جفت الکترون پیوندی: سازندگان نامرئی جهان ماده
از اتم تنها تا مولکول: نقش کلیدی جفت الکترون
الکترونهای ظرفیت و میل به پایدار شدن
همه مواد از اتمها ساخته شدهاند. هر اتم یک هسته با بار مثبت و الکترونهایی با بار منفی دارد که به دور آن میچرخند. الکترونهای لایه آخر اتم که به آنها الکترون ظرفیت3 میگویند، در واکنشهای شیمیایی نقش اصلی را بازی میکنند. قاعدهای به نام هشتتایی4 (یا دوتایی برای هیدروژن) بیان میکند که اتمها تمایل دارند تعداد الکترونهای لایه ظرفیت خود را به 8 برسانند تا به پیکربندی الکترونی پایدار یک گاز نجیب5 برسند. یکی از راههای رسیدن به این آرایش پایدار، به اشتراک گذاشتن الکترون با اتمهای دیگر است.
تعریف و ماهیت جفت الکترون پیوندی
وقتی دو اتم برای رسیدن به آرایش پایدار، یک یا چند جفت از الکترونهای ظرفیت خود را با هم به اشتراک میگذارند، بین آنها یک پیوند کووالانسی تشکیل میشود. به هر جفت الکترونی که در این اشتراک نقش دارد، یک جفت الکترون پیوندی میگویند. این جفت الکترون متعلق به هر دو اتم است و مانند یک «چسب» نامرئی آنها را در کنار هم نگه میدارد. تعداد پیوندهای بین دو اتم را تعداد پیوند یا درجه پیوند مینامند.
| نوع پیوند | تعداد جفت الکترون پیوندی | نماد | مثال (فرمول ساختمانی) |
|---|---|---|---|
| پیوند یگانه6 | 1 جفت | یک خط (-) | آب (H–O–H) |
| پیوند دوگانه7 | 2 جفت | دو خط (=) | دیاکسید کربن (O=C=O) |
| پیوند سهگانه8 | 3 جفت | سه خط (≡) | گاز نیتروژن (N≡N) |
جفت الکترون تنها: ساکن اما تاثیرگذار
همه الکترونهای ظرفیت یک اتم در پیوند شرکت نمیکنند. به الکترونهای ظرفیتی که در تشکیل پیوند نقش ندارند و تنها روی یک اتم باقی میمانند، جفت الکترون تنها9 یا جفت الکترون غیرپیوندی میگویند. این جفتهای الکترونی اگرچه مستقیماً در اتصال اتمها نقش ندارند، اما بر روی شکل فضایی مولکول و خواص آن (مانند نقطه جوش یا خاصیت اسیدی و بازی) تاثیر بسیار مهمی میگذارند.
مثال: در مولکول آب ($H_2O$)، اتم اکسیژن 6 الکترون ظرفیت دارد. دو تا از این الکترونها با دو اتم هیدروژن به اشتراک گذاشته میشوند و دو جفت الکترون پیوندی تشکیل میدهند. چهار الکترون باقیمانده (دو جفت) روی اتم اکسیژن میمانند و دو جفت الکترون تنها را تشکیل میدهند.
چگونه شکل مولکول را پیشبینی کنیم؟ نظریه VSEPR
آیا تا به حال فکر کردهاید چرا مولکول آب مانند خط راست نیست و زاویهای نزدیک به 104.5 درجه دارد؟ پاسخ در دافعه بین الکترونها نهفته است. نظریه دافعه جفت الکترون لایه ظرفیت10 (VSEPR) بیان میکند که جفتهای الکترونی اطراف یک اتم مرکزی (چه پیوندی و چه تنها) به دلیل بار منفی یکسان، از هم دور میشوند تا حداقل دافعه را داشته باشند. این دافعه، شکل نهایی مولکول را تعیین میکند.
| مولکول | فرمول | جفت پیوندی | جفت تنها | کل حوزهها | شکل مولکول |
|---|---|---|---|---|---|
| متان | $CH_4$ | 4 | 0 | 4 | چهاروجهی |
| آمونیاک | $NH_3$ | 3 | 1 | 4 | هرم مثلثی |
| آب | $H_2O$ | 2 | 2 | 4 | خمیده (V شکل) |
از آزمایشگاه تا زندگی: جفت الکترونها در عمل
مفهوم جفت الکترون پیوندی و تنها فقط یک تئوری در کتابها نیست. این مفهوم به توضیح خواص مواد در اطراف ما کمک شگرفی میکند. برای مثال، دلیل خاصیت قطبی11 مولکول آب به آرایش جفتهای الکترونی اطراف اتم اکسیژن برمیگردد. شکل خمیده مولکول و وجود جفتهای الکترون تنها باعث میشود یک سمت مولکول (سمت اکسیژن) کمی منفی و سمت دیگر (سمت هیدروژنها) کمی مثبت شود. همین قطبی بودن، دلیل حل شدن نمک در آب، تشکیل قطرات باران و خاصیت چسبندگی سطحی12 آب است.
یک مثال دیگر گاز اکسیژن ($O_2$) است که ما تنفس میکنیم. دو اتم اکسیژن با تشکیل یک پیوند دوگانه (دو جفت الکترون پیوندی) به هم متصل میشوند. در مولکول گاز نیتروژن ($N_2$) که 78 درصد هوا را تشکیل میدهد، یک پیوند سهگانه بسیار قوی (سه جفت الکترون پیوندی) بین دو اتم نیتروژن وجود دارد که شکستن آن سخت است و به همین دلیل این گاز نسبتاً بیاثر است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
1جفت الکترون پیوندی (Bonding Electron Pair)
2پیوند کووالانسی (Covalent Bond)
3الکترون ظرفیت (Valence Electron)
4قاعده هشتتایی (Octet Rule)
5گاز نجیب (Noble Gas)
6پیوند یگانه (Single Bond)
7پیوند دوگانه (Double Bond)
8پیوند سهگانه (Triple Bond)
9جفت الکترون تنها (Lone Pair)
10نظریه دافعه جفت الکترون لایه ظرفیت (Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory - VSEPR)
11خاصیت قطبی (Polarity)
12چسبندگی سطحی (Surface Tension)
13پیوند سیگما (σ bond)
14پیوند پی (π bond)
15پیوند یونی (Ionic Bond)
