محتویات:

پیوند کووالانسی

نظریه­ی همپوشانی اوربیتال­های اتمی

برای پرش به مطلب مربوط به هر عنوان، بر روی آن عنوان در قسمت بالا کلیک کنید.

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 به­وجود می­آید و معمولا بین دو نافلز شکل می گیرد. الکترون­های به اشتراک گذاشته شده جاذبه­ی هسته­ی دو اتم را به­جای تنها جاذبه­ی هسته­ی اتم خودشان احساس می­کنند و به همین جهت در اثر تشکیل پیوند کووالانسی اتمها پایدارتر می­شوند.

اتم­ها تنها از الکترون­های لایه­ی والانس یا ظرفیت در تشکیل پیوند استفاده می­کنند. برای عناصر اصلی لایه­ی والانس یا ظرفیت آخرین لایه اصلی حاوی الکترون در حالت پایه است. انتخاب نام کووالانسی بر مبنای همین به اشتراک گذاشتن الکترون­های لایه­ی 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 نمی­شوند، الکترون­های غیرپیوندی یا ناپیوندی می­گویند.

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 ی اتصال اتم­ها به هم و کلیه­ی الکترون­های والانس کلیه­ی اتم­ها نمایش داده می­شوند. جفت الکترون پیوندی به صورت خط بین دواتم تشکیل­دهنده­ی پیوند و جفت الکترون غیرپیوندی به صورت دو نقطه بر روی اتم مربوطه نمایش داده می­شود.

دو اتم تشکیل دهنده پیوند کووالانسی تمایل دارند که به مینیمم سطح انرژی ممکن برسند و در فاصله­ای از هم که متناظر با مینیمم سطح انرژی ممکن است قرار بگیرند. طول پیوند کووالانسی بیانگر فاصله­ای است که سطح انرژی پتانسیل دو اتم تشکیل­دهنده­ 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 می­شود. 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 می­شود.

انرژی اغلب پیوندهای کووالانسی در محدوده­ی 100 تا 1000  کیلوژول بر مول قرار دارد. طول اغلب پیوندهای کووالانسی در محدوده­ی 75 تا 300 پیکومتر قرار دارد.

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  74و 199 پیکومتر هستند، شعاع های کووالانسی اتمهای هیدروژن و کلر به ترتیب برابر 37 و 99.5 پیکومتر 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 127 پیکومتر است.

با افزایش اندازه­ی اتم­های تشکیل­دهنده­ی پیوند الکترون­های به اشتراک گذاشته شده در فاصله­ی دورتری از هسته­ی اتم دیگر قرار می­گیرند و جاذبه­ی کمتری احساس می­کنند. به همین علت انرژی پیوند کووالانسی با اندازه­ی اتمها رابطه­ی معکوس دارد. از طرفی با افزایش اندازه­ی اتم­ها طول پیوند کووالانسی افزایش می­یابد. بنابراین میتوان نتیجه گیری نمود که انرژی و طول پیوند با هم رابطه­ی معکوس دارند.   

لازم بذکراست که لزوما در همه موارد با کاهش شعاع اتمی و طول پیوند انرژی پیوند افزایش نمی یابد. بعنوان مثال علیرغم اندازه­ی اتمی کوچکتر اتم فلوئور انرژی پیوند در مولکول فلوئور (F-F) کمتر از انرژی پیوند در مولکول کلر (Cl-Cl) است. انرژی پیوند کم در مولکول فلوئور به علت دافعه­ی جفت الکترون­های غیرپیوندی موجود بر روی اتم­های مجاور است. این دافعه ممکن است در دیگر پیوندها نیز موجود باشد اما در مولکول فلوئور به علت اندازه­ی اتمی کوچکتر اتم فلوئور بسیار قابل توجه است.

اتمها می­توانند بیش از یک جفت الکترون با هم به اشتراک بگذارند. به تعداد جفت الکترون­های به اشتراک گذاشته­شده بین دو اتم مرتبه­ی پیوند کووالانسی آن دو اتم گفته می­شود. 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.

با افزایش مرتبه­ پیوند تعداد الکترون­های بیش­تری از جاذبه­ی هسته­ی اضافی برخوردار می­شوند و در نتیجه با افزایش مرتبه­ی پیوند، انرژی پیوند افزایش می­یابد.

با افزایش مرتبه­ی پیوند، تعداد الکترون­های پیوندی و در نتیجه جاذبه­ی الکترون­ها با هسته افزایش می­یابد و اتمها میتوانند بیشتر به هم نزدیک شوند و طول پیوند کاهش می­یابد.

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 میشود. پیوند کووالانسی معمولی و داتیو تنها در نحوه­ی 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.

 

نظریه­ی همپوشانی اوربیتال­های اتمی

در این نظریه فرض می­شود پیوند کووالانسی از همپوشانی دو اوربیتال اتمی به­وجود می­آید. در صورتیکه الکترون­های دو اوربیتال اتمی در ناحیه­ی مشترک یا همپوشانی دو اوربیتال اتمی قرار گیرند، متعلق به هر دو اوربیتال محسوب میشوند و درنتیجه جاذبه­ی هر دو هسته را احساس می­کنند و پایدارتر می­شوند. در این نظریه با افزایش ناحیه همپوشانی یا مقدار مشترک اوربیتال­های اتمی الکترون­های به اشتراک گذاشته­شده به مقدار بیشتری می­توانند جاذبه­ی هر دو هسته را احساس کنند و پایدارتر می­شوند. بنابراین با افزایش همپوشانی پیوند قویتر می­شود و انرژی پیوند افزایش می یابد.

همپوشانی می­تواند به دو صورت همپوشانی سربه­سر و همپوشانی جانبی صورت گیرد. در همپوشانی سربه­سر ناحیه­ی مشترک در فضای بین دوهسته و روی خط واصل دو هسته قرار دارد. درهمپوشانی جانبی ناحیه­ی مشترک در فضای بین دو هسته و در طرفین خط واصل دو هسته قرار دارد.

به پیوندهای حاصل از همپوشانی سربه­سر پیوند سیگما یا زیگما و به پیوندهای حاصل از همپوشانی جانبی پیوند پای گفته می­شود. همپوشانی سربه­سر اوربیتال­ها به راحتی انجام می­شود و مقدار همپوشانی قابل توجه است. اما همپوشانی جانبی برای آنکه به خوبی همپوشانی سربه­سر صورت گیرد نیازمند نزدیک شدن زیاد دو اتم به هم است که دافعه­ی هسته­ها این اجازه را نمی­دهد. به همین علت مقدار همپوشانی در حالت جانبی کمتر از حالت سربه­سر است و به علت همپوشانی کمتر پیوندهای پای ضعیفتر از پیوندهای سیگما هستند. ازآن­جایی­که پیوندهای سیگما محکم­تر از پیوندهای پای هستند اولویت تشکیل با پیوندهای سیگماست، اما از آن­جایی­که به خاطر نحوه­ی قرارگیری و جهت گیری اوربیتال­ها در اغلب موارد بیش از یک پیوند سیگما بین دو اتم نمی­تواند تشکیل شود، می­توان نتیجه­گیری کرد که تمام پیوندهای یگانه سیگما هستند و در پیوندهای چندگانه یک پیوند سیگما و مابقی پای هستند.

با توجه به ضعیف بودن پیوندهای پای در مقابل پیوندهای سیگما، میتوان انتظار داشت که انرژی پیوندی یک پیوند دوگانه از انرژی پیوندی یک پیوند یگانه برای اتمهای یکسان بیشتر باشد اما از دو برابر آن کمتر باشد. بطورمشابه میتوان انتظار داشت که انرژی پیوندی یک پیوند سه گانه از انرژی پیوندی یک پیوند یگانه برای اتمهای یکسان بیشتر باشد اما از سه برابر آن کمتر باشد.