قطبیت پیوند و مولکول­ها

اتم­های عناصر مختلف توانایی­های مختلفی برای جذب الکترون به سمت خود دارند. الکترونگاتیویته­ی یک عنصر معیاری از قدرت نسبی آن عنصر در جذب الکترون­های پیوندی به سمت خود است. الکترونگاتیویته را معمولا با علامت χ (حرف خی کوچک یونانی) نشان می دهند. معمولا الکترونگاتیویته­ی عناصر در یک دوره از چپ به راست بعلت افزایش بار موثر هسته و کاهش شعاع و در یک گروه از پایین به بالا بعلت کاهش شعاع افزایش می­یابد. در این راستا فلوئور الکترونگاتیوترین عنصر و سزیم عنصر پایدار با کمترین الکترونگاتیویته (الکتروپوزیتیوترین عنصر پایدار) است. عناصر با الکترونگاتیویتیه­ی بالا رفتار نافلزی دارند و عناصر با الکترونگاتیویته­ی پایین رفتار فلزی از خود نشان می­دهند. شبه­فلزات عناصری با الکترونگاتیویته­ی متوسط هستند و رفتاری مابین فلزات و نافلزات دارند. در این راستا، یکی از معیارهای طبقه­بندی به فلزات، شبه­فلزات و نافلزات انرژی یونش یا الکترونگاتیویته­ی هیدروژن است. نافلزات عناصری هستند که انرژی یونش اول یا الکترونگاتیویته­ی آنها بیشتر از انرژی یونش یا الکترونگاتیویته­ی هیدروژن است. فلزات عناصری هستند که انرژی یونش یا الکترونگاتیویته­ی آن­ها کمتر از انرژی یونش یا الکترونگاتیویته­ی هیدروژن است و شبه­فلزات عناصری هستند که انرژی یونش و الکترونگاتیویته­شان در حدود انرژی یونش یا الکترونگاتیویته­ی هیدروژن است.

در صورت وجود اختلاف الکترونگاتیویته در اتمهای تشکیل دهنده پیوند کووالانسی ابر الکترونی به سمت اتم با الکترونگاتیویته بالاتر متمایل می شود و روی اتم با الکترونگاتیویته بالاتر فزونی ابر الکترونی و روی اتم با الکترونگاتیویته پایین تر کمبود ابر الکترونی بوجود می آید. بنابراین وجود اختلاف الکترونگاتیویته در اتمهای تشکیل دهنده پیوند کووالانسی منجر به ایجاد بارهای جزیی بر روی اتم­های تشکیل­دهنده­ی پیوند می­شود و پیوند سر مثبت و سر منفی یا خصلت یونی پیدا می­کند. این را برای پیوند AB که اتم B الکترونگاتیوتر از اتم A است، می­توان با رزونانس یونی ـ کووالانسی با ترکیبی از شکلهای رزونانسی یک بصورت کاملا کووالانسی A-B و دو بصورت کاملا یونی (A یک مثبت و B یک منفی) نمایش داد. شکل رزونانسی یک برای پیوند AB  ما  100% خصلت کووالانسی در نظر می گیرد و در این شکل جفت الکترون پیوندی به سمت هیچ یک از دو اتم منحرف نشده است. شکل رزونانسی دو برای پیوند AB  ما  100% خصلت یونی در نظر می گیرد و در این شکل جفت الکترون پیوندی بر روی فقط اتم B قرار دارد. در حالت کلی هیبرید رزونانسی به شکلی خواهد بود که در آن بر روی اتمها، بجای بارهای مثبت و منفی کامل، بارهای مثبت و منفی جزئی با اندازه مثلا دلتا خواهیم داشت. درصد سهم شکل رزونانسی دو که معادل نسبت بار واقعی روی اتمها به بار فرضی روی اتمها بر مبنای انتقال کامل الکترون است ( برای مثال قبلی نسبت دلتا به e که دلتا بار واقعی روی اتمها و e بار یک الکترون است)، خصلت یونی پیوند نامیده می­شود. در مقابل خصلت یونی پیوند، خصلت کووالانسی پیوند قرار دارد که درصد سهم شکل رزونانسی یک (A-B) است. مجموع درصدهای خصلت یونی پیوند و خصلت کووالانسی پیوند بایستی برابر 100 درصد باشد. با افزایش اختلاف الکترونگاتیویته­ی بین دو اتم تشکیل دهنده­ی پیوند، مقدار بارهای جزیی بر روی اتم­های تشکیل­دهنده­ی پیوند و خصلت یونی پیوند افزایش می­یابند.  خصلت یونی پیوند می­تواند از صفر در مولکول­هایی مانند هیدروژن و فلوئور تا نزدیک 100% در نمک­هایی مثل سزیم فلوئورید تغییر کند. معمولا پیوندهای با خصلت یونی کمتر از 50% کووالانسی و پیوندهای با خصلت یونی بیشتر از 50% یونی محسوب می شوند.

وجود بارهای جزئی به علت جاذبه­ی بین بارهای جزئی مثبت و منفی باعث پایداری پیوند می­شود. هر چه اختلاف الکترونگاتیویته­ی دو اتم تشکیل­دهنده­ی پیوند بیشتر باشد، بارهای جزئی حاصل بزرگ­تر و پیوند پایدارتر می­شود. این مطلب خودش را در مقایسه انرژی پیوندهای A-A ,B-B ,A-B نشان می دهد. پیوند A-B (مثلا  H-F) از نظر اتمهای تشکیل دهنده بین پیوندهای A-A و B-B  (مثلا  H-H,F-F) قرار دارد، بنابراین انتظار داریم انرژی پیوند A-B نیز مابین یا حتی وسط (برابر میانگین) انرژی پیوندهای A-A و B-B باشد. با وجود اینکه معمولا انرژی پیوند A-B مابین انرژی پیوندهای A-A و B-B  قرار دارد، اما معمولا انرژی پیوند A-B که جاذبه­ بین بارهای جزئی مثبت و منفی اش دارد، از میانگین ( حسابی یا هندسی) انرژی پیوندهای A-A و B-B  که بارهای جزئی مثبت و منفی  و جاذبه بین آنها را ندارند بیشتر است.

بعنوان مثال انرژی پیوندهای H-H,H-Cl,Cl-Cl به ترتیب برابر 432,427,243 کیلو ژول بر مول هستند. بعنوان مثالی دیگر انرژی پیوندهای Cl-Cl, C-Cl, C-C به ترتیب برابر 243,339,347 کیلو ژول بر مول هستند.

این نکته معیار نسبت دادن مقدار به الکترونگاتیویته­ی عناصر در مقیاس پائولینگ است. در این مقیاس اختلاف الکترونگاتیویته­ی بین دو اتم متناسب با جذر اختلاف انرژی پیوند A-B با میانگین هندسی انرژی پیوندهای A-A و B-B  در نظر گرفته می شود. بر این اساس، اختلاف الکترونگاتیویته­ی عناصر به­دست می­آید. با نسبت دادن 4 به الکترونگاتیویته­ی فلوئور و با استفاده از اختلاف الکترونگاتیویته­های به­دست آمده الکترونگاتیویته­ی تمام عناصر به­دست می­آید.

بعنوان یک قاعده سرانگشتی، در صورتیکه اختلاف الکترونگاتیویته­ی اتمهای تشکیل دهنده پیوند در مقیاس پاولینگ از 1.7 بیشتر باشد، خصلت یونی پیوند بیشتر از 50% خواهد بود و پیوند یونی می تواند محسوب شود. در صورتیکه اختلاف الکترونگاتیویته­ی اتمهای تشکیل دهنده پیوند در مقیاس پاولینگ از 1.7 کمتر باشد، خصلت یونی پیوند کمتر از 50% خواهد بود و پیوند کووالانسی می تواند محسوب شود.

برای پیوندهای کووالانسی، قطبیت پیوند در نظر می شود که بصورت کمی با کمیتی به نام گشتاور دو قطبی پیوند توصیف می شود که در ادامه با آن آشنا خواهیم شد. قطبیت پیوند معمولا با خصلت یونی پیوند رابطه مستقیم دارد. بعبارتی با افزایش اختلاف الکترونگاتیویته­ی بین دو اتم تشکیل­دهنده­ی پیوند و خصلت یونی پیوند، قطبیت پیوند افزایش می­یابد. پیوندهای کووالانسی با  خصلت یونی صفر، کووالانسی غیرقطبی و پیوندهای کووالانسی با خصلت یونی غیرصفر، کووالانسی قطبی نامیده می شوند. بعنوان یک قاعده سرانگشتی، پیوندهای کووالانسی که خصلت یونیشان کمتر از 10% است، پیوندهای کووالانسی با قطبیت کم، پیوندهای کووالانسی که خصلت یونیشان از 10% تا 30% است، پیوندهای کووالانسی با قطبیت متوسط و پیوندهای کووالانسی که خصلت یونیشان از 30% تا 50% است، پیوندهای کووالانسی با قطبیت زیاد می توانند محسوب شوند. بعنوان یک قاعده سرانگشتی اختلاف الکترونگاتیویته بین 0 و 0.5 در مقیاس پائولینگ معادل قطبیت کم، اختلاف الکترونگاتیویته بین 0.5 و 1 معادل قطبیت متوسط و اختلاف الکترونگاتیویته بین 1 و 1.7 معادل قطبیت زیاد برای پیوند کووالانسی میتوانند محسوب شوند.

پیوندهای قطبی بعلت داشتن بارهای جزئی مثبت و منفی می توانند با ذرات بارداردیگر برهمکنش های الکتریکی داشته باشند. بزرگی و قدرت این برهمکنش ها متناسب با کمیتی به نام گشتاور دوقطبی است که به دو بار الکتریکی هم اندازه و ناهمنام واقع در کنار یکدیگر نسبت داده میشود. برای دو بار الکتریکی هم اندازه و ناهمنام واقع در کنار یکدیگر که یک دوقطبی الکتریکی نامیده می شود، گشتاور دوقطبی برداری است که راستای آن روی خط واصل دو ذره باردار و جهت آن از بار مثبت به بار منفی است. اندازه­ی آن هم از حاصلضرب اندازه بارها و فاصله بین دو بار بدست می آید. در مورد پیوندها، گشتاور دوقطبی پیوند که معمولا با μ ( از حروف کوچک الفبای یونانی به نام مو) نشان داده می شود، برداری است که راستای آن روی خط واصل دو اتم تشکیل­دهنده­ی پیوند و جهت آن از سر مثبت پیوند به سر منفی پیوند است. اندازه­ی آن نیز از حاصلضرب اندازه­ی بار جزئی و فاصله­ی بارها به­دست می­آید.

مقدار گشتاور دوقطبی پیوند یا مو برای پیوندهای غیرقطبی برابر صفر و برای پیوندهای قطبی مخالف صفر است. برای پیوندهای قطبی بزرگی گشتاور دوقطبی پیوند بیانگر مقدار قطبیت پیوند است. با افزایش گشتاور دوقطبی پیوند پیوند قطبی­تر محسوب می­شود. هر دو عامل مقدار بارهای جزئی و طول پیوند در بزرگی گشتاور دوقطبی پیوند موثرند، اما معمولاً عامل مقدار بارهای جزئی یا اختلاف الکترونگاتیویته­ی دو اتم تشکیل­دهنده­ی پیوند در بزرگی گشتاور دوقطبی پیوند مهمتر است.

واحد گشتاور دوقطبی در SI کولن­متر است. برای بیان گشتاور دوقطبی پیوندها و مولکول­ها از واحد کوچکتر دبای (که با D نشان داده می شود) استفاده می شود که یک دبای برابر سه ممیز سی و چهار در ده به توان منفی سی کولن متر است. بعنوان مثال گشتاور دو قطبی پیوندهای HF,HCl,HBr,HI به ترتیب برابر 1.83,1.11,0.83,0.45 دبای هستند.

برای مولکولها نیز گشتاور دوقطبی میتوان در نظر گرفت. گشتاور دوقطبی یک مولکول با جمع برداری گشتاور دوقطبی تمامی پیوندهای آن و گاهی اوقات جفت­های غیرپیوندی به­دست می­آید. اگر گشتاور دوقطبی مولکول برابر صفر باشد، مولکول غیرقطبی و اگر گشتاور دوقطبی مولکول غیرصفر باشد، مولکول قطبی است. مثالهای در ادامه آمده را در نظر بگیرید.

در مولکول BeF2 دو پیوند BeF یکسان با زاویه 180 درجه و گشتاور دوقطبی پیوند برابر داریم که جمع برداری دو بردار هم اندازه با زاویه 180 درجه نسبت بهم صفر می شود. بنابراین گشتاور دوقطبی مولکول برابر صفر است و مولکول BeF2 یک مولکول غیر قطبی است.

همانطور که مثال قبلی نشان میدهد یک مولکول ممکن است پیوندهای قطبی داشته باشد، اما غیرقطبی باشد. در مولکول BF3 سه پیوند BF یکسان با زاویه 120 درجه و گشتاور دوقطبی پیوند برابر داریم که جمع برداری سه بردار هم اندازه با زاویه 120 درجه نسبت بهم صفر می شود. بنابراین گشتاور دوقطبی مولکول برابر صفر است و مولکول BF3 یک مولکول غیر قطبی است.

در مولکول H2O دو پیوند OH یکسان با زاویه 104.5 درجه و گشتاور دوقطبی پیوند برابر داریم که جمع برداری دو بردار هم اندازه با زاویه 104.5 درجه نسبت بهم صفر نمی شود. بنابراین گشتاور دوقطبی مولکول برابر غیر صفر است و مولکول H2O یک مولکول قطبی است. گشتاور دوقطبی این مولکول از آزمایش های تجربی برابر 1.85D بدست می آید. با توجه به الکتونگاتیویته بیشتر اکسیژن در مقایسه با هیدروژن، سر منفی این مولکول بر روی اتم اکسیژن و سر مثبت آن در وسط دو اتم هیدروژن قرار دارد.

جفت­های غیرپیوندی روی اتمها را می توان دو قطبی الکتریکی در نظر گرفت که هسته اتم سر مثبت آن و جفت­ غیرپیوندی سر منفی آن است. بنابراین می توان برای جفت­های غیرپیوندی نیز گشتاور دو قطبی در نظر گرفت. گاهی اوقات در تعیین گشتاور دوقطبی یک مولکول بایستی در جمع برداری، گشتاور دو قطبی مربوط به جفت­های غیرپیوندی را در کنار گشتاور دوقطبی تمامی پیوندها در نظر گرفت.