המושג של קשר כימי הוא בעל חשיבות לא קטנה בתחומים שונים של כימיה כמדע. זה נובע מהעובדה שבעזרתה אטומים בודדים מסוגלים להתאחד למולקולות, וליצור כל מיני חומרים, שבתורם, הם נושא למחקר כימי.
מגוון האטומים והמולקולות קשור להופעתם של סוגים שונים של קשרים ביניהם. מחלקות שונות של מולקולות מאופיינות בתכונות משלהן של התפלגות אלקטרונים, ומכאן סוגי הקשרים שלהן.
מושגים בסיסיים
קשר כימי הוא קבוצה של אינטראקציות המובילות לקישור של אטומים ליצירת חלקיקים יציבים בעלי מבנה מורכב יותר (מולקולות, יונים, רדיקלים), כמו גם אגרגטים (גבישים, כוסות וכו'). אופי האינטראקציות הללו הוא חשמלי באופיים, והן נוצרות במהלך התפלגות אלקטרונים ערכיים באטומים מתקרבים.
Valency נקרא בדרך כלל היכולת של אטום ליצור מספר מסוים של קשרים עם אטומים אחרים. בתרכובות יוניות, מספר האלקטרונים הנתונים או המחוברים נלקח כערך הערכיות. בְּבתרכובות קוולנטיות, הוא שווה למספר זוגות האלקטרונים המשותפים.
מצב החמצון מובן כמטען המותנה שיכול להיות על אטום אם כל הקשרים הקוולנטיים הקוטביים היו יוניים.
ריבוי הקשר הוא מספר זוגות האלקטרונים המשותפים בין האטומים הנחשבים.
ניתן לחלק את הקשרים הנחשבים בענפי הכימיה לשני סוגים של קשרים כימיים: אלו המובילים ליצירת חומרים חדשים (אינטרמולקולרי), וכאלה הנוצרים בין מולקולות (אינטרמולקולריות).
מאפייני תקשורת בסיסיים
אנרגיית הקישור היא האנרגיה הנדרשת כדי לשבור את כל הקשרים הקיימים במולקולה. זוהי גם האנרגיה המשתחררת במהלך יצירת הקשר.
אורך הקשר הוא המרחק בין גרעינים סמוכים של אטומים במולקולה, שבו מאוזנים כוחות המשיכה והדחייה.
שני המאפיינים האלה של הקשר הכימי של אטומים הם מדד לחוזק שלו: ככל שהאורך קצר יותר והאנרגיה גדולה יותר, הקשר חזק יותר.
זווית הקשר נקראת בדרך כלל הזווית בין הקווים המיוצגים העוברים בכיוון החיבור דרך גרעיני האטומים.
שיטות לתיאור קישורים
שתי הגישות הנפוצות ביותר להסבר הקשר הכימי, שאלו ממכניקת הקוונטים:
שיטה של אורביטלים מולקולריים. הוא מחשיב מולקולה כמערכת של אלקטרונים וגרעינים של אטומים, כאשר כל אלקטרון בודד נע בשדה הפעולה של כל שאר האלקטרונים והגרעינים.למולקולה יש מבנה מסלולי, וכל האלקטרונים שלה מפוזרים לאורך המסלולים הללו. כמו כן, שיטה זו נקראת MO LCAO, אשר מייצג "אורביטל מולקולרי - שילוב ליניארי של אורביטלים אטומיים".
שיטה של קשרי ערכיות. מייצג מולקולה כמערכת של שני אורביטלים מולקולריים מרכזיים. יתרה מכך, כל אחד מהם מתאים לקשר אחד בין שני אטומים סמוכים במולקולה. השיטה מבוססת על ההוראות הבאות:
- היווצרות של קשר כימי מתבצעת על ידי זוג אלקטרונים עם ספינים מנוגדים, הממוקמים בין שני האטומים הנחשבים. זוג האלקטרונים שנוצר שייך לשני אטומים באופן שווה.
- מספר הקשרים שנוצרו על ידי אטום כזה או אחר שווה למספר האלקטרונים הבלתי מזווגים באדמה ובמצב הנרגש.
- אם זוגות אלקטרונים אינם לוקחים חלק ביצירת קשר, אז הם נקראים זוגות בודדים.
Electronegativity
ניתן לקבוע את סוג הקשר הכימי בחומרים על סמך ההבדל בערכי האלקטרושליליות של האטומים המרכיבים אותו. מובנת האלקטרונליליות היא היכולת של אטומים למשוך צמדי אלקטרונים משותפים (ענן אלקטרונים), מה שמוביל לקיטוב הקשר.
ישנן דרכים שונות לקבוע את ערכי האלקטרושליליות של יסודות כימיים. עם זאת, הסולם הנפוץ ביותר הוא הסולם המבוסס על נתונים תרמודינמיים, שהוצע עוד בשנת 1932 על ידי L. Pauling.
ככל שההבדל באלקטרושליליות של אטומים גדול יותר, כך היוניוניות שלו בולטת יותר. להיפך, ערכי אלקטרושליליות שווים או קרובים מצביעים על האופי הקוולנטי של הקשר. במילים אחרות, ניתן לקבוע איזה קשר כימי נצפה במולקולה מסוימת מבחינה מתמטית. לשם כך צריך לחשב את ΔX - ההבדל באלקטרושליליות של אטומים לפי הנוסחה: ΔX=|X 1 -X 2 |.
- אם ΔХ>1, 7, אז הקשר הוא יוני.
- אם 0.5≦ΔХ≦1.7, אז הקשר הקוולנטי הוא קוטבי.
- אם ΔХ=0 או קרוב אליו, אז הקשר הוא קוולנטי לא קוטבי.
קשר יוני
יוני הוא קשר כזה המופיע בין יונים או עקב נסיגה מלאה של זוג אלקטרונים משותף על ידי אחד האטומים. בחומרים, סוג זה של קשר כימי מתבצע על ידי כוחות משיכה אלקטרוסטטית.
יונים הם חלקיקים טעונים הנוצרים מאטומים כתוצאה מהצטברות או איבוד של אלקטרונים. כאשר אטום מקבל אלקטרונים, הוא רוכש מטען שלילי והופך לאניון. אם אטום תורם אלקטרונים ערכיים, הוא הופך לחלקיק בעל מטען חיובי הנקרא קטיון.
זה מאפיין תרכובות הנוצרות מאינטראקציה של אטומים של מתכות טיפוסיות עם אטומים של לא-מתכות טיפוסיות. עיקר תהליך זה הוא השאיפה של אטומים לרכוש תצורות אלקטרוניות יציבות. ובשביל זה, מתכות טיפוסיות ולא מתכות צריכות לתת או לקבל רק 1-2 אלקטרונים,מה שהם עושים בקלות.
מנגנון היווצרות של קשר כימי יוני במולקולה נחשב באופן מסורתי באמצעות הדוגמה של האינטראקציה של נתרן וכלור. אטומי מתכת אלקלי תורמים בקלות אלקטרון שנמשך על ידי אטום הלוגן. התוצאה היא הקטיון Na+ והאניון Cl- האניון, המוחזקים יחד על ידי משיכה אלקטרוסטטית.
אין קשר יוני אידיאלי. אפילו בתרכובות כאלה, המכונה לעתים קרובות יונית, ההעברה הסופית של אלקטרונים מאטום לאטום אינה מתרחשת. זוג האלקטרונים שנוצר עדיין נשאר בשימוש נפוץ. לכן, הם מדברים על מידת היוניות של קשר קוולנטי.
קשר יוני מאופיין בשני מאפיינים עיקריים הקשורים זה לזה:
- לא כיווני, כלומר לשדה החשמלי סביב היון יש צורה של כדור;
- אי רוויה, כלומר מספר היונים בעלי המטען ההפוך שניתן למקם סביב כל יון, נקבע לפי גודלם.
קשר כימי קוולנטי
הקשר שנוצר כאשר ענני האלקטרונים של אטומים שאינם מתכת חופפים, כלומר מבוצעים על ידי זוג אלקטרונים משותף, נקרא קשר קוולנטי. מספר זוגות אלקטרונים משותפים קובע את ריבוי הקשר. לפיכך, אטומי מימן מקושרים בקשר H··H יחיד, ואטומי חמצן יוצרים קשר כפול O::O.
יש שני מנגנונים להיווצרותו:
- Exchange - כל אטום מייצג אלקטרון אחד ליצירת זוג משותף: A +B=A: B, בעוד החיבור כולל אורביטלים אטומיים חיצוניים, שעליהם נמצא אלקטרון אחד.
- תורם-מקבל - כדי ליצור קשר, אחד האטומים (התורם) מספק זוג אלקטרונים, והשני (המקבל) - אורביטל חופשי למיקומו: A +:B=A:B.
הדרכים שבהן ענני אלקטרונים חופפים כאשר נוצר קשר כימי קוולנטי גם הן שונות.
- ישיר. אזור חפיפת העננים שוכן על קו דמיוני ישר המחבר בין גרעיני האטומים הנחשבים. במקרה זה נוצרים קשרי σ. סוג הקשר הכימי המתרחש במקרה זה תלוי בסוג ענני האלקטרונים שעוברים חפיפה: s-s, s-p, p-p, s-d או p-d σ-קשרים. בחלקיק (מולקולה או יון), רק קשר σ אחד יכול להתרחש בין שני אטומים שכנים.
- צד. זה מתבצע משני צידי הקו המחבר את גרעיני האטומים. כך נוצר קשר π, וגם הזנים שלו אפשריים: p-p, p-d, d-d. בנפרד מהקשר σ, הקשר π לעולם לא נוצר; הוא יכול להיות במולקולות המכילות קשרים מרובים (כפולים ומשולשים).
מאפייני קשר קוולנטי
הם קובעים את המאפיינים הכימיים והפיזיקליים של תרכובות. המאפיינים העיקריים של כל קשר כימי בחומרים הם הכיווניות, הקוטביות והקיטוב שלו, כמו גם הרוויה.
הכיווניות של הקשר קובעת את התכונות של המולקולריתמבנה החומרים והצורה הגיאומטרית של המולקולות שלהם. המהות שלו טמונה בעובדה שהחפיפה הטובה ביותר של ענני אלקטרונים אפשרית עם אוריינטציה מסוימת במרחב. האפשרויות ליצירת קשרי σ ו-π כבר נבחנו לעיל.
רוויה מובנת כיכולתם של אטומים ליצור מספר מסוים של קשרים כימיים במולקולה. מספר הקשרים הקוולנטיים לכל אטום מוגבל במספר האורביטלים החיצוניים.
הקוטביות של הקשר תלויה בהבדל בערכי האלקטרושליליות של האטומים. הוא קובע את אחידות חלוקת האלקטרונים בין גרעיני האטומים. קשר קוולנטי על בסיס זה יכול להיות קוטבי או לא קוטבי.
- אם זוג האלקטרונים המשותף שייך באופן שווה לכל אחד מהאטומים וממוקם באותו מרחק מהגרעינים שלהם, אז הקשר הקוולנטי אינו קוטבי.
- אם זוג האלקטרונים המשותף מוזז לגרעין של אחד האטומים, אז נוצר קשר כימי קוטבי קוולנטי.
קיטוב מתבטא על ידי תזוזה של אלקטרוני קשר תחת פעולת שדה חשמלי חיצוני, שעשוי להיות שייך לחלקיק אחר, קשרים שכנים באותה מולקולה, או להגיע ממקורות חיצוניים של שדות אלקטרומגנטיים. לכן, קשר קוולנטי תחת השפעתם יכול לשנות את הקוטביות שלו.
תחת הכלאה של אורביטלים להבין את השינוי בצורות שלהם ביישום של קשר כימי. זה הכרחי כדי להשיג את החפיפה היעילה ביותר. ישנם סוגי הכלאה הבאים:
- sp3. אחד s- ושלושה אורביטלים p יוצרים ארבעהאורביטלים "היברידיים" מאותה צורה. כלפי חוץ, הוא דומה לטטרהדרון עם זווית בין הצירים של 109 מעלות.
- sp2. s-ושני p-אורביטלים אחד יוצרים משולש שטוח עם זווית בין הצירים של 120°.
- sp. s- ו-p-מסלול אחד יוצרים שני אורביטלים "היברידיים" עם זווית בין הצירים שלהם של 180°.
חוב מתכת
תכונה של מבנה אטומי מתכת היא רדיוס גדול למדי ונוכחות של מספר קטן של אלקטרונים באורביטלים חיצוניים. כתוצאה מכך, ביסודות כימיים כאלה, הקשר בין הגרעין לאלקטרוני הערכיות חלש יחסית ונשבר בקלות.
קשר מתכת הוא אינטראקציה כזו בין אטומי מתכת-יונים, שמתבצעת בעזרת אלקטרונים מפורקים.
בחלקיקי מתכת, אלקטרוני ערכיות יכולים לעזוב בקלות אורביטלים חיצוניים, כמו גם לתפוס מקומות פנויים עליהם. לפיכך, בזמנים שונים, אותו חלקיק יכול להיות אטום ויון. האלקטרונים שנתלשו מהם נעים בחופשיות לאורך כל נפח סריג הגביש ומבצעים קשר כימי.
לסוג הקשר הזה יש קווי דמיון עם יוני וקוולנטי. כמו גם ליונים, יונים נחוצים לקיומו של קשר מתכתי. אבל אם ליישום של אינטראקציה אלקטרוסטטית במקרה הראשון, יש צורך בקטיונים ואניונים, אז בשני, את התפקיד של חלקיקים טעונים שלילי ממלאים אלקטרונים. אם נשווה קשר מתכתי לקשר קוולנטי, אז היווצרות של שניהם דורשת אלקטרונים משותפים. עם זאת, בבניגוד לקשר כימי קוטבי, הם אינם ממוקמים בין שני אטומים, אלא שייכים לכל חלקיקי המתכת בסריג הגביש.
קשרים מתכתיים אחראים לתכונות המיוחדות של כמעט כל המתכות:
- פלסטיות, קיימת עקב אפשרות של תזוזה של שכבות של אטומים בסריג הגביש המוחזק על ידי גז אלקטרונים;
- ברק מתכתי, הנצפה עקב החזרת קרני האור מאלקטרונים (במצב האבקה אין סריג גביש ולכן אלקטרונים נעים לאורכו);
- מוליכות חשמלית, שמתבצעת על ידי זרם של חלקיקים טעונים, ובמקרה זה, אלקטרונים קטנים נעים בחופשיות בין יוני מתכת גדולים;
- מוליכות תרמית, נצפתה בשל יכולתם של אלקטרונים להעביר חום.
איגרת מימן
סוג זה של קשר כימי נקרא לפעמים חומר ביניים בין אינטראקציה קוולנטית לאינטראקציה בין-מולקולרית. אם לאטום מימן יש קשר עם אחד מהיסודות האלקטרוניליים החזקים (כגון זרחן, חמצן, כלור, חנקן), אז הוא מסוגל ליצור קשר נוסף, הנקרא מימן.
הוא חלש בהרבה מכל סוגי הקשרים הנזכרים לעיל (האנרגיה היא לא יותר מ-40 קילו-ג'יי/מול), אבל אי אפשר להזניח אותו. זו הסיבה שקשר המימן הכימי בתרשים נראה כמו קו מקווקו.
התרחשות של קשר מימן אפשרית עקב האינטראקציה האלקטרוסטטית של תורם-מקבל בו-זמנית. הבדל גדול בערכיםאלקטרושליליות מובילה להופעת צפיפות אלקטרונים עודפת על האטומים O, N, F ואחרים, כמו גם לחוסר שלה על אטום המימן. במקרה שאין קשר כימי קיים בין אטומים כאלה, כוחות משיכה מופעלים אם הם קרובים מספיק. במקרה זה, הפרוטון הוא מקבל זוג אלקטרונים, והאטום השני הוא תורם.
קשר מימן יכול להתרחש הן בין מולקולות שכנות, למשל, מים, חומצות קרבוקסיליות, אלכוהולים, אמוניה, והן בתוך מולקולה, למשל, חומצה סליצילית.
נוכחות של קשר מימן בין מולקולות מים מסבירה מספר תכונות פיזיקליות ייחודיות שלו:
- הערכים של קיבולת החום, הקבוע הדיאלקטרי, נקודות הרתיחה וההתכה שלו, בהתאם לחישובים, צריכים להיות הרבה פחות מהאמיתיים, מה שמוסבר בהקשר של מולקולות ובצורך להוציא אנרגיה לשבירת קשרי מימן בין מולקולריים.
- בניגוד לחומרים אחרים, כשהטמפרטורה יורדת, נפח המים גדל. זאת בשל העובדה שהמולקולות תופסות מיקום מסוים במבנה הגבישי של הקרח ומתרחקות זו מזו באורך קשר המימן.
הקשר הזה ממלא תפקיד מיוחד עבור אורגניזמים חיים, שכן נוכחותו במולקולות חלבון קובעת את המבנה המיוחד שלהם, ומכאן את תכונותיהם. בנוסף, חומצות גרעין, המרכיבות את הסליל הכפול של ה-DNA, מחוברות גם הן במדויק בקשרי מימן.
תקשורת בקריסטלים
לרוב המוחלט של המוצקים יש סריג קריסטל - מיוחדהסידור ההדדי של החלקיקים היוצרים אותם. במקרה זה, נצפית מחזוריות תלת מימדית, ובצמתים ממוקמים אטומים, מולקולות או יונים, המחוברים בקווים דמיוניים. בהתאם לאופי החלקיקים הללו והקשרים ביניהם, כל מבני הגביש מחולקים לאטומיים, מולקולריים, יוניים ומתכתיים.
יש קטיונים ואניונים בצמתים של סריג הגביש היוני. יתר על כן, כל אחד מהם מוקף במספר מוגדר בהחלט של יונים עם המטען ההפוך בלבד. דוגמה טיפוסית היא נתרן כלורי (NaCl). הם נוטים להיות בעלי נקודות התכה וקשיות גבוהות מכיוון שהם דורשים הרבה אנרגיה כדי להישבר.
מולקולות של חומרים שנוצרו על ידי קשר קוולנטי ממוקמות בצמתים של סריג הגביש המולקולרי (לדוגמה, I2). הם מחוברים זה לזה על ידי אינטראקציה חלשה של ואן דר ואלס, ולכן קל להרוס מבנה כזה. לתרכובות כאלה יש נקודות רתיחה והתכה נמוכות.
סריג הגביש האטומי נוצר על ידי אטומים של יסודות כימיים בעלי ערכי ערכיות גבוהים. הם מחוברים בקשרים קוולנטיים חזקים, מה שאומר שלחומרים יש נקודות רתיחה גבוהות, נקודות התכה וקשיות גבוהה. דוגמה לכך היא יהלום.
לכן, לכל סוגי הקשרים המצויים בכימיקלים יש מאפיינים משלהם, המסבירים את נבכי האינטראקציה של חלקיקים במולקולות ובחומרים. תכונות התרכובות תלויות בהן. הם קובעים את כל התהליכים המתרחשים בסביבה.
