ساختار لوویس[1]: نقشهکشی مولکولها با الکترونها
آشنایی با الفبای ساختار لوویس: نمادها و مفهوم آنها
قبل از هر چیز، باید با الفبای این زبان آشنا شویم. در ساختار لوویس، هر اتم با نماد شیمیایی آن (مانند H برای هیدروژن یا O برای اکسیژن) نشان داده میشود. الکترونها، به ویژه الکترونهای لایهی ظرفیت[2]، نقشی کلیدی دارند. این الکترونها به دو صورت نمایش داده میشوند:
- الکترونهای پیوندی: الکترونهایی که بین دو اتم به اشتراک گذاشته میشوند و آنها را به هم پیوند میدهند. آنها معمولاً به صورت یک خط (—) بین دو نماد اتم نشان داده میشوند. هر خط نشاندهندهی یک جفت الکترون مشترک است.
- الکترونهای ناپیوندی (جفت تنها): الکترونهایی که در لایه ظرفیت یک اتم هستند اما در تشکیل پیوند شرکت نمیکنند. آنها به صورت نقطههایی (• یا :) در اطراف نماد اتم مربوطه رسم میشوند.
برای مثال، ساختار لوویس مولکول کلر ($\ce{Cl2}$) به سادگی به این شکل است:
گامهای طلایی رسم یک ساختار لوویس
برای رسم صحیح ساختار لوویس یک مولکول یا یون، میتوانید از یک دستورالعمل گامبهگام پیروی کنید. این مراحل را با هم برای مولکول آب ($\ce{H2O}$) تمرین میکنیم.
| گام | توضیح | مثال برای آب ($\ce{H2O}$) |
|---|---|---|
| 1 | شمردن کل الکترونهای ظرفیت: تعداد الکترونهای لایه آخر همه اتمهای مولکول را جمع بزنید. |
$\ce{H}$: 1 الکترون (در 2 اتم = 2) $\ce{O}$: 6 الکترون جمع = 8 الکترون |
| 2 | اتم مرکزی: اتمی که کمترین الکترونگاتیوی[3] را دارد (غالباً غیرفلز) و میتواند با بیش از یک اتم پیوند تشکیل دهد، در مرکز قرار میگیرد. | اتم اکسیژن ($\ce{O}$) اتم مرکزی است. هیدروژنها ($\ce{H}$) در اطراف آن قرار میگیرند. |
| 3 | ایجاد چارچوب با پیوندهای یگانه: اتمها را با یک خط (پیوند یگانه) به اتم مرکزی وصل کنید. | H – O – H |
| 4 | توزیع الکترونهای باقیمانده: الکترونهای باقیمانده از جمع مرحله اول را ابتدا به عنوان جفت تنها روی اتمهای پیرامونی (غیر از هیدروژن) و سپس روی اتم مرکزی قرار دهید تا قاعده اکتت[4] رعایت شود. | از 8 الکترون، 4 تا در دو پیوند H–O مصرف شدند. 4 الکترون باقی میماند که دو جفت تنها روی اکسیژن قرار میگیرند. |
| 5 | بررسی قاعده اکتت (یا دوتایی برای H): مطمئن شوید همه اتمها (به جز هیدروژن) 8 الکترون در اطراف خود دارند. اگر نشد، ممکن است نیاز به پیوند دوگانه یا سهگانه باشد. | هر H، 2 الکترون (قاعده دوتایی). O، 8 الکترون (4 در پیوند + 4 جفت تنها). قاعده اکتت برقرار است. |
بنابراین، ساختار لوویس نهایی آب به این شکل رسم میشود: $ \ddot{O}-H $ (با دو پیوند و دو جفت تنها روی O) که معمولاً به صورت $ H-\ddot{O}-H $ نوشته میشود.
ساختار لوویس در عمل: از تئوری تا کاربرد
ساختار لوویس فقط یک رسم ساده نیست؛ پنجرهای است به دنیای رفتار مولکولها. با نگاه کردن به این ساختارها میتوان به نتایج کاربردی مهمی رسید:
۱. پیشبینی شکل مولکول: تعداد پیوندها و جفتهای تنهای اطراف اتم مرکزی، شکل فضایی مولکول را تعیین میکند. مثلاً، مولکول متان ($\ce{CH4}$) که کربن مرکزی آن چهار پیوند و هیچ جفت تنهایی ندارد، شکل چهاروجهی منتظم میگیرد. اما در مولکول آمونیاک ($\ce{NH3}$)، نیتروژن سه پیوند و یک جفت تنها دارد که باعث میشول شکل مولکول مانند یک هرم سهضلعی (چهاروجهی ناقص) باشد.
۲. شناسایی قطبیت مولکولها: اگر در یک مولکول، توزیع بار الکتریکی یکنواخت نباشد، مولکول قطبی است. جفتهای تنها و تفاوت در الکترونگاتیوی اتمها در این امر مؤثرند. مثلاً مولکول $\ce{CO2}$ خطی است و قطبیت پیوندهایش همدیگر را خنثی میکند (غیرقطبی)، اما مولکول آب به دلیل وجود جفتهای تنها و زاویهی خاص، قطبی است.
۳. درک خواص فیزیکی: مولکولهایی که میتوانند با یکدیگر یا با مولکولهای دیگر پیوند هیدروژنی قوی تشکیل دهند (مانند آب)، نقطه جوش بالاتری دارند. وجود جفتهای تنها روی اتمهای اکسیژن، نیتروژن یا فلوئور، شرط لازم برای تشکیل این پیوند است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
[1] ساختار لوویس (Lewis Structure): روشی برای نمایش ساختار مولکولها که توسط «گیلبرت نیوتون لوویس» شیمیدان آمریکایی ابداع شد.
[2] لایه ظرفیت (Valence Shell): بیرونیترین لایه الکترونی یک اتم که الکترونهای آن در تشکیل پیوند شرکت میکنند.
[3] الکترونگاتیوی (Electronegativity): معیاری برای سنجش تمایل یک اتم برای جذب الکترونهای پیوندی به سمت خود.
[4] قاعده اکتت (Octet Rule): قاعدهای که میگوید اتمها تمایل دارند با دادن، گرفتن یا به اشتراک گذاشتن الکترون، لایه ظرفیت خود را با 8 الکترون پر کنند (شبیه به گازهای نجیب).
[5] اکتت توسعه یافته (Expanded Octet): وضعیتی که در آن یک اتم میتواند بیش از 8 الکترون در لایه ظرفیت خود داشته باشد. معمولاً برای عناصر دوره سوم و بالاتر رخ میدهد.
[6] رادیکال (Radical): گونهای شیمیایی (اتم یا مولکول) که دارای یک یا چند الکترون جفتنشده است.
[7] رزونانس (Resonance): پدیدهای که در آن یک مولکول را نمیتوان با یک ساختار لوویس منفرد به دقت نشان داد و برای توصیف واقعی آن باید از ترکیب دو یا چند ساختار فرضی (ساختارهای رزونانسی) استفاده کرد.
