فرمول مولکولی فقط نوع و تعداد اتمها را نشان میدهد؛ اما برای شناخت آرایش پیوندها و شکل فضایی مولکول به اطلاعات بیشتری نیاز داریم. ساختار لوویس جای الکترونهای ظرفیتی را روی صفحه مشخص میکند و مدل دافعه جفتالکترونهای لایه ظرفیت، یا VSEPR، از روی آرایش همین الکترونها شکل تقریبی مولکول را پیشبینی میکند. اگر این دو مرحله را جدا و منظم انجام دهی، لازم نیست شکل هر مولکول را بهتنهایی حفظ کنی.
الکترونهای ظرفیتی را بشمار
نقطه شروع ساختار لوویس، مجموع الکترونهای ظرفیتی همه اتمهاست. برای عناصر اصلی، شماره گروه به یافتن تعداد الکترونهای ظرفیتی کمک میکند؛ برای مثال کربن ۴، نیتروژن ۵، اکسیژن ۶ و هر اتم هیدروژن ۱ الکترون ظرفیتی دارد.
در یک یون چنداتمی، بار را نیز در شمارش وارد کن: به ازای هر بار منفی یک الکترون اضافه و به ازای هر بار مثبت یک الکترون کم میشود. حاصل باید با تعداد الکترونهایی که در پیوندها و جفتهای ناپیوندی رسم میکنی برابر باشد.
- الکترونهای ظرفیتی همه اتمها را جمع کن
- برای بار منفی الکترون اضافه و برای بار مثبت الکترون کم کن
- عدد نهایی را برای کنترل ساختار نگه دار
اسکلت و پیوندهای ساختار لوویس را رسم کن
معمولاً اتمی که توانایی بیشتری برای تشکیل پیوند دارد و الکترونگاتیوی کمتری دارد در مرکز قرار میگیرد؛ هیدروژن هرگز اتم مرکزی نیست، چون فقط یک پیوند تشکیل میدهد. ابتدا اتمهای پیرامونی را با پیوند یگانه به اتم مرکزی وصل کن. هر خط پیوندی نماینده دو الکترون است.
سپس الکترونهای باقیمانده را نخست برای کاملکردن لایه ظرفیت اتمهای پیرامونی و بعد روی اتم مرکزی قرار بده. هیدروژن با دو الکترون به آرایش پایدار میرسد و در بسیاری از ترکیبهای ساده، اتمهای دوره دوم از قاعده هشتتایی پیروی میکنند. اگر اتم مرکزی هنوز هشت الکترون ندارد، ممکن است لازم باشد یک جفت ناپیوندی از اتم پیرامونی را به پیوند دوگانه یا سهگانه تبدیل کنی.
- انتخاب اتم مرکزی و رسم پیوندهای یگانه
- کاملکردن لایه ظرفیت اتمهای پیرامونی
- قرار دادن الکترونهای باقیمانده روی اتم مرکزی
- بررسی نیاز به پیوند چندگانه و کنترل شمارش کل
قلمرو الکترونی را از پیوند جدا کن
در مدل VSEPR، ناحیههای پرالکترون اطراف اتم مرکزی یکدیگر را دفع میکنند و تا حد امکان از هم دور میشوند. هر پیوند یگانه، دوگانه یا سهگانه در اطراف اتم مرکزی یک قلمرو پیوندی به شمار میآید؛ بنابراین پیوند دوگانه را دو قلمرو حساب نمیکنیم. هر جفتالکترون ناپیوندی روی اتم مرکزی نیز یک قلمرو جداست.
دو قلمرو آرایش خطی، سه قلمرو آرایش مثلثی مسطح و چهار قلمرو آرایش چهاروجهی ایجاد میکنند. این نامها آرایش همه قلمروهای الکترونی را توصیف میکنند. برای نامگذاری شکل مولکولی فقط جای اتمها را میبینیم و جفتهای ناپیوندی را در نام شکل نمیآوریم.
- ۲ قلمرو: خطی با زاویه تقریبی ۱۸۰ درجه
- ۳ قلمرو: مثلثی مسطح با زاویه تقریبی ۱۲۰ درجه
- ۴ قلمرو: چهاروجهی با زاویه تقریبی ۱۰۹٫۵ درجه
اثر جفتالکترون ناپیوندی بر شکل و زاویه
جفتالکترون ناپیوندی تنها به یک هسته وابسته است و فضای بیشتری نسبت به جفت پیوندی اشغال میکند؛ در نتیجه دافعه قویتری بر قلمروهای مجاور وارد میکند. به همین دلیل، حضور آن میتواند زاویه پیوندی را از مقدار ایدهآل کوچکتر کند.
در CH₄ چهار قلمرو پیوندی و هیچ جفت ناپیوندی روی کربن وجود ندارد، پس شکل مولکول چهاروجهی است. در NH₃ همان چهار قلمرو را داریم، اما یکی از آنها جفت ناپیوندی است؛ جای سه اتم هیدروژن شکل هرمی سهوجهی میسازد. در H₂O دو قلمرو پیوندی و دو جفت ناپیوندی روی اکسیژن وجود دارد و شکل مولکول خمیده است.
- CH₄: چهاروجهی
- NH₃: هرمی سهوجهی
- H₂O: خمیده
- دافعه جفت ناپیوندی معمولاً زاویه پیوندی را کاهش میدهد
مثال حلشده: ساختار و شکل CO₂
برای CO₂، کربن ۴ و هر اکسیژن ۶ الکترون ظرفیتی دارد؛ پس مجموع برابر ۱۶ الکترون است. اسکلت O–C–O را با دو پیوند یگانه رسم میکنیم و الکترونهای باقیمانده را پیرامون اکسیژنها میگذاریم. در این حالت کربن هنوز هشتتایی نشده است، بنابراین از هر اکسیژن یک جفتالکترون برای تشکیل پیوند دوگانه به اشتراک گذاشته میشود و ساختار O=C=O به دست میآید.
اطراف اتم مرکزی دو پیوند دوگانه وجود دارد و هرکدام فقط یک قلمرو الکترونی محسوب میشود. کربن جفت ناپیوندی ندارد؛ پس دو قلمرو در دو سوی مخالف قرار میگیرند و شکل مولکول خطی با زاویه ۱۸۰ درجه است. این مثال نشان میدهد تعداد خطهای یک پیوند با تعداد قلمروهای آن یکسان نیست.
تمرین: شکل PCl₃ را پیشبینی کن
فسفر ۵ و هر کلر ۷ الکترون ظرفیتی دارد؛ در نتیجه PCl₃ در مجموع ۲۶ الکترون ظرفیتی دارد. فسفر را در مرکز قرار بده، سه پیوند یگانه P–Cl رسم کن و لایه ظرفیت کلرها را کامل کن. دو الکترون باقیمانده به صورت یک جفت ناپیوندی روی فسفر قرار میگیرند.
اکنون اطراف فسفر سه قلمرو پیوندی و یک قلمرو ناپیوندی، یعنی در مجموع چهار قلمرو، وجود دارد. آرایش قلمروها چهاروجهی است، اما چون در تعیین شکل مولکول جفت ناپیوندی دیده نمیشود، شکل PCl₃ هرمی سهوجهی خواهد بود. برای کنترل پاسخ، آن را با NH₃ مقایسه کن؛ الگوی قلمروهای اتم مرکزی در هر دو یکسان است.
نکات کلیدی و خطاهای رایج
برای جلوگیری از حدسزدن، همیشه رسم لوویس را پیش از تعیین شکل کامل کن. سپس فقط قلمروهای اطراف اتم مرکزی را بشمار و میان «آرایش قلمروهای الکترونی» و «شکل مولکولی» تفاوت بگذار.
- پیوند دوگانه و سهگانه هرکدام یک قلمرو هستند
- جفتهای ناپیوندی اتمهای پیرامونی شکل اطراف اتم مرکزی را تعیین نمیکنند
- هیدروژن اتم مرکزی نیست و از قاعده دوتایی پیروی میکند
- شمارش الکترونها را در پایان با مجموع اولیه تطبیق بده
- شکل مولکولی از جای اتمها نامگذاری میشود، نه از جای همه قلمروها
مسیر عملی حل این است: مجموع الکترونهای ظرفیتی را پیدا کن، ساختار لوویس را کامل و کنترل کن، قلمروهای پیوندی و ناپیوندی اتم مرکزی را بشمار و در پایان با حذف جفتهای ناپیوندی از تصویر، نام شکل مولکول را تعیین کن.
مبنای آموزش، مفاهیم کتاب درسی است. برای جزئیات منابع و مقررات هر سال، دفترچه و اطلاعیه رسمی سازمان سنجش را بررسی کن.