軌域與p軌域大大的影響著分子軌域中的原子價,但d軌域在這系列化合物中是很重要的,根據這個發現,也許就不能引用dsp3、d2sp3等混成軌域,因為這暗示著有一個或多個的d軌域完全參與。無論如何,當明白到路易氏結構不能表達電子結構,它就是一個當中心原子過八隅體時的適合表達方法,二氧化硫就是一個例子。
二氧化硫分子中的鍵可以相像成類似臭氧,同樣是兩個氧原子鍵結於氧族元素,文獻調查及普化課本都認為路易氏結構是有待相確的,有些課本會用兩個共振形態見結構圖3,其他的用結構圖4因為形式電荷最小,還有一些是三個形態都列出來,有些書本沒有特別提到SO2,但有討論到硫的其他氧化物,這些書中不會列出最小形式電荷的結構。
應用VSEPR模型在結構圖3的共振形態上,可預測出鍵角比O3(116.8°)小還有S-O鍵長比SO(1.43A)大,利用結構圖4的中介形態,預測出鍵角大於O3(接近120°)和鍵長相似於SO,結構圖4的預測於實驗值鍵長(1.43A)鍵角(119.5°)一致,反而不是結構圖3,如果最佳的路易氏結構是能預測出分子的分子結構的話,那就是結構圖4了。
相同地,路易氏結構3或4與分子中所發現的定位分子軌域沒有明顯的關係,結構圖4說明四個2中心鍵和五對沒有鍵結的孤電子對,結構圖3說明二個2中心鍵,一個不定位的3中心鍵,一個不定位的3中心沒有鍵結軌域和五對沒有鍵結孤電子對,分子中分子軌域的計算描述與任一表達方式矛盾,分子軌描述中只有三個軌域包含沒有鍵結的孤電子對,剩下六個軌域被描述成3中心相互作用。
我們不會因為結構圖4而論斷說硫原子的最合適路易氏結構完全使用了一個或多個d軌域,但結構圖4的確提醒我們分子在缺少低效d軌域後不能減少的電荷會找方法來減少電荷差,即使d軌域函數在原始方法計算SO2時已被用到,d軌域在鍵中只是適當的參與(HOMO-7佔1%,HOMO和HOMO-2各2%,HOMO-1佔3%)。公認的假設原子中每對電子需要一個完整的軌域。無論如何,如果路易氏結構中電子的位置不能達真正電子結,那準確的軌域參與便無法預知了。路易氏結構在過八隅體時指出低效性的d軌域的有效性,它們沒有完全參與,它們只建議分子在形成鍵時會有效地減少電荷區分。
此出現臭氧與二氧化硫的分式性質比較,特別是OSO相對於OOO較大的鍵角,指出兩分子中鍵的重大差別。臭氧和二氧化硫之間分子軌域的比較,在SO2的九個軌域中有七個是相類似於O3的,但有兩大不同點。第一,在分子中O3的HOMO-1參與了3中心鍵的相互作用,在SO2中相對應的軌域是HOMO是沒有鍵結的,第二,在氧原子之間臭氧的HOMO-6參與了2中心鍵的相互作用,反而在兩端的氧原子之間SO2的HOMO-6是沒有鍵結的。就類似於臭氧兩端氧原子的鍵效應,令O3的鍵角小於SO3,而並非S-O的鍵序大於O-O的鍵序。
結論
即然路易氏結構與VESPR都不能包括軌域的參與,只能作為一個古典的模型,模型本身跟分子實際上的電子結構毫無關係,從路易氏結構來看是不能有明顯的方法去預測軌域結構了。
路易氏結構的價值在於它依然是最能提供準確的預測在分子的極性、鍵長、鍵角及鍵能,如此說來即使它需要第二周期以後的原子利用過八隅體,路易氏結構依然因在分子中最小化形式電荷而被接受,當我們要畫出三周期或以後的非金屬分子路易氏結構,一個堅守八隅體的路易氏結構,此時將失去預測分子性質的能力,接著教授和課本作者會鼓勵學生在畫路易氏結構時以最小化形式電荷,來取代堅守的八隅體。
路易氏結構不能提供軌域的資訊,那子的過八隅體都不能釋成鍵中有整個d軌域參與,過八隅體分子可以提醒我們,低效能的d軌域在分子結構的產生中是重要的,正如量子計算中需要d軌域的波函數才能符合實驗結果。路易氏結構最小化形式電荷反映出原子在形成分子軌域時,電子密度會按照最小的電荷區分的方式分散,路易氏結構低估了不同中心對電子的相作用,還嘗試喚起路易氏結構是分子軌域計算的基礎,或許能使它更有一點價值。
自然電子分佈分析從分子計算導出路易氏結構,但這模型的結果是在簡單的分子中,仍不能充分地描述觀察得出的電荷區分。在原子電荷計算的基礎中,必須先假設與以前報告相反,電子密度不是電荷的大差距,是SO2中短鍵長的成因。
量子力學計算中有很多計算鍵序的方法,這些計算值只能在用相同計算方法下才能比較,計算得出的絕對鍵序值是無法與路易氏結構中的鍵序相比較。
由於判斷出正確的路易氏結構會有驚人的預測能力,故在普化中教路易氏結構必須加倍小心,以量子力學計算來解決電子結構的問題,需要在普化以外有一定的精密程度及在物化課時會加以保留,相比之下,路易氏結構容易畫,以能得到好的結構來說,亦是一個沒什麼不足的方法。學生們可以利用路易氏結構和VESPR來預測分子幾何形狀、極性、相對鍵長和鍵角。無論如何,必須強調的是VESPR是一個古典的預測模型,它並非基於電子軌域的鍵模型,決定是否在普化課中教授分子軌域模型,必須考慮基於課程目的及學生能理解的程度,分子的原始反應能力會在有機化學中介紹,分子軌域模型沒有必要於現在存在,但它的價值在於好用,廉價的分子模型程式使分子軌域模型可以是普化課介紹,不管分子軌域是否存在,路易氏結構的預測能力是不能輕易被拋棄的,因為它們不能反影真實的電子結構。
致謝
此論文處理古典模型與複雜理論計算之間的關係,我深切感謝R. T. Sanderson的影響,他在十年前編輯此期刊培養出追求教授模型平衡點的宗旨,這對於模學生及模型是否正確是很有用的,使渴望學習的學生不會被不必要的複雜事物而沮喪放棄。
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