شیمی , علوم پایه 566 بازدید

مواد یونی به طور کامل توسط پیوندهای یونی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. بارهای الکتریکی هر یون سبب بروز برهم‌کنش‌های الکترواستاتیک و در نهایت تشکیل یک شبکه بلوری می‌شوند. نوع آرایش یون‌ها با ساختار مواد مولکولی تفاوت دارد. برای نمایش مولکول‌های مختلف می‌توان از ساختار لوویس استفاده کرد. همچنین ساختار لوویس در تعیین شکل مولکول با استفاده از نظریه «وسپر» (VSEPR) بسیار موثر است.

الکترون‌هایی که یک پیوند کووالانسی را تشکیل می‌دهند به یک اتم تنها تعلق ندارند بلکه بین دو اتم در یک پیوند به اشتراک گذاشته شده‌اند. مفهوم پیوند کووالانسی در سال ۱۹۱۶ توسط شیمیدان آمریکایی،‌ «گیلبرت نیوتون لوویس» (Gilbert Newton Lewis) ارائه شد. او پیشنهاد کرد که اشتراک الکترون‌ها یکی از راه‌هایی است که اتم‌ها به کمک آن می‌توانند به آرایش اوکتت لایه ظرفیت دست پیدا کنند. این ایده بعدها توسط لاینس پاولینگ توسعه داده شد. این دانشمند علاوه بر کسب جایزه نوبل در سال ۱۹۵۴، مطالعاتی بر روی پیوندهای شیمیایی و همچنین الکترونگاتیوی انجام داده بود.

پیوند کووالانسی یگانه

ساده‌ترین پیوند کووالانسی بین دو اتم هیدروژن بوقوع می‌پیوندد. هر اتم هیدروژن یک الکترون دارد و با گرفتن یک الکترون دیگر،‌ لایه بیرونی خود را تکمیل می‌کند. «مولکول هیدروژن» $$(H _ 2)$$، شامل دو اتم هیدروژن است که هرکدام الکترون ظرفیت خود را به اشتراک گذاشته‌اند. هیدروژن همچنین می‌تواند پیوندهای کووالانسی را با دیگر اتم‌ها تشکیل دهد. به طور مثال، هیدروژن و کلر هر کدام برای رسیدن به آرایش گاز نجیب، تنها به یک الکترون نیاز دارند. در نتیجه با به اشتراک گذاشتن الکترون‌ لایه ظرفیت خود، مولکول پایدار $$HCl$$ را تشکیل می‌دهند.

نمایش پیوندهای کووالانسی

برای نمایش پیوندهای کووالانسی می‌توان از یک شکل ساده موسوم به «ساختار لوویس» (Lewis Structure) استفاده کنیم. این ساختار را با نام‌های دیگری همچون «دیاگرام لوویس» (Lewis Diagram) یا «ساختار الکترون‌نقطه‌ای لوویس» (Lewis Electron dot Structure) هم می‌شناسند. در ساختار لوویس،‌ هر نقطه بیانگر یک الکترون لایه ظرفیت در ترکیب است. به طور مثال $$H _ 2$$ را می‌توان به شکل $${H} : \ {H}$$ نشان داد. همانطور که گفته شد، هر نقطه نشان‌دهنده یک الکترون لایه ظرفیت خواهد بود و به این دلیل در میان دو اتم نوشته می‌شود چون این الکترون‌ها توسط پیوند کووالانسی، بین دو اتم به اشتراک گذاشته شده‌اند. برای مولکول‌های بزرگتر، رسم تمامی الکترون‌های لایه ظرفیت دشوار خواهد بود. در نتیجه جفت الکترون‌های پیوندی را می‌توان با یک خط نشان داد. بنابراین، $$H _ 2$$ را می‌توان به صورت $$H – H $$ نشان داد. اگر بخواهیم ساختار لوییس مولکول $$H Cl$$ را نشان بدهیم، به صورت زیر خواهد بود:

ساختار لوییس

در این تصویر مشاهده می‌کنیم که پیوند کووالانسی بین اتم هیدروژن و کلر شامل دو الکترون است. هیدروژن در لایه خارجی خود دارای دو الکترون و کلر در لایه خارجی خود هشت الکترون دارند. به همین صورت می‌توان برای پیوندهای کووالانسی هیدروژن با دیگر هالوژن‌ها نیز ساختاری مشابه تصویر بالا رسم کرد. برای سایر مولکول‌هایی که تشکیل پیوند کووالانسی می‌دهند، ساختارهای لوییس مشابهی می‌توان رسم کرد.

بسیاری از ترکیباتی که شامل اکسیژن، نیتروژن،‌ کربن، گوگرد و فسفر هستند به کمک پیوندهای کووالانسی در کنار یکدیگر نگهداشته شده‌اند. به طور کلی تعداد پیوندهایی که یک اتم تشکیل می‌دهد را می‌توان از طریق تعداد الکترون مورد نیاز برای پر کردن لایه ظرفیت آن، پیش‌بینی کرد. به طور مثال، اکسیژن در لایه ظرفیت خود دارای ۶ الکترون است و تنها به دو الکترون برای پر کردن لایه ظرفیت خود نیاز دارد. در نتیجه، این اتم ‌فقط می‌تواند تعداد دو پیوند کووالانسی با دیگر اتم‌ها تشکیل دهد. با نگاهی به مولکول آب می‌توان این دو پیوند کووالانسی را بهتر نشان داد:

ساختار لوویس

همانطور که مشاهده می‌کنید، در تصویر بالا تعداد دو جفت الکترون وجود دارند که در تشکیل پیوند کووالانسی نقش ندارند. به این نوع از الکترون‌ها،‌ «جفت الکترون ناپیوندی»‌ (Lone Pairs) می‌گویند.

به طور مشابه، نیتروژن برای تکمیل لایه ظرفیت خود به ۳ الکترون نیاز دارد. در نتیجه سه پیوند کووالانسی خواهیم داشت. همچنین ملاحظه می‌کنید که یک جفت الکترون ناپیوندی هم در این مولکول دیده می‌شود. در این ساختار،‌ الکترون‌های پیوندی با خط و جفت الکترون ناپیوندی به صورت دو نقطه نشان داده شده است:

ساختار لوییس

پیوندهای دوگانه و سه‌گانه

تا این بخش تنها به پیوندهای یگانه پرداختیم. بسیاری از مولکول‌ها شامل پیوندهای دوگانه و سه‌گانه هستند که هر اتم، دو یا سه الکترون به ترتیب به اشتراک می‌گذارد. این نوع از پیوندها را به کمک دو یا سه خط که بین دو اتم کشیده می‌شوند نشان می‌دهیم. به طور مثال، پیوند دوگانه کربن-کربن را می‌توان به دو شکل $${C} :: {C}$$ یا $${C=C}$$ نشان داد. پیوند سه‌گانه کربن-کربن را هم می‌توان به شکل $${C ::: C}$$ یا مانند تصویر زیر با سه خط نشان داد.

ساختار لوییس

رسم ساختار لوویس برای ترکیبات مختلف

برای رسم ساختار لوویس برخی گروه‌های جدول تناوبی می‌توانید از جدول زیر کمک بگیرید:

ساختار لوویس

همچنین از ساختار لوویس می‌توان برای نمایش نحوه تشکیل کاتیون‌ها و آنیون‌ها استفاده کرد:

ساختار لووییس

علاوه بر این، برای نمایش انتقال الکترون‌ها و تشکیل یک ترکیب یونی هم می‌توان از ساختار لوییس بهره گرفت:

ساختار لوییس

مثال

ساختار لوویس یون نیتریت با فرمول $$N O _ 2 ^ -$$ را رسم کنید.

حل:

  • بین این دو اتم،‌ الکترونگاتیوی نیتروژن کمتر است و بنابراین به عنوان اتم مرکزی در نظر گرفته می‌شود.
  • در مرحله بعد باید تعداد الکترون‌های لایه ظرفیت را شمارش کنید. نیتروژن دارای ۵ الکترون و اکسیژن ۶ الکترون در لایه ظرفیت خود هستند. در نتیجه، تعداد کل الکترون‌ها به صورت زیر محاسبه خواهد شد:

$$(۶ \times 2) + 5 = 17$$

اما این یون دارای بار $$-۱$$ و نشانگر یک الکترون بیشتر است و بنابراین،‌ تعداد کل الکترون‌ها برابر با ۱۸ است.

  • حال،‌ اتم‌ها را با پیوندهای یگانه به یکدیگر وصل کنید. هر اکسیژن را به نیتروژن وصل کنید و با این کار ۴ الکترون را در پیوند شرکت داده‌اید.
  • جفت الکترون‌های ناپیوندی را در محل‌های خود قرار دهید. ۱۴ الکترون باقی مانده است و در نتیجه تعداد ۷ جفت الکترون خواهیم داشت. هر اکسیژن در نهایت می‌توان ۳ جفت الکترون دریافت کند و لایه ظرفیت خود را با احتساب دو الکترون پیوندی،‌ با ۸ الکترون تکمیل کند. در نهایت، آخرین جفت الکترون به نیتروژن می‌رسد.
  • قاعده اوکتت را برای اتم‌ها استفاده کنید. هر دو اتم اکسیژن در حال حاضر دارای ۸ الکترون هستند اما اتم نیتروژن تنها ۶ الکترون در لایه ظرفیت خود دارد. در نتیجه یکی از جفت الکترون‌های ناپیوندی باید به صورت یک جفت الکترون پیوندی با نیتروژن پیوند تشکیل دهد. البته می‌توان هرکدام از اتم‌های اکسیژن را برای این کار انتخاب کرد. به این نوع ساختار، رزونانس می‌گویند.
  • با انجام مراحل بالا،‌ دو ساختار لوییس خواهیم داشت. در هر کدام از این دو ساختار،‌ یک اتم اکسیژن دارای پیوند دوگانه با اتم نیتروژن و اتم دیگر دارای پیوند یگانه است. در نتیجه ساختار لوییس آن‌ها به شکل زیر خواهد بود:

 ساختار لوییس

ساختارهای جایگزین

ساختارهای شیمیایی را می‌توان در شکل‌های فشرده‌تر نیز نشان داد. این کار در خصوص نمایش مولکول‌های آلی بیشتر کاربرد دارد. به هنگام نمایش فرمول‌های ساختاری فشرده (تراکمی)، بیشتر پیوندهای کووالانسی را در نظر نمی‌گیریم. نوع دیگر نمایش ساختاری «فرمول اسکلتی» (Skeletal Formula) نام دارد. در فرمول اسکلتی، اتم‌های کربن را با حرف $$C$$ نمایش نمی‌دهیم بلکه رئوس خط بیانگر این اتم‌ها هستند. علاوه بر این، اتم‌های هیدروژن متصل به کربن نیز نمایش داده نمی‌شوند.

ساختار لوویس
به ترتیب از چپ به راست: فرمول تراکمی و فرمول اسکلتی بوتان

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

telegram
twitter

سهیل بحر کاظمی

«سهیل بحرکاظمی» فارغ‌التحصیل رشته مهندسی نفت، گرایش مهندسی مخازن هیدروکربوری از دانشگاه علوم و تحقیقات تهران است. به عکاسی و شیمی آلی علاقه‌مند است و در زمینه‌ متون شیمی به تولید محتوا می‌پردازد.

بر اساس رای ۲ نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *