جفت الکترون ناپیوندی: گویهای کوچک نامرئی در اتمها
جفت الکترون ناپیوندی چیست؟ از مفاهیم پایه تا نمایش ساختاری
برای درک این مفهوم، ابتدا باید بدانیم الکترونها چگونه اطراف هستهٔ اتم قرار میگیرند. الکترونها در لایههای مختلفی به نام لایههای الکترونی میچرخند. آخرین و بیرونیترین لایه، لایهٔ والانس5 نام دارد که الکترونهای موجود در آن، الکترونهای والانس هستند. این الکترونها نقش اصلی را در تشکیل پیوندهای شیمیایی بین اتمها بازی میکنند.
اتمها برای رسیدن به آرایش پایدار (معمولاً مانند گازهای نجیب)، تمایل دارند لایهٔ والانس خود را پر کنند. برای این کار، سه راه اصلی دارند: از دست دادن الکترون، گرفتن الکترون یا اشتراک گذاری الکترون با اتمهای دیگر. جفت الکترون ناپیوندی دقیقاً مربوط به همین الکترونهای والانس است، اما آنهایی که اشتراک گذاشته نمیشوند.
بنابراین میتوانیم تعریف کنیم: جفت الکترون ناپیوندی، جفتی از الکترونهای والانس است که متعلق به یک اتم خاص بوده و در تشکیل هیچ پیوند کووالانسی6 با اتم دیگری شرکت نمیکند.
تفاوت جفت الکترون ناپیوندی با جفت الکترون پیوندی
این دو مفهوم مانند دو نقش متفاوت برای یک بازیکن در یک تیم هستند. هر دو از الکترونهای والانس هستند، اما وظیفهٔ کاملاً متفاوتی دارند.
| ویژگی | جفت الکترون ناپیوندی (تنها) | جفت الکترون پیوندی (مشترک) |
|---|---|---|
| مالکیت | متعلق به یک اتم منفرد است. | بین دو اتم به اشتراک گذاشته شده است. |
| نقش اصلی | تعیین شکل مولکول و شرکت در واکنشهای اسیدی و بازی. | نگه داشتن اتمها در کنار هم و تشکیل پیوند شیمیایی. |
| نماد در ساختار لوویس | دو نقطه ( : ) | یک خط ( — ) |
| مثال در مولکول آب | اتم اکسیژن 2 جفت ناپیوندی دارد. | هر پیوند O-H دارای یک جفت الکترون پیوندی است. |
چگونه جفت الکترون ناپیوندی شکل مولکول را خم میکند؟ (آشنایی با VSEPR)
این بخش کمی برای دانشآموزان سطح بالاتر (دبیرستان) جذاب است. یک قانون کلی در طبیعت وجود دارد: ذرات با بار منفی (مانند الکترونها) یکدیگر را دفع میکنند. در لایهٔ والانس یک اتم مرکزی، هم جفتهای الکترون پیوندی و هم جفتهای ناپیوندی وجود دارند. همهٔ این جفتهای الکترونی به دلیل بار منفی، از یکدیگر فرار میکنند و سعی میکنند حداکثر فاصله را از هم داشته باشند.
این ایده، پایهی نظریه دافعه جفت الکترون لایه والانس (VSEPR)3 است. نکتهٔ کلیدی اینجاست: جفت الکترون ناپیوندی، فضای بیشتری نسبت به جفت الکترون پیوندی اشغال میکند. دلیلش این است که جفت ناپیوندی فقط تحت تأثیر یک هسته (هستهٔ اتم مالکش) قرار دارد و نزدیک به آن اتم متمرکز است، در حالی که جفت پیوندی بین دو هسته کشیده شده و فشردهتر است.
مثال عینی: مولکول آب ($H_2O$) را در نظر بگیرید. اتم مرکزی، اکسیژن است که 6 الکترون والانس دارد. 2 الکترون با دو اتم هیدروژن اشتراک گذاشته و دو پیوند O-H تشکیل میدهد. 4 الکترون باقیمانده، دو جفت الکترون ناپیوندی را تشکیل میدهند. در مجموع اطراف اکسیژن، 4 "منطقهٔ دارای الکترون" داریم: 2 منطقهٔ پیوندی و 2 منطقهٔ ناپیوندی. این 4 منطقه برای دوری از هم، یک آرایش چهاروجهی میسازند. اما چون ما فقط اتمها را میبینیم (نه جفتهای ناپیوندی را)، شکل مولکول آب، خمیده (زاویهدار) میشود. زاویهٔ پیوندی H-O-H به جای 109.5^\circ$ ایدهآل، حدود 104.5^\circ$ است. دلیل این فشردگی، دافعهٔ قویتر جفتهای ناپیوندی است که جفتهای پیوندی را بیشتر به هم میفشارند.
جفت ناپیوندی در عمل: از تمیزکنندهها تا DNA
شاید بپرسید یادگیری این مفهوم چه فایدهای دارد؟ پاسخ در همه جا حاضر است!
۱. خاصیت بازی و پاککنندگی: آمونیاک ($NH_3$) یک پاککنندهٔ معروف است. اتم نیتروژن در آمونیاک یک جفت الکترون ناپیوندی دارد. این جفت میتواند به یک پروتون ($H^+$) متصل شود و آن را جذب کند. این توانایی، آمونیاک را به یک باز8 تبدیل میکند. بازها میتوانند چربیها را تجزیه کنند. پس جفت ناپیوندی نیتروژن، عامل اصلی قدرت پاککنندگی آمونیاک است.
۲. پیوند هیدروژنی و حیات: شکل خمیدهٔ مولکول آب که به دلیل جفتهای ناپیوندی اکسیژن ایجاد شد، برای حیات ضروری است. این شکل و بارهای جزئی موجود، امکان تشکیل پیوند هیدروژنی9 بین مولکولهای آب را فراهم میکند. پیوند هیدروژنی دلیل چگالی غیرعادی آب، نقطه جوش بالای آن و همچنین دلیل به هم پیوستن دو رشتهٔ مارپیچ DNA است. بدون جفت الکترون ناپیوندی در اکسیژن و نیتروژن، این پیوندهای حیاتی تشکیل نمیشدند.
۳. کاتالیزورها10: بسیاری از کاتالیزورهای شیمیایی که سرعت واکنشها را افزایش میدهند، دارای اتمهایی با جفت الکترون ناپیوندی هستند. این جفتها میتوانند به مولکولهای دیگر متصل شده و مسیر واکنش را تغییر دهند. مثلاً در کاتالیزگرهای خودرو برای کاهش آلایندهها، فلزاتی مثل پلاتین با کمک الکترونهایشان (مفهومی مشابه) این نقش را ایفا میکنند.
سؤالات رایج و اشتباهات متداول دربارهٔ جفت الکترون تنها
خیر. فقط اتمهایی که پس از تشکیل پیوندها، الکترونهای والانس جفتنشدهای داشته باشند، میتوانند جفت ناپیوندی تشکیل دهند. مثلاً اتم کربن در متان ($CH_4$)، همهٔ 4 الکترون والانس خود را برای تشکیل 4 پیوند اشتراک گذاشته و هیچ جفت ناپیوندی ندارد. اما نیتروژن در آمونیاک ($NH_3$)، 5 الکترون والانس دارد. 3 تا را اشتراک میگذارد و 2 تا باقی میماند که یک جفت ناپیوندی میسازند.
این یک اشتباه رایج است. جفت ناپیوندی در حالت عادی در پیوند شرکت نمیکند، اما بههیچوجه غیرفعال نیست. همان طور که دیدیم، این جفتها در واکنشهای اسید-باز (مانند جذب $H^+$ توسط آمونیاک) بسیار فعال هستند. همچنین میتوانند برای تشکیل پیوند داتیو11 اهدا شوند و در تشکیل کمپلکسهای شیمیایی نقش کلیدی دارند.
گامبهگام:
۱. عدد گروه اصلی اتم در جدول تناوبی را پیدا کنید. این عدد برابر با تعداد الکترونهای والانس است.
۲. تعداد پیوندهای کووالانسی که اتم تشکیل داده است را بشمارید. هر پیوند نشاندهندهٔ اشتراک یک الکترون از اتم مورد نظر است.
۳. تعداد الکترونهای اشتراک گذاشته شده (یعنی تعداد پیوندها) را از تعداد کل الکترونهای والانس کم کنید.
۴. عدد باقیمانده، تعداد الکترونهای والانس جفتنشده است. برای بدست آوردن تعداد جفت ناپیوندی، این عدد را بر 2 تقسیم کنید.
جفت الکترون ناپیوندی، اگرچه نامش «ناپیوندی» است، اما یکی از فعالترین و تأثیرگذارترین عوامل در شیمی مولکولی است. از تعیین شکل سهبعدی مولکولهایی مانند آب و آمونیاک گرفته تا تعیین خاصیت بازی مواد پاککننده و تشکیل پیوندهای حیاتی در DNA، ردپای این جفتهای الکترونی تنها به وضوح دیده میشود. درک این مفهوم ساده، پنجرهای به درک رفتار مواد در دنیای اطراف ما میگشاید و پایهای اساسی برای مطالعهٔ شیمی آلی، بیوشیمی و علم مواد فراهم میکند.
پاورقی
1 Non-Bonding Electron Pair (Lone Pair).
2 Molecular Geometry.
3 Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) Theory.
4 Chemical Reactivity.
5 Valence Shell.
6 Covalent Bond.
7 Lewis Structure.
8 Base.
9 Hydrogen Bond.
10 Catalysts.
11 Dative Bond یا Coordinate Covalent Bond.
