انرژی و طول پیوند کووالانسی

پیوندهای کووالانسی و یونی پیوندهای متداول بین اتمهای مواد هستند. پیوند کووالانسی پیوندی است که از به اشتراک گذاشتن الکترونها بین دو اتم بوجود میآید و معمولا بین دو نافلز شکل می گیرد. الکترونهای به اشتراک گذاشته شده جاذبه هسته دو اتم را به جای تنها جاذبه هسته اتم خودشان احساس می کنند و به همین جهت در اثر تشکیل پیوند کووالانسی اتمها پایدارتر می شوند. بعنوان مثال تشکیل مولکول هیدروژن از اتمهای هیدروژن را می توان در نظر گرفت:

اتمها تنها از الکترونهای لایه والانس یا ظرفیت در تشکیل پیوند استفاده می کنند. برای عناصر اصلی، لایه والانس یا ظرفیت، آخرین لایه اصلی حاوی الکترون در حالت پایه است. بعنوان مثال برای اتمهای اکسیژن (₈O:[₂He] 2s²2p⁴)، لایه اصلی n=2 با شش الکترون و برای اتمهای آرسنیک (₃₃As:[₁₈Ar] 3d¹⁰ 4s²4p³)، لایه اصلی n=4 با پنج الکترون، لایه والانس یا ظرفیت هستند. انتخاب نام کووالانسی بر مبنای همین به اشتراک گذاشتن الکترونهای لایه والانس است. پیشوند کو (co-) به معنای با هم، همکاری و ... است و بنابراین کووالانس به معنای به اشتراک گذاشتن والانس خواهد بود. به الکترونهای والانسی که در تشکیل پیوند استفاده میشوند، الکترونهای پیوندی و به الکترونهای والانسی که در تشکیل پیوند استفاده نمی شوند، الکترونهای غیرپیوندی یا ناپیوندی می گویند.

اطلاعاتی از قبیل اینکه در یک ترکیب چه تعداد از الکترونهای والانس اتمها پیوندی و چه تعداد غیرپیوندی هستند و موقعیت قرارگیری آنها کجاست، با نمایش ساختار لوویس ماده معلوم می شود. در ساختار لوییس یک ماده نحوه اتصال اتمها به هم و کلیه الکترونهای والانس کلیه اتمها نمایش داده میشوند. جفت الکترون پیوندی به صورت خط بین دو اتم تشکیل دهنده پیوند و جفت الکترون غیرپیوندی به صورت دو نقطه بر روی اتم مربوطه نمایش داده می شود. بعنوان مثال برای نمایش لوویس آب اکسیژنه () داریم:

دو اتم تشکیل دهنده پیوند کووالانسی تمایل دارند که به مینیمم سطح انرژی ممکن برسند و در فاصله ای از هم که متناظر با مینیمم سطح انرژی ممکن است قرار بگیرند. طول پیوند کووالانسی بیانگر فاصله ای است که سطح انرژی پتانسیل دو اتم تشکیل دهنده پیوند در آن فاصله به مینیمم مقدار خود میرسد. به اختلاف مینیمم سطح انرژی تشکیل دهنده پیوند کووالانسی با سطح انرژی آن دو در حالت دور از هم انرژی پیوند کوولانسی گفته می شود. بصورت معادل انرژی پیوند کووالانسی انرژی لازم برای شکستن پیوند کووالانسی به اتمهای جدا از هم است یا همان انرژی است که در هنگام تشکیل پیوند از اتمهای جدا از هم آزاد می شود. بعنوان مثال داریم:

انرژی اغلب پیوندهای کووالانسی در محدوده 100 kJ/mol تا 1000 kJ/mol قرار دارد. به عنوان مثال:E_H-H=436 kJ/mol. طول اغلب پیوندهای کووالانسی در محدوده 75pm تا 300pm قرار دارد. به عنوان مثال:r_C-C=154pm.

نصف طول پیوند کوالانسی بین دو اتم یکسان به شرط داشتن دو الکترون پیوندی، شعاع کووالانسی آن نوع اتم درنظرگرفته میشود. بعنوان مثال با توجه به اینکه طول پیوندهای کووالانسی در مولکولهای هیدروژن و کلر که حاوی یک جفت الکترون پیوندی هستند، به ترتیب برابر 74pmو 199pm هستند، شعاع های کووالانسی اتمهای هیدروژن و کلر به ترتیب برابر 37pm و 99.5pm هستند. بطور کلی در یک دوره از چپ به راست و در یک گروه از پایین به بالا شعاع کووالانسی اتمها کاهش می یابد. در مورد پیوندهای کووالانسی بین دو اتم غیریکسان، مجموع شعاعهای کووالانسی دو اتم تشکیل دهنده پیوند طول پیوند را بطور تقریبی نتیجه میدهد. مثلا طول پیوند کووالانسی در مولکول هیدروژن  کلرید(HCl) برابر 127pm است.

تمرین: طول پیوندهای کووالانسی C-C و Br-Br به ترتیب برابر 154pm و 228pm هستند. بر این اساس به سوالات زیر پاسخ دهید:

الف) شعاع کووالانسی اتمهای کربن و برم را بر حسب پیکومتر بدست آورید.

ب) کدامیک از اعداد زیر بعنوان طول پیوند کووالانسی C-Br  قابل قبول است؟ چرا؟

109pm, 146pm, 194pm, 266pm

*****

با افزایش اندازه اتمهای تشکیل دهنده پیوند، الکترونهای به اشتراک گذاشته شده در فاصله دورتری از هسته اتم دیگر قرار می گیرند و جاذبه کمتری احساس می کنند. به همین علت انرژی پیوند کووالانسی با اندازه اتمها رابطه معکوس دارد. از طرفی با افزایش اندازه اتمها طول پیوند کووالانسی افزایش می یابد. بنابراین می توان نتیجه گیری نمود که انرژی و طول پیوند با هم رابطه معکوس دارند.   

مثال: طول پیوند و انرژی پیوند HF، HCl، HBr و HI را با هم مقایسه کنید.

حل:

مقایسه شعاعهای اتمی به همراه مقادیر عددی آنها که از جداول برداشته شده است، به صورت زیر است:

بنابراین مقایسه انرژی پیوند و طول پیوند به صورت زیر خواهد بود (مقادیر عددی آنها از جداول برداشته شده است که انرژی پیوندها برحسب کیلوژول بر مول و طول پیوندها بر حسب پیکومتر هستند):

*****

تمرین: انرژی پیوند و طول پیوند را برای پیوندهای زیر با ذکر دلیل با هم مقایسه کنید:

*****

لازم بذکراست که لزوما در همه موارد با کاهش شعاع اتمی و طول پیوند، انرژی پیوند افزایش نمی یابد. بعنوان مثال علیرغم اندازه اتمی کوچکتر ، انرژی پیوند  کمتر از انرژی پیوند  است. انرژی پیوند کم  به علت دافعه جفت الکترونهای غیرپیوندی موجود بر روی اتمهای مجاور است. این دافعه ممکن است در دیگر پیوندها نیز موجود باشد، اما در  به علت اندازه اتمی کوچکتر  بسیار قابل توجه است. برای F₂ و Cl₂ داریم:

اتمها می توانند بیش از یک جفت الکترون با هم به اشتراک بگذارند. به تعداد جفت الکترون های به اشتراک گذاشته شده بین دو اتم مرتبه پیوند کووالانسی آن دو اتم گفته می شود. به پیوند با مرتبه پیوند برابر یک، پیوند یگانه، به پیوند با مرتبه پیوند برابر دو، پیوند دوگانه و به پیوند با مرتبه پیوند برابر سه، پیوند سه گانه می گوییم. بعنوان مثال داریم:

با افزایش مرتبه پیوند تعداد الکترونهای بیشتری از جاذبه هسته اضافی برخوردار می شوند و در نتیجه با افزایش مرتبه پیوند، انرژی پیوند افزایش می یابد. بعنوان مثال داریم:

با افزایش مرتبه پیوند، تعداد الکترونهای پیوندی و در نتیجه جاذبه الکترونها با هسته افزایش می یابد و اتمها می توانند بیشتر به هم نزدیک شوند و طول پیوند کاهش می یابد. بعنوان مثال داریم:

تمرین: انرژی پیوند و طول پیوند را برای پیوندهای زیر با هم مقایسه کنید:

*****

در صورتیکه جفت الکترون پیوندی توسط هر دو اتم تأمین شده باشد، پیوند کووالانسی معمولی است. در صورتیکه جفت الکترون پیوندی بین دو اتم تنها توسط یک اتم تأمین شده باشد، پیوند کووالانسی، پیوند کووالانسی داتیو نامیده می شود. پیوند کووالانسی معمولی و داتیو تنها در نحوه تشکیل با هم فرق دارند و بعد از تشکیل یکسان هستند. پیوند کووالانسی داتیو ممکن است با فلش یکطرفه از اتم آورنده جفت الکترون پیوندی به اتم دیگر نمایش داده شود.

تمرین: تشکیل مولکول SO₃ از مولکول SO₂  و اتم اکسیژن را بصورت زیر در نظر بگیرید:

پیوند تشکیل شده یک پیوند کووالانسی معمولی یا داتیو است؟ چرا؟

*****

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||

**************************************************

سایت: www.youngchemist.com

مولف: محمد شاهی

نظرات، پیشنهادات و انتقادات: chemistry.shahi@gmail.com

**************************************************

||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||