تمایل به پایدار شدن: قانون هشتایی
اتمهای بیقرار: سفر به سمت آرامش
هر اتم از یک هسته با بار مثبت و الکترونهایی با بار منفی تشکیل شده که در لایهها (مدارها)ی مختلف به دور هسته میچرخند. مهمترین لایه برای یک اتم، آخرین لایه یا لایهٔ ظرفیت4 است. تعداد الکترونهای این لایه، رفتار شیمیایی اتم را تعیین میکند.
اتمهای گازهای نجیب (مانند نئون و آرگون) بهطور طبیعی در آخرین لایهٔ خود ۸ الکترون دارند (به جز هلیوم که ۲ الکترون دارد). این اتمها بسیار پایدار و بیاثر هستند و تقریباً با هیچ عنصر دیگری ترکیب نمیشوند. اتمهای دیگر عناصر برای رسیدن به این آرایش پایدار، دست به کار میشوند: یا الکترون از دست میدهند، یا الکترون میگیرند، یا الکترون به اشتراک میگذارند. این سه راه، اساس تشکیل تمام پیوندهای شیمیایی است.
انواع پیوند: راههای رسیدن به آرایش هشتتایی
اتمها بسته به تعداد الکترونهای لایهٔ ظرفیت خود، یکی از این راهها را برای پایدار شدن انتخاب میکنند. این انتخاب به دو نوع پیوند اصلی میانجامد:
| ویژگی | پیوند یونی6 | پیوند کووالانسی7 |
|---|---|---|
| شرکتکنندگان | یک اتم فلز (الکترون دهنده) و یک اتم نافلز (الکترون گیرنده) | معمولاً بین اتمهای نافلز |
| مکانیسم | انتقال الکترون از فلز به نافلز | اشتراک گذاری الکترون بین اتمها |
| نتیجه | تشکیل یون8های مثبت (کاتیون9) و منفی (آنیون10) و جاذبه بین آنها | تشکیل یک مولکول11 |
| مثال ملموس | نمک طعام (NaCl) | مولکول آب (H2O) |
| نمادگذاری | $ Na \rightarrow Na^{+} + e^{-} $ و $ Cl + e^{-} \rightarrow Cl^{-} $ | $ H \cdot + \cdot H + \cdot \overset{\cdot\cdot}{\underset{\cdot\cdot}{O}} \cdot \rightarrow H : O : H $ (نماد نقطهای) |
قاعدهٔ هشتایی در آشپزخانه و طبیعت
شاید فکر کنید این قواعد فقط در آزمایشگاه شیمی کاربرد دارند، اما نمونههای آن در زندگی روزمره فراوان است:
نمکدان روی سفره: سدیم (Na) یک فلز است که تنها ۱ الکترون در لایهٔ آخر خود دارد. برای رسیدن به آرایش پایدار (مشابه نئون)، این یک الکترون را به راحتی از دست میدهد. کلر (Cl) یک نافلز است و ۷ الکترون در لایهٔ آخر دارد. با گرفتن یک الکترون، لایهٔ آخرش را به ۸ الکترون میرساند (مشابه آرگون). وقتی سدیم الکترون خود را به کلر میدهد، هر دو به یونهای پایدار تبدیل میشوند: Na+ و Cl-. این یونهای با بار مخالف، یکدیگر را به شدت جذب میکنند و بلورهای سفید و خوشطعم نمک طعام را میسازند.
آب زندگیبخش: اکسیژن (O) ۶ الکترون در لایهٔ ظرفیت دارد و برای تکمیل آن به ۲ الکترون نیاز دارد. هر اتم هیدروژن (H) فقط ۱ الکترون دارد و برای پر کردن لایهٔ اول خود (که گنجایش ۲ الکترون را دارد) به ۱ الکترون نیازمند است. بنابراین، یک اتم اکسیژن با دو اتم هیدروژن، الکترون به اشتراک میگذارد. در این اشتراکگذاری، هر هیدروژن به ۲ الکترون (دوئت) و اکسیژن به ۸ الکترون (اکتت) میرسد. حاصل این همکاری، مولکول آب حیاتی است.
زنگ زدن آهن: وقتی آهن در معرض رطوبت و اکسیژن قرار میگیرد، اتمهای آهن الکترون از دست داده و به یون آهن تبدیل میشوند. این یونها سپس با اکسیژن و آب ترکیب میشوند و اکسید آهن یا همان زنگ را تشکیل میدهند. این یک فرآیند الکتروشیمیایی پیچیدهتر است که ریشه در همان تمایل اتمها برای پایدار شدن دارد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. قاعدهٔ اصلی، پر شدن یا تخلیه شدن لایهٔ ظرفیت برای رسیدن به آرایش یک گاز نجیب است. برای اتمهای ردیف اول و دوم جدول تناوبی، این معمولاً به معنای ۸ الکترون است (به جز هیدروژن و هلیوم). اتمهایی مانند لیتیم یا بریلیم ترجیح میدهند لایهٔ آخر خود را کاملاً خالی کنند تا به آرایش هلیوم (۲ الکترون) برسند. همچنین، اتمهای سنگینتر میتوانند بیش از ۸ الکترون در لایهٔ ظرفیت داشته باشند.
پاسخ: زیرا آنها از قبل به آرایش پایدار و مطلوب (لایهٔ ظرفیت کامل) رسیدهاند. نیاز یا تمایلی برای از دست دادن، گرفتن یا به اشتراک گذاشتن الکترون ندارند. به همین دلیل به آنها «بیاثر» یا نجیب میگویند. این پایدار بودن باعث میشود در لامپهای نئونی هم از آنها استفاده شود.
پاسخ: در علم، ما از این کلمات برای سادهسازی و درک بهتر استفاده میکنیم. در واقعیت، این یک اصل فیزیکی است: سیستمها (از جمله اتمها) به سمت وضعیتی با کمترین انرژی و بیشترین پایداری حرکت میکنند. داشتن لایهٔ ظرفیت کامل (اکتت) یک وضعیت کمانرژی و پایدار است. پس «تمایل» اتمها در واقع همان گرایش طبیعی به کاهش انرژی خود است.
پاورقی
1 اتم (Atom): کوچکترین واحد تشکیلدهندهٔ یک عنصر شیمیایی که ویژگیهای آن عنصر را حفظ میکند.
2 قاعدهٔ اکتت (Octet Rule): قاعدهای که بیان میدارد اتمها تمایل دارند با از دست دادن، گرفتن یا به اشتراک گذاشتن الکترون، تعداد الکترونهای لایهٔ ظرفیت خود را به ۸ برسانند.
3 پیوند (Bond): نیروی جاذبهای که اتمها یا یونها را در یک ترکیب شیمیایی به هم متصل نگه میدارد.
4 لایهٔ ظرفیت (Valence Shell): آخرین لایهٔ الکترونی یک اتم که الکترونهای آن در تشکیل پیوند نقش دارند.
5 دوئت (Duet Rule): قاعدهای مشابه قاعدهٔ اکتت که برای عناصری مانند هیدروژن و هلیوم صادق است و تمایل به داشتن ۲ الکترون در لایهٔ اول (و آخرین) را بیان میکند.
6 پیوند یونی (Ionic Bond): پیوندی که در نتیجهٔ انتقال الکترون از یک اتم فلز به یک اتم نافلز و جاذبهٔ الکترواستاتیکی بین یونهای مثبت و منفی حاصل تشکیل میشود.
7 پیوند کووالانسی (Covalent Bond): پیوندی که در نتیجهٔ اشتراک گذاری یک یا چند جفت الکترون بین دو اتم (معمولاً نافلز) تشکیل میشود.
8 یون (Ion): اتم یا گروهی از اتمها که با از دست دادن یا گرفتن الکترون، باردار شدهاند.
9 کاتیون (Cation): یون با بار الکتریکی مثبت که در نتیجهٔ از دست دادن الکترون توسط یک اتم تشکیل میشود.
10 آنیون (Anion): یون با بار الکتریکی منفی که در نتیجهٔ گرفتن الکترون توسط یک اتم تشکیل میشود.
11 مولکول (Molecule): کوچکترین ذرهٔ یک مادهٔ خالص (عنصر یا ترکیب) که ویژگیهای شیمیایی آن ماده را حفظ میکند و از دو یا چند اتم که با پیوند کووالانسی به هم متصل شدهاند، تشکیل شده است.
