قاعده‌ی هشتایی : تعاریف، استثنائات و اهمیت

گازهای نجیب، اوربیتال‌های ظرفیت پر شده دارند که آنها را نسبت به همه‌ی عناصر، پایدارتر ساخته است. طبق اصول شیمی، عناصر همیشه تمایل دارند مثل گازهای نجیب به حالت پایدار برسند. در این مقاله، تمایل اتم برای رسیدن به آرایش گاز نجیب را که به عنوان قاعده‌ی هشتایی شناخته می‌شود، بررسی خواهیم کرد.

اتم‌های پایدار!

قاعده‌ی هشتایی به ما کمک می‌کند با قرار گیری الکترون‌ها در اطراف هسته‌ی اتم آشنا شویم.
عناصر تمایل دارند که الکترون‌ از دست بدهند یا بگیرند تا به آرایش الکترونی مشابه و نزدیک به گاز نجیب برسند. اتم‌های این عناصر یا الکترون می‌دهند یا الکترون می‌گیرند یا الکترون‌هایی به اشتراک می‌گذارند تا هشت الکترون در پوسته‌ی ظرفیت بیرونی خود داشته باشند. انرژی اتم با افزایش پایداری، کاهش می‌یابد. اهمیت قاعده‌ی هشتایی این است که واکنش عناصر با یک دیگر برای تشکیل ترکیب را توضیح می‌دهد.
اتم‌ها طبق قاعده‌ی هشتایی، به پایداری می‌رسند. آن اتم‌هایی که در مدار بیرونی خود کمتر از هشت الکترون دارند، الکترون می‌گیرند تا به مقدار ظرفیت هشت برسند. این منجر به پر شدن اوربیتال‌های s و p بیرونی می‌شود. حالت هشتایی، با آرایش الکترونی منتهی بهs^2 p^6 نمایش داده می‌شود.

قاعده‌ی هشتایی چیست؟

قاعده‌ی هشتایی قاعده‌ی انگشت شست شیمی نامیده می‌شود. قاعده‌ی هشتایی بیانگر تمایل عناصر متعلق به گروه‌های اصلی در جدول تناوبی برای واکنش با یک دیگر و تشکیل ترکیب و پایدار شدن است. عنصری که به آرایش الکترونی هشتایی رسیده است، اوربیتال‌های s و p بیرونی کاملاً پر شده دارد. 20 عنصر اول متعلق به جدول تناوبی، تمایل بسیار زیادی دارند تا از قاعده‌ی هشتایی پیروی کنند. یک دلیل ممکن برای این موضوع این است که وزن‌های اتمی پایین‌تر به این عناصر اختصاص داده شده است.

مثال‌هایی از قاعده‌ی هشتایی :

نمودار لویس (در زیر داده شده) نمایشی از پیوندهای بین عناصر است. نمودار لویس، پیوند کووالانسی بین عناصر ترکیب را نشان می‌دهد. در این نمودار، الکترون‌ها با نقاط توپر نشان داده شده‌اند. الکترون‌های نشان داده شده بین دو عنصر، الکترون‌های کووالانسی هستند و باید دو بار شمرده شوند. هشت الکترون در اطراف هر عنصر نشان می‌دهد که از قاعده‌ی هشتایی پیروی می‌کند. مثال‌های قاعده‌ی هشتایی می‌توانند با نمودارهای نقطه‌ای لویس توضیح داده شوند.

اتم‌هایی که به هشتایی کامل می‌رسند :

کربن دی اکسید (CO_2) :
کربن :
نماد : C
عدد اتمی : 6
آرایش الکترونی : 〖1s〗^2 〖2s〗^2 〖2p〗^6
اکسیژن :
نماد : O
عدد اتمی : 8
آرایش الکترونی : 〖1s〗^2 〖2s〗^2 〖2p〗^4
کربن عنصر اصلی در این ترکیب است که دو اتم اکسیژن به آن متصل شده‌اند.
دو پیوند کووالانسی بین کربن و اکسیژن ایجاد شده‌اند.
این ترکیب به حالت هشتایی خود رسیده است.
استثنائات قاعده‌ی هشتایی :
همه‌ی عناصر ترکیب شده به حالت هشتایی نمی‌‌رسند. برخی استثنائات در قاعده‌ی هشتایی وجود دارند که در زیر با مثال مشخص شده‌اند.
اتم‌هایی که به حالت هشتایی نمی‌رسند (کمتر از هشتایی) :

تری فلوئورید بور (BF_3) :

بور :
نماد : B
عدد اتمی : 5
آرایش الکترونی : 〖1s〗^2 〖2s〗^2 〖2p〗^1
فلوئور :
نماد : F
عدد اتمی : 9
آرایش الکترونی : 〖1s〗^2 〖2s〗^2 〖2p〗^5
بور عنصر اصلی در این ترکیب است که سه اتم فلوئور به آن متصل شده‌اند.
بور با وجود پیوندهای خود با سه اتم فلوئور، در پوسته‌ی بیرونی خود هشت الکترون ندارد.
این ترکیب به حالت هشتایی خود نرسیده است.
اتم‌هایی که از حالت هشتایی تجاوز می‌کنند (بیش از هشتایی) :

هگزا فلورید گوگرد (SF_6) :

گوگرد :
نماد : s
عدد اتمی : 16
آرایش الکترونی : 〖1s〗^2 〖2s〗^2 〖2p〗^6 〖3s〗^2 〖3p〗^4
فلوئور :
نماد : F
عدد اتمی : 9
آرایش الکترونی : 〖1s〗^2 〖2s〗^2 〖2p〗^5
گوگرد عنصر اصلی در این ترکیب است که 6 اتم فلوئور با آن پیوند دارند.
تعداد اتم‌ها (12) از قاعده‌ی هشتایی تجاوز کرده‌اند.
این ترکیب از آرایش الکترونی هشتایی تجاوز می‌کند.
اتم‌های با تعداد الکترون‌های فرد :

نیتروژن اکسید (NO) :

نیتروژن :
نماد : N
عدد اتمی : 7
آرایش الکترونی : 〖1s〗^2 〖2s〗^2 〖2p〗^3
اکسیژن :
نماد : O
عدد اتمی : 8
آرایش الکترونی : 〖1s〗^2 〖2s〗^2 〖2p〗^4
اکسیژن و نیتروژن در حالی با هم دیگر ترکیب می‌شوند که اکسیژن پوسته‌ی بیرونی کاملی دارد.
نیتروژن هفت الکترون در پوسته‌ی بیرونی خود دارد که اشاره بر این دارد که ظرفیتش کامل نشده است.
نیتروژن در هر حالت نمی‌تواند به حالت هشتایی برسد چون فقط یک الکترون جفت نشده دارد.
قاعده‌ی هشتایی چگونه در پیوند کووالانسی به کار می‌رود؟
برای عناصر متعلق به سمت راست جدول تناوبی، شماره‌ی گروه جدول تناوبی با تعداد پیوندهایی که با عناصر دیگر تشکیل می‌دهد، ارتباط دارد. این رابطه می‌تواند با فرمول زیر توضیح داده شود :
ظرفیت 8 - شماره‌ی گروه عنصر = تعداد پیوندهای کووالانسی
برای کربن :
کربن متعلق به گروه 4 جدول تناوبی است.
پیوندهای کووالانسی برای کربن : 4 = 4 – 8
برای کلر :
کلر متعلق به گروه 7 جدول تناوبی است.
پیوندهای کووالانسی برای کلر : 1 = 7 – 8
برای جمع بندی می‌توان گفت، اتم‌ها بسته به نیاز خود برای رسیدن به آرایش هشتایی، الکترون می‌دهند یا می‌گیرند. در نتیجه قاعده‌ی هشتایی می‌تواند به عنوان توضیحی برای این که چرا عناصر با هم دیگر واکنش می‌دهند تا ترکیب تشکیل دهند، در نظر گرفته شود.