بار قراردادی چیست؟ – به زبان ساده

فرمول بار قراردادی

بار قراردادی هر اتم در یک مولکول را می‌توان از طریق رابطه زیر محاسبه کرد:

$$\begin {equation} F C = V - N - \frac { B } { 2 } \end {equation}$$

• $$V$$: تعداد الکترون ظرفیت اتم منفرد خنثی
• $$N$$: تعداد الکترون‌های ناپیوندی
• $$B$$: تعداد کل الکترون‌های به اشتراک گذاشته شده در پیوند با سایر اتم‌ها در مولکول (تعداد الکترون‌های پیوندی)

$$N = ( 5 \text { valence } e ^ - ) - \left ( 2 \text { lone pair } e ^ { - } \right ) - ( 1 / 2 \times 6 \text { bond pair } e ^ - ) = 0$$

اتم هیدروژن خنثی نیز یک الکترون ظرفیت دارد. هر اتم هیدروژن در مولکول، هیچ الکترون ناپیوندی ندارد و تنها شامل یک پیوند است. با محاسبه بار قراردادی به کمک فرمول بالا، بار قراردادی برای این اتم در مولکول هیدروژن هم صفر خواهد بود:

$$H = \left ( 1 \text { valence } e ^ { - } \right) - (\text {O lone pair } e ^ - ) - (1 / 2 \times 2 \text { bond pair } e ^ - ) = 0$$

بار قراردادی یون‌های چند‌ اتمی

مثال محاسبه بار قراردادی یون آمونیم

بار قراردادی برای یون آمونیوم $$N H _ 4 ^ +$$ محاسبه کنید.

برای حل این سوال باید تعداد الکترون‌های ظرفیت هر اتم را در یون آمونیوم مشخص کنیم. از ساختار لوویس برای تعیین تعداد الکترون‌های پیوندی و ناپیوندی در هر اتم استفاده کنید. در نهایت، به کمک فرمول بالا، بار قراردادی محاسبه خواهد شد. ساختار لوویس برای آمونیوم به صورت زیر است:

اتم نیتروژن در آمونیوم، ۴ پیوند دارد و الکترون ناپیوندی در آن دیده نمی‌شود. با استفاده از فرمول بالا، بار قراردادی در اتم نیتروژن، برابر با $$+ 1$$ خواهد بود:

$$N = (5 e ^ - ) - (0 e^ - ) - (1/2 \times 8 e^-) = + 1$$

هر اتم هیدروژن نیز یک پیوند با نیتروژن دارد و فاقد الکترون ناپیوندی است. در نتیجه، بار قراردادی در هر اتم هیدروژن برابر با صفر خواهد بود:

$$H = (1 e ^ - ) - (0 e^ - ) - (1/2 \times 2 e^-) = 0$$

بنابراین، بار قراردادی هر اتم در یون آمونیوم به شکل است:

الگوهای پیوندی معمول در ساختارهای آلی

روشی که در بالا برای تعیین بار قراردادی مطرح شد، نقطه آغازی برای شیمی آلی است و در ساختارهای کوچک، به خوبی می‌توان از آن بهره گرفت. اما چنین روشی در ساختارهای بزرگتر،‌ سبب صرف زمان بسیار زیادی خواهد شد.

فیلم آموزش Chemissian برای آنالیز ساختار الکترونیکی در فرادرس

کلیک کنید

در هر صورت، شیمیدان‌ها بویژه اشخاصی که با مولکول‌های زیستی سروکار دارند، باید بتوانند ساختار این مولکول‌ها را بر یک مبنای مشخص رسم کنند. به طور واضح این اشخاص باید توانایی خود را در رسم این ساختارها برای تعیین بار قراردادی تقویت کنند. این کار مستلزم تمرین و آشنایی با الگوهای پیوندی معمول است.

کربن

همانطور که گفته شد، کربن در بسیاری از مولکول‌ها به صورت چهار ظرفیتی است اما موارد استثنا نیز وجود دارند. در کربوکاتیون‌ها و کربانیون‌ها، یک اتم کربن، به ترتیب بار قراردادی مثبت یا منفی دارد. با کربوکاتیون‌ها زمانی مواجه می‌شویم که یک اتم کربن، سه پیوند بدون جفت‌الکترون ناپیوندی داشته باشد. کربوکاتیون‌ها، 6 الکترون ظرفیت و بار قراردادی برابر با $$+1$$ دارند. کربانیون‌ها در مواقعی وجود دارند که اتم کربن، سه پیوند به همراه یک جفت‌الکترون ناپیوندی داشته باشد. کربانیون‌ها ۸ الکترون ظرفیت و بار قراردادی $$-1$$ دارند.

بهتر است که از روش‌های آموزش داده شده، صحت بارهای قراردادی گفته شده را بررسی کنید. مهم‌تر این‌که قبل از پیشروی در علم شیمی آلی بهتر است با این ساختارها آشنا شوید تا بتوانید به راحتی آن‌ها را تشخیص دهید. به این ترتیب، قادر خواهید بود تا با نگاهی کوتاه به اتم‌های کربن، بار قراردادی مثبت و منفی بین آن‌ها را تشخیص دهید.

هیدروژن

الگوی پیوند معمول در هیدروژن، بسیار ساده است. به طور معمول، اتم‌های هیدروژن در مولکول‌های آلی، تنها دارای یک پیوند هستند و هیچ الکترون جفت‌نشده‌ای ندارند. بنابراین، بار قراردادی اتم هیدروژن برابر صفر خواهد بود. البته پروتون $$H ^ +$$،‌ یون هیدرید و رادیکال هیدروژن، از این قانون تبعیت نمی‌کنند. پروتون، هیدروژنی بدون پیوند و جفت‌الکترون ناپیوندی با بار قراردادی $$+1$$ است. یون هیدرید را نیز به صورت اتم هیدروژن بدون پیوند و با یک جفت‌الکترون ناپیوندی ذکر می‌کنند که بار قراردادی برابر با $$-1$$ دارد.

اکسیژن

نیتروژن

نیتروژن دارای دو الگوی پیوندی اصلی است که هرکدام از قانون اکتت پیروی می‌کنند.

اگر یک اتم نیتروژن، سه پیوند و یک جفت‌الکترون ناپیوندی داشته باشد، بار قراردادی آن برابر با صفر خواهد بود. اگر با چهار پیوند و بدون جفت‌الکترون ناپیوندی وجود داشته باشد، بار قراردادی آن برابر با $$+1$$ خواهد بود. در برخی موارد نادر، نیتروژن با بار $$-1$$، دو پیوند و دو جفت‌الکترون ناپیوندی خواهد داشت.

فسفر و گوگرد

هالوژن‌ها

اگر الگوهای مختلفی که گفته شد را به خوبی یاد بگیرید، ساختارهای آلی بزرگ را به راحتی رسم خواهید کرد.

استفاده از بار قراردادی در بین ساختارهای لوویس

برای این‌که به کمک بار قراردادی، ساختار لوویس پایدار را در مواد بررسی کنیم، خوب است مقایسه‌ای بین دو ساختار مختلف مولکول $$C O _ 2$$ داشته باشیم. برای دی‌اکسید کربن، دو ساختار وجود دارد که هردو از ساختارهای لوییس پیروی می‌کنند. برای رسم ساختار، موارد زیر را در نظر می‌گیریم:

فیلم آموزش رسم ساختار شیمیایی با ChemOffice در فرادرس

کلیک کنید

• با مقایسه الکترونگاتیوی مشاهده می‌کنیم کربن، الکترونگاتیوی کمتری نسبت به اکسیژن دارد و در نتیجه، به عنوان اتم مرکزی در نظر گرفته می‌شود.
• اتم‌های کربن و اکسیژن به ترتیب دارای 4 و ۶ الکترون ظرفیت هستند. مجموع الکترون‌های ظرفیت، برابر با 16 خواهد بود.
• اگر اتم کربن را با پیوندهای یگانه، بین اتم‌های اکسیژن به شکل $$O - C - O$$ قرار دهیم، 12 الکترون باقی خواهد ماند.
• تقسیم الکترون‌های باقی‌مانده بین اتم‌های اکسیژن، ساختار زیر را بدست می‌دهد. این ساختار، در اطراف هر اتم اکسیژن، قاعده اکتت را تکمیل می‌کند که در آن، سه جفت‌الکترون ناپیوندی داریم.

• هیچ الکترونی برای اتم مرکزی باقی نمی‌ماند.
• برای اینکه قاعده اکتت در خصوص اتم کربن نیز رعایت شود، می‌توانیم دو جفت‌الکترون ناپیوندی در اکسیژن را به جفت‌های پیوندی تبدیل کنیم. برای این‌کار، ۲ راه وجود دارد. می‌توان یک جفت الکترون از هر اتم اکسیژن گرفت تا ساختاری متقارن ایجاد کرد یا اینکه هر دو جفت‌الکترون را از یک اتم اکسیژن گرفت و ساختاری نامتقارن بوجود آورد. این دو ساختار محتمل را در تصویر زیر، مشاهده می‌کنید.

• هر دو ساختار لوییس رسم شده، از قاعده اکتت پیروی می‌کنند. بارهای قراردادی در این دو ساختار، در تصویر زیر آورده شده‌اند.

مثالی جهت نمایش ساختار لوویس پایدار

برای حل این سوال، به روش زیر عمل می‌کنیم:

• گام به گام روش‌های گفته شده را عمل کنید تا دو ساختار لوییس برای یون تیوسانات رسم شود.
• با استفاده از فرمولِ ابتدای آموزش، بار قراردادی روی هر اتم را محاسبه کنید.
• بر اساس بار قراردادی هر اتم، پیش‌بینی کنید که کدامیک از ساختارها، پایداری بیشتری دارند. در این خصوص، الکترونگاتیوی نسبی هر اتم نسبت به دیگری را نیز در نظر بگیرید.

در تصویر زیر، ساختارهای لوویس محتمل را برای یون تیوسیانات مشاهده می‌کنید.

برای تعیین ساختار لوویس مناسب، بار قراردادی روی هر اتم را باید محاسبه کنیم. اگر با کربن شروع کنیم، متوجه خواهیم شد که اتم کربن در هر کدام از این ساختارها، چهار پیوند را به اشتراک می‌گذارد. بنابراین، بار قراردادی روی اتم کربن، برابر با صفر است. در ادامه،‌ با بررسی اتم گوگرد در‌می‌یابیم که در ساختار اول، اتم گوگرد، یک پیوند و سه جفت‌الکترون ناپیوندی دارد، بنابراین، با توجه به فرمول، بار قراردادی برابر با $$-1$$ خواهد بود. در ساختار دوم، اتم گوگرد، بار قراردادی صفر دارد. در ساختار سوم، بار قراردادی اتم گوگرد، $$+ 1$$ ذکر می‌شود.

با بررسی اتم نیتروژن، متوجه می‌شویم که در ساختار اول، اتم نیتروژن، ۳ پیوند (۳ جفت‌الکترون پیوندی) و همچنین یک جفت‌الکترون ناپیوندی دارد. به همین دلیل و با توجه به فرمول، بار قراردادی برای نیتروژن در ساختار اول با داشتن تعداد کل پنج الکترون ظرفیت، صفر ذکر می‌شود. در ساختار دوم، بار قراردادی اتم نیتروژن، برابر با $$-1$$ است. در سومین ساختار، اتم نیتروژن، بار قراردادی برابر با $$-2$$ خواهد داشت.

با انجام مراحل فوق، باید به این سوال پاسخ دهیم که کدامیک از ساختارهای فوق، پایداری بیشتری دارند. باید گفت ساختار دوم، ساختار محتمل‌تری است زیرا بار منفی بر روی اتم الکترونگاتیوتر نیتروژن قرار دارد و بارهای قراردادی کمتری بر روی هر اتم در مقایسه با ساختار سوم دارد.

روش تصویری برای محاسبه بار قراردادی

از روش ساده زیر نیز می‌توانیم برای محاسبه بار قراردادی استفاده کنیم. برای توصیف این روش نیز به طور مجدد از مولکول دی‌اکسید کربن کمک می‌گیریم.

مقایسه بار قراردادی با عدد اکسایش

فیلم مجموعه آموزش نرم افزارهای مهندسی شیمی – مقدماتی تا پیشرفته در فرادرس

کلیک کنید

دلیل تفاوت بین مقادیر محاسبه شده، این است که بارهای قراردادی و اعداد اکسایش،‌ روش‌های مختلفی را برای بررسی توزیع الکترون‌ها بین اتم‌ها در مولکول در نظر می‌گیرند. از نگاه بار قراردادی، فرض می‌شود که الکترون‌ها در هر پیوند کووالانسی دقیقا به طور مساوی بین دو اتم در یک پیوند تقسیم شده‌اند. این دیدگاه به شکل تصویر در زیر آورده شده است:

اینکه الکترون‌ها به طور مساوی بین دو اتم توزیع شده باشند، فرض صحیحی نیست چراکه چگالی الکترونی، به دلیل الکترونگاتیوی بیشتر اتم اکسیژن نسبت به کربن، در اطراف اتم اکسیژن بیشتر است. این تاثیر را به خوبی می‌توان در نقشه‌های پتانسیل الکترواستاتیک مشاهده کرد. از نگاه عدد اکسایش،‌ الکترون‌های یک پیوند، به اتمی اختصاص دارند که الکترونگاتیوی بیشتری داشته باشد. این دیدگاه نیز در تصویر زیر آورده شده است:

اگر این مطلب برای شما مفید بوده‌ است،‌ آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌های نرم‌افزارهای مهندسی شیمی
• آموزش شیمی عمومی ۱ و ۲ (مرور و حل مساله)
• پیوند هیدروژنی — از صفر تا صد
• نیروهای بین مولکولی در شیمی — به زبان ساده

^^