מדוע אטומים יכולים להתחבר זה לזה ליצירת מולקולות? מהי הסיבה לקיומם האפשרי של חומרים, הכוללים אטומים של יסודות כימיים שונים לחלוטין? אלו הן סוגיות גלובליות המשפיעות על מושגי היסוד של המדע הפיזיקלי והכימי המודרני. אתה יכול לענות עליהם, עם מושג לגבי המבנה האלקטרוני של אטומים ולהכיר את המאפיינים של הקשר הקוולנטי, שהוא הבסיס הבסיסי לרוב מחלקות התרכובות. מטרת המאמר שלנו היא להכיר את מנגנוני היווצרות סוגים שונים של קשרים כימיים ואת תכונות התכונות של תרכובות המכילות אותם במולקולות שלהן.
מבנה אלקטרוני של האטום
לחלקיקים אלקטרוניים של חומר, שהם האלמנטים המבניים שלו, יש מבנה המשקף את מבנה מערכת השמש. כשכוכבי הלכת מסתובבים סביב הכוכב המרכזי - השמש, כך האלקטרונים באטום נעים סביב הגרעין הטעון חיובי. לאפייןבקשר קוולנטי, האלקטרונים הממוקמים ברמת האנרגיה האחרונה והמרוחקים ביותר מהגרעין יהיו משמעותיים. מכיוון שהקשר שלהם עם מרכז האטום שלהם הוא מינימלי, הם מסוגלים להימשך בקלות על ידי גרעינים של אטומים אחרים. זה חשוב מאוד להתרחשות של אינטראקציות בין-אטומיות המובילות להיווצרות מולקולות. מדוע הצורה המולקולרית היא סוג הקיום העיקרי של החומר על הפלנטה שלנו? בואו לגלות.
תכונה בסיסית של אטומים
היכולת של חלקיקים ניטרליים חשמלית ליצור אינטראקציה, מה שמוביל לרווח באנרגיה, היא התכונה החשובה ביותר שלהם. אכן, בתנאים רגילים, המצב המולקולרי של החומר יציב יותר מהמצב האטומי. ההוראות העיקריות של התיאוריה האטומית והמולקולרית המודרנית מסבירות הן את העקרונות של היווצרות מולקולות והן את המאפיינים של קשר קוולנטי. נזכיר שרמת האנרגיה החיצונית של אטום יכולה להכיל בין 1 ל-8 אלקטרונים, במקרה האחרון השכבה תהיה שלמה, מה שאומר שהיא תהיה יציבה מאוד. לאטומים של גזים אצילים יש מבנה ברמה חיצונית כזו: ארגון, קריפטון, קסנון - יסודות אינרטיים המשלימים כל תקופה במערכת של D. I. מנדלייב. היוצא מן הכלל כאן הוא הליום, שאין לו 8, אלא רק 2 אלקטרונים ברמה האחרונה. הסיבה פשוטה: בתקופה הראשונה יש רק שני יסודות שלאטומים שלהם יש שכבת אלקטרונים אחת. לכל שאר היסודות הכימיים יש בין 1 ל-7 אלקטרונים בשכבה האחרונה והלא שלמה. בתהליך של אינטראקציה זה עם זה, האטומים יהיושואפים להתמלא באלקטרונים עד אוקטטה ולשחזר את התצורה של אטום של יסוד אינרטי. מצב כזה יכול להיות מושג בשתי דרכים: על ידי אובדן של עצמו או על ידי קבלה של חלקיקים זרים בעלי מטען שלילי. צורות אינטראקציה אלו מסבירות כיצד לקבוע אם יווצר קשר יוני או קוולנטי בין האטומים המגיבים.
מנגנונים ליצירת תצורה אלקטרונית יציבה
בוא נדמיין ששני חומרים פשוטים נכנסים לתגובה של התרכובת: נתרן מתכתי וכלור גזי. נוצר חומר מקבוצת המלחים - נתרן כלורי. יש לו סוג יוני של קשר כימי. למה ואיך זה קרה? הבה נפנה שוב למבנה האטומים של החומרים הראשוניים. לנתרן יש רק אלקטרון אחד בשכבה האחרונה, קשור בצורה חלשה לגרעין בגלל הרדיוס הגדול של האטום. אנרגיית היינון של כל המתכות האלקליות, הכוללות נתרן, נמוכה. לכן, האלקטרון של הרמה החיצונית עוזב את רמת האנרגיה, נמשך על ידי גרעין אטום הכלור ונשאר בחלל שלו. זה יוצר תקדים למעבר של אטום Cl לצורה של יון בעל מטען שלילי. כעת איננו עוסקים יותר בחלקיקים ניטרליים מבחינה חשמלית, אלא בקטיוני נתרן טעונים ואניוני כלור. בהתאם לחוקי הפיזיקה נוצרים ביניהם כוחות משיכה אלקטרוסטטיים והתרכובת יוצרת סריג גביש יוני. מנגנון היווצרותו של הסוג היוני של קשר כימי שנחשב על ידינו יעזור להבהיר את הפרטים והמאפיינים העיקריים של קשר קוולנטי בצורה ברורה יותר.
זוגות אלקטרונים משותפים
אם נוצר קשר יוני בין אטומים של יסודות שונים מאוד באלקטרושליליות, כלומר מתכות ולא מתכות, אז הסוג הקוולנטי מופיע כאשר אטומים של יסודות לא מתכתיים זהים או שונים. במקרה הראשון נהוג לדבר על לא קוטבי, ובמקרה השני על הצורה הקוטבית של קשר קוולנטי. מנגנון היווצרותם נפוץ: כל אחד מהאטומים נותן חלקית אלקטרונים לשימוש נפוץ, המשולבים בזוגות. אבל הסידור המרחבי של זוגות אלקטרונים ביחס לגרעיני האטומים יהיה שונה. על בסיס זה מבחינים בין סוגי הקשרים הקוולנטיים - לא קוטביים וקוטביים. לרוב, בתרכובות כימיות המורכבות מאטומים של יסודות לא מתכתיים, ישנם זוגות המורכבים מאלקטרונים עם ספינים מנוגדים, כלומר מסתובבים סביב הגרעינים שלהם בכיוונים מנוגדים. מאז תנועה של חלקיקים טעונים שלילי בחלל מובילה להיווצרות של ענני אלקטרונים, אשר בסופו של דבר מסתיים בחפיפה הדדית שלהם. מהן ההשלכות של תהליך זה על אטומים ולמה הוא מוביל?
מאפיינים פיזיים של קשר קוולנטי
מסתבר שבין מרכזים של שני אטומים המקיימים אינטראקציה יש ענן בעל שני אלקטרונים בצפיפות גבוהה. כוחות המשיכה האלקטרוסטטיים בין הענן בעל המטען השלילי עצמו לבין גרעיני האטומים מתגברים. חלק מהאנרגיה משתחרר והמרחקים בין המרכזים האטומיים יורדים. לדוגמה, בתחילת היווצרות מולקולה H2 המרחק בין גרעיני אטומי מימןהוא 1.06 A, לאחר חפיפת עננים ויצירת זוג אלקטרונים משותף - 0.74 A. ניתן למצוא דוגמאות לקשר קוולנטי שנוצר לפי המנגנון הנ ל הן בין חומרים אנאורגניים פשוטים והן מורכבים. המאפיין העיקרי שלו הוא נוכחותם של זוגות אלקטרונים משותפים. כתוצאה מכך, לאחר הופעת קשר קוולנטי בין אטומים, למשל, מימן, כל אחד מהם מקבל את התצורה האלקטרונית של הליום אינרטי, ולמולקולה המתקבלת יש מבנה יציב.
צורה מרחבית של מולקולה
תכונה פיזיקלית חשובה נוספת של קשר קוולנטי היא כיווניות. זה תלוי בתצורה המרחבית של מולקולת החומר. לדוגמה, כאשר שני אלקטרונים חופפים לענן כדורי, המראה של המולקולה הוא ליניארי (מימן כלורי או מימן ברומיד). צורתן של מולקולות מים, שבהן כלאיים ענני s ו-p, היא זוויתית, וחלקיקים חזקים מאוד של חנקן גזי נראים כמו פירמידה.
מבנה של חומרים פשוטים - לא מתכות
לאחר שגילינו איזה סוג של קשר נקרא קוולנטי, אילו סימנים יש לו, עכשיו הגיע הזמן להתמודד עם הזנים שלו. אם אטומים של אותה לא-מתכת - כלור, חנקן, חמצן, ברום וכו' מקיימים אינטראקציה זה עם זה, אז נוצרים החומרים הפשוטים המתאימים. צמדי האלקטרונים המשותפים שלהם ממוקמים באותו מרחק ממרכזי האטומים, ללא תזוזה. עבור תרכובות עם סוג לא קוטבי של קשר קוולנטי, התכונות הבאות טבועות: נקודות רתיחה נמוכות והתכה, אי מסיסות במים, תכונות דיאלקטריות. לאחר מכן, נגלה אילו חומרים מאופיינים בקשר קוולנטי, שבו מתרחשת הסטה של זוגות אלקטרונים משותפים.
אלקטרוןשליליות והשפעתה על סוג הקשר הכימי
התכונה של יסוד מסוים למשוך אלקטרונים מאטום של יסוד אחר בכימיה נקראת אלקטרושליליות. סולם הערכים של פרמטר זה, שהוצע על ידי ל. פאולינג, ניתן למצוא בכל ספרי הלימוד על כימיה אנאורגנית וכללית. בערך הגבוה ביותר שלו - 4.1 eV - יש פלואור, הקטן יותר - לא מתכות פעילות אחרות, והאינדיקטור הנמוך ביותר אופייני למתכות אלקליות. אם יסודות שונים באלקטרושליליות שלהם מגיבים זה עם זה, אז בהכרח אחד, פעיל יותר, ימשוך חלקיקים בעלי מטען שלילי של אטום של יסוד פסיבי יותר לגרעין שלו. לפיכך, התכונות הפיזיקליות של קשר קוולנטי תלויות ישירות ביכולתם של היסודות לתרום אלקטרונים לשימוש נפוץ. הזוגות המשותפים המתקבלים אינם ממוקמים עוד באופן סימטרי ביחס לגרעינים, אלא מוזזים לכיוון האלמנט הפעיל יותר.
תכונות של תרכובות עם קשר קוטבי
חומרים במולקולות שזוגות האלקטרונים המשותפים שלהם אינם סימטריים ביחס לגרעיני האטומים כוללים הלידים של מימן, חומצות, תרכובות של כלקוגנים עם תחמוצות מימן וחומצות. אלו הן חומצות סולפט וחנקתיות, תחמוצות של גופרית וזרחן, מימן גופרתי וכו'. לדוגמה, מולקולת מימן כלורי מכילה זוג אלקטרונים משותף אחד,נוצר על ידי אלקטרונים לא מזווגים של מימן וכלור. הוא מוזז קרוב יותר למרכז אטום Cl, שהוא יסוד אלקטרוני יותר שלילי. כל החומרים בעלי קשר קוטבי בתמיסות מימיות מתפרקים ליונים ומוליכים זרם חשמלי. לתרכובות בעלות קשר קוולנטי קוטבי, שדוגמאות שלהן הבאנו, יש גם נקודות התכה ורתיחה גבוהות יותר בהשוואה לחומרים פשוטים שאינם מתכתיים.
שיטות לשבירת קשרים כימיים
בכימיה אורגנית, תגובות ההחלפה של פחמימנים רוויים עם הלוגנים עוקבות אחר מנגנון רדיקלי. תערובת של מתאן וכלור באור ובטמפרטורה רגילה מגיבה בצורה כזו שמולקולות הכלור מתחילות להתפצל לחלקיקים הנושאים אלקטרונים לא מזווגים. במילים אחרות, הרס של זוג האלקטרונים המשותף ויצירת רדיקלים פעילים מאוד -Cl נצפים. הם מסוגלים להשפיע על מולקולות מתאן בצורה כזו שהם מפרקים את הקשר הקוולנטי בין אטומי פחמן ומימן. נוצר חלקיק פעיל -H, והערך החופשי של אטום הפחמן מקבל רדיקל כלור, וכלורומתאן הופך לתוצר הראשון של התגובה. מנגנון כזה לפיצול מולקולות נקרא הומוליטי. אם צמד האלקטרונים המשותף עובר לחלוטין לרשותו של אחד האטומים, אז הם מדברים על מנגנון הטרוליטי האופייני לתגובות המתרחשות בתמיסות מימיות. במקרה זה, מולקולות מים קוטביות יגבירו את קצב ההרס של הקשרים הכימיים של התרכובת המומסת.
כפול ומשולשקישורים
הרוב המכריע של החומרים האורגניים וכמה תרכובות אנאורגניות מכילים במולקולות שלהם לא אחד, אלא כמה זוגות אלקטרונים נפוצים. ריבוי הקשר הקוולנטי מקטין את המרחק בין האטומים ומגביר את היציבות של תרכובות. הם מכונה בדרך כלל עמידים כימית. לדוגמה, במולקולת חנקן יש שלושה זוגות אלקטרונים, הם מצוינים בנוסחת המבנה בשלושה מקפים וקובעים את חוזקה. החומר הפשוט חנקן אינרטי מבחינה כימית ויכול להגיב עם תרכובות אחרות, כגון מימן, חמצן או מתכות, רק בחימום או בלחץ גבוה, וכן בנוכחות זרזים.
קשרים כפולים ומשולשים טבועים בסוגים כאלה של תרכובות אורגניות כמו פחמימנים דין בלתי רוויים, כמו גם חומרים מסדרת האתילן או האצטילן. קשרים מרובים קובעים את המאפיינים הכימיים העיקריים: תגובות הוספה ופילמור המתרחשות בנקודות השבירה שלהם.
במאמר שלנו, נתנו תיאור כללי של הקשר הקוולנטי ובחנו את סוגיו העיקריים.
