چرا اتم ها می توانند با یکدیگر ترکیب شوند و مولکول تشکیل دهند؟ دلیل وجود احتمالی موادی که شامل اتم های عناصر شیمیایی کاملاً متفاوت است چیست؟ اینها مسائل جهانی هستند که بر مفاهیم اساسی علوم فیزیکی و شیمی مدرن تأثیر می گذارند. شما می توانید با داشتن ایده ای در مورد ساختار الکترونیکی اتم ها و دانستن ویژگی های پیوند کووالانسی که پایه اصلی اکثر کلاس های ترکیبات است به آنها پاسخ دهید. هدف مقاله ما آشنایی با مکانیسم های تشکیل انواع پیوندهای شیمیایی و ویژگی های خواص ترکیبات حاوی آنها در مولکول های آنها می باشد.
ساختار الکترونیکی اتم
ذرات الکتروخنثی ماده که عناصر ساختاری آن هستند، ساختاری دارند که ساختار منظومه شمسی را منعکس می کند. همانطور که سیارات به دور ستاره مرکزی - خورشید می چرخند، الکترون های اتم در اطراف هسته با بار مثبت حرکت می کنند. برای شخصیت پردازیدر پیوند کووالانسی، الکترون هایی که در آخرین سطح انرژی و دورترین سطح از هسته قرار دارند، قابل توجه خواهند بود. از آنجایی که ارتباط آنها با مرکز اتم خود حداقل است، می توانند به راحتی توسط هسته اتم های دیگر جذب شوند. این برای وقوع فعل و انفعالات بین اتمی که منجر به تشکیل مولکول ها می شود بسیار مهم است. چرا شکل مولکولی نوع اصلی وجود ماده در سیاره ما است؟ بیایید دریابیم.
ویژگی اساسی اتم
توانایی ذرات خنثی الکتریکی برای برهمکنش، که منجر به افزایش انرژی می شود، مهمترین ویژگی آنها است. در واقع، در شرایط عادی، حالت مولکولی ماده پایدارتر از حالت اتمی است. مفاد اصلی نظریه اتمی و مولکولی مدرن هم اصول تشکیل مولکول ها و هم ویژگی های پیوند کووالانسی را توضیح می دهد. به یاد بیاورید که سطح انرژی بیرونی یک اتم می تواند شامل 1 تا 8 الکترون باشد، در مورد دوم لایه کامل خواهد شد، به این معنی که بسیار پایدار خواهد بود. اتم های گازهای نجیب دارای چنین ساختار سطح خارجی هستند: آرگون، کریپتون، زنون - عناصر بی اثر که هر دوره را در سیستم D. I. مندلیف تکمیل می کنند. استثنا در اینجا هلیوم است که نه 8، بلکه فقط 2 الکترون در آخرین سطح دارد. دلیل ساده است: در دوره اول فقط دو عنصر وجود دارد که اتم های آنها یک لایه الکترونی دارند. همه عناصر شیمیایی دیگر از 1 تا 7 الکترون در آخرین لایه ناقص دارند. در فرآیند برهمکنش با یکدیگر، اتم ها این کار را انجام می دهندسعی کنید با الکترون ها تا یک اکتت پر شوید و پیکربندی یک اتم یک عنصر بی اثر را بازیابی کنید. چنین حالتی را می توان از دو طریق به دست آورد: با از دست دادن ذرات خود یا با پذیرش ذرات باردار منفی خارجی. این اشکال تعامل توضیح می‌دهند که چگونه می‌توان تعیین کرد که آیا پیوند یونی یا کووالانسی بین اتم‌های واکنش‌دهنده تشکیل می‌شود.
مکانیسم‌هایی برای تشکیل یک پیکربندی الکترونیکی پایدار
بیایید تصور کنیم که دو ماده ساده وارد واکنش ترکیب می شوند: سدیم فلزی و کلر گازی. ماده ای از کلاس نمک ها تشکیل می شود - کلرید سدیم. دارای پیوند شیمیایی از نوع یونی است. چرا و چگونه به وجود آمد؟ اجازه دهید دوباره به ساختار اتم های مواد اولیه بپردازیم. سدیم در آخرین لایه تنها یک الکترون دارد که به دلیل شعاع زیاد اتم، ضعیف به هسته متصل است. انرژی یونیزاسیون تمام فلزات قلیایی که شامل سدیم می شود کم است. بنابراین، الکترون سطح بیرونی از سطح انرژی خارج شده، توسط هسته اتم کلر جذب می شود و در فضای آن باقی می ماند. این امر سابقه ای برای انتقال اتم کلر به شکل یک یون با بار منفی ایجاد می کند. اکنون دیگر با ذرات خنثی الکتریکی سروکار نداریم، بلکه با کاتیون های سدیم باردار و آنیون های کلر سروکار داریم. مطابق با قوانین فیزیک، نیروهای جاذبه الکترواستاتیکی بین آنها ایجاد می شود و این ترکیب یک شبکه کریستالی یونی را تشکیل می دهد. مکانیسم شکل‌گیری نوع یونی یک پیوند شیمیایی که توسط ما در نظر گرفته شده است به شفاف‌تر شدن ویژگی‌ها و ویژگی‌های اصلی پیوند کووالانسی کمک می‌کند.
جفت الکترون مشترک
اگر بین اتم‌های عناصری که از نظر الکترونگاتیوی بسیار متفاوت هستند، یعنی فلزات و غیرفلزات، پیوند یونی ایجاد شود، آنگاه نوع کووالانسی زمانی ظاهر می‌شود که اتم‌های عناصر غیرفلزی یکسان یا متفاوت برهم کنش می‌کنند. در مورد اول، مرسوم است که در مورد غیر قطبی صحبت کنیم و در مورد دیگر، در مورد شکل قطبی یک پیوند کووالانسی. مکانیسم تشکیل آنها مشترک است: هر یک از اتم ها تا حدی الکترون هایی را برای استفاده مشترک می دهد که به صورت جفت با هم ترکیب می شوند. اما آرایش فضایی جفت الکترون ها نسبت به هسته اتم ها متفاوت خواهد بود. بر این اساس، انواع پیوندهای کووالانسی متمایز می شوند - غیر قطبی و قطبی. اغلب، در ترکیبات شیمیایی متشکل از اتم های عناصر غیرفلزی، جفت هایی متشکل از الکترون هایی با اسپین های مخالف وجود دارد، یعنی در اطراف هسته های خود در جهت مخالف می چرخند. از آنجایی که حرکت ذرات با بار منفی در فضا منجر به تشکیل ابرهای الکترونی می شود که در نهایت به همپوشانی متقابل آنها ختم می شود. پیامدهای این فرآیند برای اتم ها چیست و به چه چیزی منجر می شود؟
خواص فیزیکی پیوند کووالانسی
معلوم شد که بین مراکز دو اتم برهم کنش ابری دو الکترونی با چگالی بالا وجود دارد. نیروهای جاذبه الکترواستاتیکی بین خود ابر با بار منفی و هسته اتم ها افزایش می یابد. بخشی از انرژی آزاد می شود و فاصله بین مراکز اتمی کاهش می یابد. به عنوان مثال، در ابتدای تشکیل یک مولکول H2 فاصله بین هسته اتم های هیدروژن1.06 A است، پس از همپوشانی ابرها و تشکیل یک جفت الکترون مشترک - 0.74 A. نمونه هایی از پیوند کووالانسی تشکیل شده بر اساس مکانیسم فوق را می توان هم در بین مواد معدنی ساده و هم در بین مواد معدنی پیچیده یافت. وجه تمایز اصلی آن وجود جفت الکترون های مشترک است. در نتیجه، پس از ظهور یک پیوند کووالانسی بین اتمها، به عنوان مثال، هیدروژن، هر یک از آنها پیکربندی الکترونیکی هلیوم بی اثر را به دست می‌آورد و مولکول حاصل ساختاری پایدار دارد.
شکل فضایی یک مولکول
یکی دیگر از ویژگی های فیزیکی بسیار مهم پیوند کووالانسی جهت بودن است. این بستگی به پیکربندی فضایی مولکول ماده دارد. به عنوان مثال، هنگامی که دو الکترون با یک ابر کروی همپوشانی دارند، ظاهر مولکول خطی است (هیدروژن کلرید یا هیدروژن برومید). شکل مولکول های آب که در آن ابرهای s و p هیبرید می شوند، زاویه ای است و ذرات بسیار قوی نیتروژن گازی شبیه یک هرم هستند.
ساختار مواد ساده - غیر فلزات
پس از اینکه فهمیدیم چه نوع پیوندی کووالانسی نامیده می شود، چه علائمی دارد، اکنون وقت آن است که به انواع آن بپردازیم. اگر اتم های همان غیر فلز - کلر، نیتروژن، اکسیژن، برم و غیره با یکدیگر تعامل داشته باشند، مواد ساده مربوطه تشکیل می شوند. جفت الکترون های مشترک آنها بدون جابجایی در فاصله یکسانی از مراکز اتم ها قرار دارند. برای ترکیبات با نوع غیر قطبی پیوند کووالانسی، ویژگی های زیر ذاتی هستند: نقطه جوش کم وذوب، نامحلول بودن در آب، خواص دی الکتریک. در مرحله بعد، ما متوجه خواهیم شد که کدام مواد با پیوند کووالانسی مشخص می شوند، که در آن جابجایی جفت الکترون های مشترک رخ می دهد.
الکترونی منفی و تأثیر آن بر نوع پیوند شیمیایی
خاصیت یک عنصر خاص برای جذب الکترون از اتم عنصر دیگر در شیمی الکترونگاتیوی نامیده می شود. مقیاس مقادیر برای این پارامتر، پیشنهاد شده توسط L. Pauling، را می توان در تمام کتاب های درسی در مورد شیمی معدنی و عمومی یافت. بالاترین مقدار آن - 4.1 eV - فلوئور دارد، کوچکتر - سایر غیر فلزات فعال و کمترین شاخص برای فلزات قلیایی است. اگر عناصری که از نظر الکترونگاتیوی متفاوت هستند با یکدیگر واکنش نشان دهند، به ناچار یکی، فعال تر، ذرات بار منفی اتم یک عنصر غیرفعال تر را به هسته خود جذب می کند. بنابراین، خواص فیزیکی یک پیوند کووالانسی مستقیماً به توانایی عناصر برای اهدای الکترون برای استفاده معمول بستگی دارد. جفت های مشترک حاصل دیگر به طور متقارن نسبت به هسته ها قرار ندارند، بلکه به سمت عنصر فعال تر منتقل می شوند.
ویژگی های ترکیبات با پیوند قطبی
موادی در مولکولهایی که جفت الکترونهای مشترک آنها نسبت به هسته اتمها نامتقارن هستند عبارتند از هالیدهای هیدروژن، اسیدها، ترکیبات کالکوژنها با هیدروژن و اکسیدهای اسیدی. اینها اسیدهای سولفات و نیترات، اکسیدهای گوگرد و فسفر، سولفید هیدروژن و غیره هستند. به عنوان مثال، یک مولکول کلرید هیدروژن حاوی یک جفت الکترون مشترک است.توسط الکترون های جفت نشده هیدروژن و کلر تشکیل شده است. به مرکز اتم کلر نزدیکتر می شود که عنصر الکترونگاتیو تری است. تمام مواد با پیوند قطبی در محلول های آبی به یون ها تجزیه می شوند و جریان الکتریکی را هدایت می کنند. ترکیباتی که دارای پیوند کووالانسی قطبی هستند که نمونه هایی از آنها را بیان کردیم در مقایسه با مواد غیرفلزی ساده نقطه ذوب و جوش بالاتری نیز دارند.
روشهای شکستن پیوندهای شیمیایی
در شیمی آلی، واکنش های جایگزینی هیدروکربن های اشباع شده با هالوژن ها از یک مکانیسم رادیکال پیروی می کند. مخلوطی از متان و کلر در نور و در دمای معمولی به گونه ای واکنش می دهد که مولکول های کلر شروع به تقسیم شدن به ذرات حامل الکترون های جفت نشده می کنند. به عبارت دیگر، تخریب جفت الکترون مشترک و تشکیل رادیکال های بسیار فعال -Cl مشاهده می شود. آنها می توانند مولکول های متان را به گونه ای تحت تأثیر قرار دهند که پیوند کووالانسی بین اتم های کربن و هیدروژن را بشکنند. یک ذره فعال -H تشکیل می شود و ظرفیت آزاد اتم کربن یک رادیکال کلر می گیرد و کلرومتان اولین محصول واکنش می شود. چنین مکانیزمی برای شکافتن مولکول ها همولیتیک نامیده می شود. اگر جفت مشترک الکترون ها به طور کامل در اختیار یکی از اتم ها قرار گیرد، آنگاه از مکانیسم هترولیتیک مشخصه واکنش هایی که در محلول های آبی رخ می دهد صحبت می کنند. در این حالت، مولکول های آب قطبی سرعت تخریب پیوندهای شیمیایی ترکیب محلول را افزایش می دهند.
دو و سه برابرپیوندهای
اکثریت قریب به اتفاق مواد آلی و برخی ترکیبات معدنی در مولکول های خود نه یک، بلکه چندین جفت الکترون مشترک دارند. تعدد پیوند کووالانسی باعث کاهش فاصله بین اتم ها و افزایش پایداری ترکیبات می شود. معمولاً از آنها به عنوان مقاوم در برابر مواد شیمیایی یاد می شود. به عنوان مثال، در یک مولکول نیتروژن سه جفت الکترون وجود دارد، آنها در فرمول ساختاری با سه خط تیره نشان داده می شوند و قدرت آن را تعیین می کنند. ماده ساده نیتروژن از نظر شیمیایی بی اثر است و می تواند با سایر ترکیبات مانند هیدروژن، اکسیژن یا فلزات تنها در صورت گرم شدن یا در فشار بالا و همچنین در حضور کاتالیزور واکنش دهد.
پیوندهای دوگانه و سه گانه در چنین کلاس هایی از ترکیبات آلی مانند هیدروکربن های دی ان اشباع نشده و همچنین مواد سری اتیلن یا استیلن ذاتی هستند. پیوندهای چندگانه خصوصیات شیمیایی اصلی را تعیین می کنند: واکنش های افزودن و پلیمریزاسیون که در نقاط شکست آنها رخ می دهد.
در مقاله خود، شرح کلی پیوند کووالانسی ارائه دادیم و انواع اصلی آن را بررسی کردیم.
