پیوند شیمیایی: تعریف، انواع، طبقه بندی و ویژگی های تعریف

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 05:24

مفهوم پیوند شیمیایی در زمینه های مختلف شیمی به عنوان یک علم اهمیت کمی ندارد. این به این دلیل است که با کمک آن است که اتم‌های منفرد می‌توانند به مولکول‌ها ترکیب شوند و انواع مواد را تشکیل دهند که به نوبه خود موضوع تحقیقات شیمیایی هستند.

تنوع اتم ها و مولکول ها با پیدایش انواع مختلفی از پیوندها بین آنها مرتبط است. کلاس‌های مختلف مولکول‌ها با ویژگی‌های خاص خود در توزیع الکترون‌ها و در نتیجه انواع پیوندهای خود مشخص می‌شوند.

مفاهیم اساسی

پیوند شیمیایی مجموعه ای از فعل و انفعالات است که منجر به اتصال اتم ها برای تشکیل ذرات پایدار با ساختار پیچیده تر (مولکول ها، یون ها، رادیکال ها) و همچنین دانه ها (کریستال ها، شیشه ها و غیره) می شود. ماهیت این برهمکنش‌ها ماهیتاً الکتریکی است و در طی توزیع الکترون‌های ظرفیت در اتم‌های نزدیک‌تر به وجود می‌آیند.

ظرفیت معمولاً به توانایی یک اتم برای ایجاد تعداد معینی پیوند با اتم های دیگر گفته می شود. در ترکیبات یونی، تعداد الکترون های داده شده یا متصل به عنوان مقدار ظرفیت در نظر گرفته می شود. ATدر ترکیبات کووالانسی برابر است با تعداد جفت الکترون های مشترک.

وضعیت اکسیداسیون به عنوان بار شرطی در نظر گرفته می شود که می تواند روی یک اتم باشد اگر همه پیوندهای کووالانسی قطبی یونی باشند.

تکثر پیوند تعداد جفت الکترون های مشترک بین اتم های در نظر گرفته شده است.

پیوندهایی که در شاخه های مختلف شیمی در نظر گرفته می شوند را می توان به دو نوع پیوند شیمیایی تقسیم کرد: پیوندهایی که منجر به تشکیل مواد جدید (درون مولکولی) می شوند و پیوندهایی که بین مولکول ها ایجاد می شوند (بین مولکولی).

ویژگی های اساسی ارتباط

انرژی اتصال انرژی مورد نیاز برای شکستن تمام پیوندهای موجود در یک مولکول است. همچنین انرژی آزاد شده در طول تشکیل پیوند است.

طول پیوند فاصله بین هسته های مجاور اتم ها در یک مولکول است که در آن نیروهای جاذبه و دافعه متعادل می شوند.

این دو ویژگی پیوند شیمیایی اتم ها معیاری برای استحکام آن است: هر چه طول آن کوتاه تر و انرژی بیشتر باشد، پیوند قوی تر است.

زاویه پیوند معمولاً به زاویه بین خطوط نشان داده شده که در جهت پیوند از هسته اتم ها می گذرند نامیده می شود.

روش‌های توصیف پیوندها

رایج ترین دو رویکرد برای توضیح پیوند شیمیایی، به عاریت گرفته شده از مکانیک کوانتومی:

روش اوربیتال های مولکولی. او یک مولکول را مجموعه‌ای از الکترون‌ها و هسته‌های اتم می‌داند که هر الکترون جداگانه در میدان عمل همه الکترون‌ها و هسته‌های دیگر حرکت می‌کند.این مولکول ساختار مداری دارد و تمام الکترون های آن در امتداد این مدارها توزیع می شوند. همچنین، این روش MO LCAO نامیده می شود که مخفف "اوربیتال مولکولی - ترکیب خطی اوربیتال های اتمی" است.

روش پیوندهای ظرفیتی. یک مولکول را به عنوان سیستمی از دو اوربیتال مولکولی مرکزی نشان می دهد. علاوه بر این، هر یک از آنها مربوط به یک پیوند بین دو اتم مجاور در مولکول است. این روش بر اساس مقررات زیر است:

تشکیل پیوند شیمیایی توسط یک جفت الکترون با اسپین مخالف انجام می شود که بین دو اتم در نظر گرفته شده قرار دارند. جفت الکترون تشکیل شده به دو اتم به طور مساوی تعلق دارد.
تعداد پیوندهای تشکیل شده توسط یک یا اتم دیگر برابر است با تعداد الکترون های جفت نشده در زمین و حالت برانگیخته.
اگر جفت های الکترون در تشکیل یک پیوند شرکت نکنند، آنگاه به آنها جفت های تنها می گویند.

الکترونی منفی

می توان نوع پیوند شیمیایی در مواد را بر اساس تفاوت در مقادیر الکترونگاتیوی اتم های تشکیل دهنده آن تعیین کرد. الکترونگاتیوی به عنوان توانایی اتم ها برای جذب جفت های الکترون مشترک (ابر الکترونی) شناخته می شود که منجر به قطبش پیوند می شود.

روش های مختلفی برای تعیین مقادیر الکترونگاتیوی عناصر شیمیایی وجود دارد. با این حال، رایج ترین مورد استفاده، مقیاس مبتنی بر داده های ترمودینامیکی است که در سال 1932 توسط L. Pauling پیشنهاد شد.

هرچه اختلاف الکترونگاتیوی اتم ها بیشتر باشد، یونی بودن آن مشخص تر است. برعکس، مقادیر الکترونگاتیوی مساوی یا نزدیک، ماهیت کووالانسی پیوند را نشان می دهد. به عبارت دیگر، می توان تعیین کرد که کدام پیوند شیمیایی در یک مولکول خاص به صورت ریاضی مشاهده می شود. برای انجام این کار، باید ΔX - تفاوت الکترونگاتیوی اتم ها را بر اساس فرمول محاسبه کنید: ΔX=|X ₁ -X ₂ |.

اگر ΔХ>1، 7، پس پیوند یونی است.
اگر 0.5≦ΔХ≦1.7 باشد، پیوند کووالانسی قطبی است.
اگر ΔХ=0 یا نزدیک به آن، پس پیوند کووالانسی غیرقطبی است.

پیوند یونی

یونی پیوندی است که بین یون ها یا به دلیل خروج کامل یک جفت الکترون مشترک توسط یکی از اتم ها ظاهر می شود. در مواد، این نوع پیوند شیمیایی توسط نیروهای جاذبه الکترواستاتیکی انجام می شود.

یونها ذرات باردار هستند که از اتم ها در نتیجه به دست آوردن یا از دست دادن الکترون ها تشکیل می شوند. وقتی یک اتم الکترون می پذیرد، بار منفی پیدا می کند و تبدیل به آنیون می شود. اگر یک اتم الکترون های ظرفیتی بدهد، تبدیل به ذره ای با بار مثبت به نام کاتیون می شود.

ویژگی ترکیباتی است که از برهمکنش اتمهای فلزات معمولی با اتمهای غیرفلزهای معمولی تشکیل می شوند. هدف اصلی این فرآیند، آرزوی اتم ها برای به دست آوردن تنظیمات الکترونیکی پایدار است. و برای این، فلزات و غیرفلزات معمولی باید فقط 1-2 الکترون بدهند یا بپذیرند.که آنها به راحتی انجام می دهند.

مکانیسم تشکیل پیوند شیمیایی یونی در یک مولکول به طور سنتی با استفاده از مثال برهمکنش سدیم و کلر در نظر گرفته می شود. اتم های فلز قلیایی به راحتی الکترونی را که توسط اتم هالوژن کشیده می شود اهدا می کنند. نتیجه کاتیون Na⁺ و آنیون Cl^- است که توسط جاذبه الکترواستاتیکی کنار هم نگه داشته می شوند.

هیچ پیوند یونی ایده آلی وجود ندارد. حتی در چنین ترکیباتی که اغلب به آنها یونی می گویند، انتقال نهایی الکترون ها از اتم به اتم صورت نمی گیرد. جفت الکترون تشکیل شده هنوز در استفاده رایج باقی مانده است. بنابراین، آنها در مورد درجه یونی بودن یک پیوند کووالانسی صحبت می کنند.

پیوند یونی با دو ویژگی اصلی مرتبط با یکدیگر مشخص می شود:

غیر جهت، یعنی میدان الکتریکی اطراف یون به شکل یک کره است؛
اشباع نشدن، یعنی تعداد یون هایی با بار مخالف که می توانند در اطراف هر یون قرار گیرند، با اندازه آنها تعیین می شود.

پیوند شیمیایی کووالانسی

پیوندی که هنگام همپوشانی ابرهای الکترونی اتم‌های غیرفلزی ایجاد می‌شود، یعنی توسط یک جفت الکترون مشترک انجام می‌شود، پیوند کووالانسی نامیده می‌شود. تعداد جفت الکترون های مشترک تعدد پیوند را تعیین می کند. بنابراین، اتم های هیدروژن توسط یک پیوند H··H به هم متصل می شوند و اتم های اکسیژن یک پیوند دوگانه O::O را تشکیل می دهند.

دو مکانیسم برای تشکیل آن وجود دارد:

Exchange - هر اتم نشان دهنده یک الکترون برای تشکیل یک جفت مشترک است: A +B=A: B، در حالی که اتصال شامل اوربیتال های اتمی خارجی است که یک الکترون روی آنها قرار دارد.
دهنده-گیرنده - برای تشکیل یک پیوند، یکی از اتم ها (دهنده) یک جفت الکترون را فراهم می کند و دومی (گیرنده) - یک اوربیتال آزاد برای قرارگیری آن: A +:B=A:B.

روشهای همپوشانی ابرهای الکترونی هنگام تشکیل پیوند شیمیایی کووالانسی نیز متفاوت است.

دایرکت. ناحیه همپوشانی ابر روی یک خط فرضی مستقیم قرار دارد که هسته اتم های در نظر گرفته شده را به هم متصل می کند. در این حالت پیوند σ تشکیل می شود. نوع پیوند شیمیایی که در این مورد رخ می دهد بستگی به نوع ابرهای الکترونی دارد که تحت همپوشانی قرار می گیرند: پیوندهای σ-s، s-p، p-p، s-d یا p-d. در یک ذره (مولکول یا یون)، تنها یک پیوند σ می تواند بین دو اتم همسایه ایجاد شود.
سمت. در دو طرف خط اتصال هسته اتم ها انجام می شود. اینگونه است که پیوند π تشکیل می شود و انواع آن نیز امکان پذیر است: p-p، p-d، d-d. جدا از پیوند σ، پیوند π هرگز تشکیل نمی‌شود؛ این پیوند می‌تواند در مولکول‌های حاوی پیوندهای متعدد (دو و سه‌گانه) باشد.

ویژگی های پیوند کووالانسی

آنها خصوصیات شیمیایی و فیزیکی ترکیبات را تعیین می کنند. خواص اصلی هر پیوند شیمیایی در مواد، جهت، قطبیت و قطبش پذیری و همچنین اشباع بودن آن است.

جهت پیوند ویژگی های مولکولی را تعیین می کندساختار مواد و شکل هندسی مولکول های آنها. ماهیت آن در این واقعیت نهفته است که بهترین همپوشانی ابرهای الکترونی با جهت گیری خاصی در فضا امکان پذیر است. گزینه های تشکیل پیوندهای σ- و π قبلاً در بالا در نظر گرفته شده است.

اشباع به عنوان توانایی اتم ها برای تشکیل تعداد معینی پیوند شیمیایی در یک مولکول درک می شود. تعداد پیوندهای کووالانسی برای هر اتم با تعداد اوربیتال های بیرونی محدود می شود.

قطبیت پیوند به تفاوت در مقادیر الکترونگاتیوی اتم ها بستگی دارد. یکنواختی توزیع الکترون ها بین هسته اتم ها را تعیین می کند. یک پیوند کووالانسی بر این اساس می تواند قطبی یا غیر قطبی باشد.

اگر جفت الکترون مشترک به طور مساوی به هر یک از اتم ها تعلق داشته باشد و در فاصله یکسانی از هسته آنها قرار گیرد، پیوند کووالانسی غیرقطبی است.
اگر جفت الکترون های مشترک به هسته یکی از اتم ها منتقل شوند، پیوند شیمیایی قطبی کووالانسی تشکیل می شود.

قطبش پذیری با جابجایی الکترون های پیوند تحت اثر میدان الکتریکی خارجی بیان می شود که ممکن است به ذره دیگری، پیوندهای همسایه در همان مولکول یا از منابع خارجی میدان های الکترومغناطیسی به وجود آمده باشد. بنابراین، یک پیوند کووالانسی تحت تأثیر آنها می تواند قطبیت آن را تغییر دهد.

تحت هیبریداسیون اوربیتال ها تغییر شکل آنها را در اجرای یک پیوند شیمیایی درک کنید. این برای رسیدن به موثرترین همپوشانی ضروری است. انواع زیر هیبریداسیون وجود دارد:

sp³. یک اوربیتال s و سه اوربیتال p چهار را تشکیل می دهنداوربیتال های "ترکیبی" هم شکل. از نظر ظاهری شبیه یک چهار وجهی با زاویه بین محورهای 109 درجه است.
sp². یک اوربیتال s و دو اوربیتال p یک مثلث مسطح با زاویه بین محورهای 120 درجه تشکیل می دهند.
sp. یک اوربیتال s و یک اوربیتال p دو اوربیتال "هیبرید" با زاویه بین محورهایشان 180 درجه تشکیل می دهند.

پیوند فلزی

یکی از ویژگی های ساختار اتم های فلزی شعاع نسبتاً بزرگ و وجود تعداد کمی الکترون در اوربیتال های بیرونی است. در نتیجه، در چنین عناصر شیمیایی، پیوند بین هسته و الکترون های ظرفیت نسبتا ضعیف است و به راحتی شکسته می شود.

پیوند فلزی چنین برهمکنشی بین اتم-یون های فلزی است که با کمک الکترون های غیرمحلی انجام می شود.

در ذرات فلزی، الکترون های ظرفیت می توانند به راحتی اوربیتال های بیرونی را ترک کنند و همچنین مکان های خالی روی آنها را اشغال کنند. بنابراین، در زمان های مختلف، یک ذره می تواند یک اتم و یک یون باشد. الکترون های جدا شده از آنها آزادانه در کل حجم شبکه کریستالی حرکت می کنند و یک پیوند شیمیایی ایجاد می کنند.

این نوع پیوند شباهت هایی با یونی و کووالانسی دارد. همچنین برای یونی، یونها برای وجود پیوند فلزی ضروری هستند. اما اگر برای اجرای برهمکنش الکترواستاتیکی در حالت اول، به کاتیون ها و آنیون ها نیاز است، در مورد دوم، نقش ذرات با بار منفی توسط الکترون ها بازی می شود. اگر یک پیوند فلزی را با یک پیوند کووالانسی مقایسه کنیم، تشکیل هر دو به الکترون های مشترک نیاز دارد. با این حال، دربرخلاف پیوند شیمیایی قطبی، آنها بین دو اتم قرار ندارند، بلکه متعلق به تمام ذرات فلزی در شبکه کریستالی هستند.

پیوندهای فلزی مسئول خواص ویژه تقریباً همه فلزات هستند:

پلاستیسیته، به دلیل امکان جابجایی لایه‌های اتم در شبکه بلوری که توسط گاز الکترونی نگه داشته می‌شود؛

وجود دارد.

درخشش فلزی که به دلیل انعکاس پرتوهای نور از الکترون ها مشاهده می شود (در حالت پودر شبکه بلوری وجود ندارد و بنابراین الکترون ها در امتداد آن حرکت می کنند)؛
رسانایی الکتریکی، که توسط جریانی از ذرات باردار انجام می شود و در این حالت، الکترون های کوچک آزادانه در میان یون های فلزی بزرگ حرکت می کنند؛
رسانایی گرمایی، به دلیل توانایی الکترون ها در انتقال گرما مشاهده شده است.

پیوند هیدروژنی

این نوع پیوند شیمیایی گاهی اوقات واسطه بین برهمکنش کووالانسی و بین مولکولی نامیده می شود. اگر یک اتم هیدروژن با یکی از عناصر به شدت الکترونگاتیو (مانند فسفر، اکسیژن، کلر، نیتروژن) پیوند داشته باشد، در این صورت می‌تواند یک پیوند اضافی به نام هیدروژن ایجاد کند.

بسیار ضعیف تر از همه انواع پیوندهایی است که در بالا در نظر گرفته شد (انرژی بیش از 40 کیلوژول در مول نیست)، اما نمی توان از آن غافل شد. به همین دلیل است که پیوند شیمیایی هیدروژن در نمودار شبیه یک خط نقطه چین است.

وقوع پیوند هیدروژنی به دلیل برهمکنش الکترواستاتیک دهنده-گیرنده همزمان امکان پذیر است. تفاوت بزرگ در ارزش هاالکترونگاتیوی منجر به ظهور چگالی الکترون اضافی بر روی اتم های O، N، F و سایرین و همچنین عدم وجود آن در اتم هیدروژن می شود. در صورتی که هیچ پیوند شیمیایی بین چنین اتمی وجود نداشته باشد، اگر به اندازه کافی نزدیک باشند، نیروهای جاذبه فعال می شوند. در این مورد، پروتون یک گیرنده جفت الکترون است و اتم دوم یک دهنده است.

پیوند هیدروژنی می تواند هم بین مولکول های همسایه، به عنوان مثال، آب، اسیدهای کربوکسیلیک، الکل ها، آمونیاک و در داخل یک مولکول، برای مثال، اسید سالیسیلیک ایجاد شود.

وجود یک پیوند هیدروژنی بین مولکول های آب تعدادی از خواص فیزیکی منحصر به فرد آن را توضیح می دهد:

مقادیر ظرفیت گرمایی، ثابت دی الکتریک، نقطه جوش و ذوب آن، مطابق با محاسبات، باید بسیار کمتر از مقادیر واقعی باشد، که با پیوند مولکول ها و نیاز به مصرف توضیح داده می شود. انرژی برای شکستن پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی.
بر خلاف مواد دیگر، وقتی دما کاهش می یابد، حجم آب افزایش می یابد. این به دلیل این واقعیت است که مولکول ها موقعیت خاصی را در ساختار بلوری یخ اشغال می کنند و با طول پیوند هیدروژنی از یکدیگر دور می شوند.

این ارتباط نقش ویژه ای برای موجودات زنده ایفا می کند، زیرا وجود آن در مولکول های پروتئین ساختار ویژه آنها و در نتیجه خواص آنها را تعیین می کند. علاوه بر این، اسیدهای نوکلئیک، که مارپیچ دوگانه DNA را تشکیل می دهند، دقیقاً توسط پیوندهای هیدروژنی به هم متصل می شوند.

ارتباطات در کریستال

اکثریت قریب به اتفاق جامدات دارای یک شبکه کریستالی هستند - یک شبکه خاصآرایش متقابل ذرات تشکیل دهنده آنها. در این حالت تناوب سه بعدی مشاهده می شود و اتم ها، مولکول ها یا یون ها در گره ها قرار می گیرند که با خطوط فرضی به هم متصل می شوند. بسته به ماهیت این ذرات و پیوندهای بین آنها، تمام ساختارهای کریستالی به اتمی، مولکولی، یونی و فلزی تقسیم می شوند.

در گره های شبکه بلوری یونی کاتیون ها و آنیون ها وجود دارد. علاوه بر این، هر یک از آنها توسط تعداد کاملاً مشخصی از یون ها با بار مخالف احاطه شده است. یک مثال معمولی کلرید سدیم (NaCl) است. آنها معمولاً نقطه ذوب و سختی بالایی دارند زیرا برای شکستن به انرژی زیادی نیاز دارند.

مولکول های مواد تشکیل شده توسط پیوند کووالانسی در گره های شبکه کریستالی مولکولی قرار دارند (به عنوان مثال، I₂). آنها توسط یک تعامل ضعیف واندروالسی به یکدیگر متصل می شوند و بنابراین، چنین ساختاری به راحتی قابل تخریب است. چنین ترکیباتی نقطه جوش و ذوب پایینی دارند.

شبکه کریستالی اتمی توسط اتم های عناصر شیمیایی با مقادیر ظرفیت بالا تشکیل می شود. آنها توسط پیوندهای کووالانسی قوی به هم متصل می شوند، به این معنی که مواد دارای نقطه جوش بالا، نقطه ذوب و سختی بالا هستند. یک نمونه الماس است.

بنابراین، همه انواع پیوندهای موجود در مواد شیمیایی ویژگی های خاص خود را دارند که پیچیدگی های برهم کنش ذرات در مولکول ها و مواد را توضیح می دهد. خواص ترکیبات به آنها بستگی دارد. آنها تمام فرآیندهای رخ داده در محیط را تعیین می کنند.