ساختار لوویس: نقشهای از الکترونهای ظرفیت
الکترونهای ظرفیت: بازیگران اصلی صحنه
همهی اتمها از هسته و الکترون تشکیل شدهاند. الکترونها در لایههای مختلفی به دور هسته میچرخند. آنهایی که در دورترین لایه از هسته قرار دارند، الکترونهای ظرفیت2 نامیده میشوند. این الکترونها هستند که تعیین میکنند اتم چگونه با اتمهای دیگر ارتباط برقرار کرده و مولکول بسازد. تعداد این الکترونها برای اتمهای هر گروه در جدول تناوبی یکسان است.
| عنصر (نماد) | گروه جدول تناوبی | تعداد الکترونهای ظرفیت | نمایش نقطهای |
|---|---|---|---|
| هیدروژن (H) | 1 | 1 | $ \text{H}^{\cdot} $ |
| کربن (C) | 14 | 4 | $ \text{C}^{\cdot\ \cdot}_{\cdot\ \cdot} $ |
| اکسیژن (O) | 16 | 6 | $ \text{O}^{\cdot\ \cdot}_{\cdot\ \cdot} $ |
| نیتروژن (N) | 15 | 5 | $ \text{N}^{\cdot\ \cdot}_{\cdot} $ |
| کلر (Cl) | 17 | 7 | $ \text{Cl}^{\cdot\ \cdot}_{\cdot\ \cdot} $ |
قانون اکتت: میل به آرامش
اکثر اتمها (به جز هیدروژن و هلیوم) دوست دارند تعداد الکترونهای لایهی آخرشان به عدد جادویی 8 برسد. این تمایل را قانون اکتت3 مینامند. اتمها برای رسیدن به این آرایش پایدار، الکترون به اشتراک میگذارند (پیوند کووالانسی4) یا الکترون مبادله میکنند (پیوند یونی). در ساختارهای لوویس مولکولهای کووالانسی، ما به اشتراکگذاری الکترون را با خط (—) نشان میدهیم که هر خط نمایندهی یک جفت الکترون مشترک است.
رسم ساختار لوویس: گامبهگام با مثال
بیایید ساختار لوویس مولکول آمونیاک (NH3) را که در پاککنندههای خانگی وجود دارد، با هم رسم کنیم.
گام ۱: شمارش الکترونهای ظرفیت. نیتروژن (N) 5 و هر هیدروژن (H) 1 الکترون ظرفیت دارد. پس در مجموع: $ 5 + (1 \times 3) = 8 $ الکترون.
گام ۲: تعیین اتم مرکزی. اتمی که کمتر در مرکز قرار میگیرد (معمولاً کربن، سیلیسیم، نیتروژن، فسفر، اکسیژن، گوگرد) یا الکترونگاتیوی5 کمتری دارد، مرکزی است. در آمونیاک، نیتروژن اتم مرکزی است.
گام ۳: اتصال اتمها با پیوندهای یگانه. اتم مرکزی را با تکتک اتمهای هیدروژن با یک خط (یک جفت الکترون مشترک) وصل میکنیم: N—H. تا اینجا از 6 الکترون (سه جفت) استفاده کردیم.
گام ۴: توزیع الکترونهای باقیمانده.8 - 6 = 2 الکترون باقی مانده که یک جفت است. این جفت الکترون غیرمشترک را روی اتم مرکزی (نیتروژن) قرار میدهیم تا قانون اکتت برای آن برقرار شود (نیتروژن حالا 8 الکترون دارد: 3 جفت مشترک + 1 جفت غیرمشترک).
گام ۵: بررسی. مطمئن شوید هر اتم هیدروژن 2 الکترون (یک جفت) و اتم نیتروژن 8 الکترون دارد. ساختار نهایی به شکل زیر است:
$ \text{H—\overset{\cdot\cdot}{\underset{\cdot\cdot}{N}}—H} $ (با فرض قرارگیری سه اتم H به دور N)
از نقاط روی کاغذ تا مولکولهای اطراف ما
ساختار لوویس فقط یک تمرین تئوری نیست. این نقاط و خطوط ساده به ما در پیشبینی خواص مواد کمک شایانی میکنند. برای مثال، مولکول آب (H2O) را در نظر بگیرید. ساختار لوویس آن دو جفت الکترون غیرمشترک روی اکسیژن را نشان میدهد. همین جفتهای غیرمشترک هستند که باعث میشوند مولکول آب قطبی باشد و با مولکولهای دیگر پیوند هیدروژنی6 برقرار کند. این پیوندها دلیل خاصیت مویینگی در گیاهان، حلالیت نمک در آب و حتی نقطه جوش نسبتاً بالای آب هستند.
یا مولکول دیاکسیدکربن (CO2). رسم ساختار لوویس آن نشان میدهد که اتم کربن برای رعایت قانون اکتت، مجبور است با هر اکسیژن دو پیوند دوگانه تشکیل دهد (O=C=O). این آرایش خطی و متقارن، دلیل غیرقطبی بودن این مولکول و رفتار متفاوت آن نسبت به آب است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، هیدروژن به دلیل داشتن تنها یک اوربیتال در لایه ظرفیت، فقط میتواند یک پیوند تشکیل دهد، بنابراین هرگز نمیتواند اتم مرکزی باشد. اتم مرکزی معمولاً اتمی است که بیشترین تعداد پیوند را میزند و در گروههای ۱۴ تا ۱۷ جدول تناوبی قرار دارد (مانند C، N، O، S).
پاسخ: جفت الکترون مشترک بین دو اتم است و آنها را به هم متصل میکند (نماد: خط). جفت الکترون غیرمشترک (جفت تنها) فقط متعلق به یک اتم است و در پیوند شرکت نمیکند اما بر شکل مولکول اثر میگذارد (نماد: دو نقطه کنار اتم).
پاسخ: در این حالت، باید یک یا چند پیوند یگانه را به پیوند دوگانه یا سهگانه ارتقا دهیم تا هم الکترونهای اضافه مصرف شوند و هم قانون اکتت برای اتمها برقرار شود. مثلاً در مولکول اکسیژن (O2) برای رعایت اکتت، یک پیوند دوگانه بین دو اتم اکسیژن رسم میکنیم.
ساختار لوویس یک ابزار قدرتمند و تصویری است که به ما کمک میکند نحوهی اتصال اتمها و آرایش الکترونهای ظرفیت در مولکولها را درک کنیم. با یادگیری چند قانون ساده مانند قانون اکتت و مراحل گامبهگام رسم، میتوانید ساختار هزاران مولکول ساده را پیشبینی کنید. این دانش، سنگ بنای درک واکنشهای شیمیایی، خواص مواد و حتی مکانیسم عمل داروها در بدن است.
پاورقی
1ساختار لوویس (Lewis Structure): روشی برای نمایش الکترونهای ظرفیت در مولکولها با استفاده از نقاط و خطوط که توسط گیلبرت لوویس ابداع شد.
2الکترونهای ظرفیت (Valence Electrons): الکترونهای موجود در آخرین لایه (سطح انرژی اصلی) یک اتم که در تشکیل پیوندها شرکت میکنند.
3قانون اکتت (Octet Rule): قاعدهای که بیان میکند اتمها تمایل دارند با به اشتراک گذاشتن، دادن یا گرفتن الکترون، لایه ظرفیت خود را با ۸ الکترون پر کنند (یا در مورد هیدروژن و هلیوم با ۲ الکترون).
4پیوند کووالانسی (Covalent Bond): پیوندی که در آن دو اتم یک یا چند جفت الکترون را به اشتراک میگذارند.
5الکترونگاتیوی (Electronegativity): میزان تمایل یک اتم برای جذب الکترونهای پیوندی به سوی خود.
6پیوند هیدروژنی (Hydrogen Bond): یک نیروی جاذبهی نسبتاً قوی بین اتم هیدروژن متصل به یک اتم بسیار الکترونگاتیو (مثل O، N، F) در یک مولکول و یک جفت الکترون غیرمشترک روی اتم الکترونگاتیو در مولکول دیگر.
