الرابطة الكيميائية: تعريفها وأنواعها وتصنيفها وخصائصها

2024 مؤلف: Angel Austin | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-17 05:16

لمفهوم الرابطة الكيميائية أهمية كبيرة في مختلف مجالات الكيمياء كعلم. هذا يرجع إلى حقيقة أنه بفضل مساعدتها ، يمكن للذرات الفردية أن تتحد في جزيئات ، وتشكل جميع أنواع المواد ، والتي بدورها تخضع للبحث الكيميائي.

يرتبط تنوع الذرات والجزيئات بظهور أنواع مختلفة من الروابط بينها. تتميز الفئات المختلفة من الجزيئات بخصائصها الخاصة لتوزيع الإلكترونات ، وبالتالي أنواع الروابط الخاصة بها.

مفاهيم أساسية

الرابطة الكيميائية عبارة عن مجموعة من التفاعلات التي تؤدي إلى ارتباط الذرات لتكوين جزيئات مستقرة ذات بنية أكثر تعقيدًا (جزيئات ، أيونات ، جذور) ، وكذلك تكتلات (بلورات ، نظارات ، إلخ). إن طبيعة هذه التفاعلات كهربائية بطبيعتها ، وهي تنشأ أثناء توزع إلكترونات التكافؤ في اقتراب الذرات.

التكافؤ يسمى عادة قدرة الذرة على تكوين عدد معين من الروابط مع الذرات الأخرى. في المركبات الأيونية ، يتم أخذ عدد الإلكترونات المعطاة أو المتصلة كقيمة التكافؤ. فيفي المركبات التساهمية ، فإنه يساوي عدد أزواج الإلكترون الشائعة.

تُفهم حالة الأكسدة على أنها الشحنة الشرطية التي يمكن أن تكون على ذرة إذا كانت جميع الروابط التساهمية القطبية أيونية.

تعدد الروابط هو عدد أزواج الإلكترون المشتركة بين الذرات المدروسة.

الروابط المدروسة في مختلف فروع الكيمياء يمكن تقسيمها إلى نوعين من الروابط الكيميائية: تلك التي تؤدي إلى تكوين مواد جديدة (داخل الجزيئية) ، وتلك التي تنشأ بين الجزيئات (بين الجزيئات).

خصائص الاتصال الأساسية

طاقة الربط هي الطاقة المطلوبة لكسر جميع الروابط الموجودة في الجزيء. إنها أيضًا الطاقة المنبعثة أثناء تكوين الرابطة.

طول الرابطة هو المسافة بين النوى المتجاورة للذرات في الجزيء ، حيث تكون قوى الجذب والتنافر متوازنة.

هاتان السمتان للرابطة الكيميائية للذرات هي مقياس لقوتها: كلما كان الطول أقصر وزادت الطاقة ، كانت الرابطة أقوى.

زاوية الرابطة تسمى عادة الزاوية بين الخطوط الممثلة التي تمر في اتجاه الترابط عبر نوى الذرات.

طرق لوصف الروابط

الطريقتان الأكثر شيوعًا لشرح الرابطة الكيميائية المستعارة من ميكانيكا الكم:

طريقة المدارات الجزيئية. يعتبر الجزيء مجموعة من الإلكترونات ونواة الذرات ، حيث يتحرك كل إلكترون فردي في مجال عمل جميع الإلكترونات والنواة الأخرى.للجزيء هيكل مداري ، وجميع إلكتروناته موزعة على طول هذه المدارات. أيضا ، هذه الطريقة تسمى MO LCAO ، والتي تعني "المدار الجزيئي - مزيج خطي من المدارات الذرية".

طريقة سندات التكافؤ. يمثل الجزيء كنظام من مدارات جزيئية مركزية. علاوة على ذلك ، كل منها يتوافق مع رابطة واحدة بين ذرتين متجاورتين في الجزيء. تعتمد الطريقة على الأحكام التالية:

1. يتم تكوين رابطة كيميائية بواسطة زوج من الإلكترونات ذات الدورات المعاكسة ، والتي تقع بين الذرتين المعتبرين. ينتمي زوج الإلكترون المشكل إلى ذرتين متساويتين
2. عدد الروابط المكونة من ذرة أو أخرى يساوي عدد الإلكترونات غير المزاوجة في الأرض والحالة المثارة.
3. إذا لم تشارك أزواج الإلكترون في تكوين رابطة ، فيُطلق عليها أزواج وحيدة.

الكهربية

من الممكن تحديد نوع الرابطة الكيميائية في المواد بناءً على الاختلاف في قيم الكهربية للذرات المكونة لها. تُفهم الكهربية على أنها قدرة الذرات على جذب أزواج إلكترونية مشتركة (سحابة إلكترونية) ، مما يؤدي إلى استقطاب السندات.

هناك طرق مختلفة لتحديد قيم الكهربية للعناصر الكيميائية. ومع ذلك ، فإن الأكثر شيوعًا هو المقياس الذي يعتمد على البيانات الديناميكية الحرارية ، والذي تم اقتراحه في عام 1932 من قبل L. Puling.

كلما زاد الاختلاف في الكهربية للذرات ، زادت وضوح أيونيتها. على العكس من ذلك ، تشير قيم الكهربية المتساوية أو القريبة إلى الطبيعة التساهمية للرابطة. بمعنى آخر ، من الممكن تحديد الرابطة الكيميائية التي يتم ملاحظتها في جزيء معين رياضياً. للقيام بذلك ، تحتاج إلى حساب ΔX - الفرق في الكهربية للذرات وفقًا للصيغة: ΔX=| X₁-X₂|.

• إذا كانت >1، 7 ، فإن الرابطة تكون أيونية.
• إذا كانت 0.5 ≦ ΔХ ≦ 1.7 ، فإن الرابطة التساهمية تكون قطبية.
• إذا كانت=0 أو قريبة منها ، فإن الرابطة تكون تساهمية غير قطبية.

الرابطة الأيونية

Ionic عبارة عن رابطة تظهر بين الأيونات أو بسبب الانسحاب الكامل لزوج إلكترون مشترك بواسطة إحدى الذرات. في المواد ، يتم تنفيذ هذا النوع من الترابط الكيميائي بواسطة قوى الجذب الكهروستاتيكي.

الأيونات هي جسيمات مشحونة تتشكل من الذرات نتيجة اكتساب أو فقدان الإلكترونات. عندما تقبل الذرة الإلكترونات ، فإنها تكتسب شحنة سالبة وتصبح أنيون. إذا تبرعت ذرة بإلكترونات التكافؤ ، فإنها تصبح جسيمًا موجب الشحنة يسمى الكاتيون.

هي خاصية مميزة للمركبات المكونة من تفاعل ذرات معادن نموذجية مع ذرات غير فلزية نموذجية. أساس هذه العملية هو تطلع الذرات للحصول على تكوينات إلكترونية مستقرة. ولهذا السبب ، تحتاج المعادن العادية وغير الفلزات إلى إعطاء أو قبول 1-2 إلكترون فقط ،وهو ما يفعلونه بكل سهولة.

آلية تكوين رابطة كيميائية أيونية في جزيء يتم النظر فيها تقليديًا باستخدام مثال تفاعل الصوديوم والكلور. تتبرع ذرات المعدن القلوي بسهولة بإلكترون يتم سحبه بواسطة ذرة هالوجين. والنتيجة هي Na⁺كاتيون و Cl^-أنيون ، والتي يتم تجميعها معًا بواسطة الجذب الكهروستاتيكي.

لا توجد رابطة أيونية مثالية. حتى في مثل هذه المركبات ، والتي يشار إليها غالبًا باسم الأيونية ، لا يحدث النقل النهائي للإلكترونات من ذرة إلى ذرة. لا يزال زوج الإلكترون المشكل شائع الاستخدام. لذلك ، يتحدثون عن درجة الأيونية للرابطة التساهمية.

يتميز الترابط الأيوني بخاصيتين رئيسيتين مرتبطتين ببعضهما البعض:

• غير اتجاهي ، أي أن المجال الكهربائي حول الأيون له شكل كرة ؛
• عدم التشبع ، أي عدد الأيونات المشحونة عكسيا التي يمكن وضعها حول أي أيون ، يتحدد بحجمها.

رابطة كيميائية تساهمية

الرابطة التي تشكلت عندما تتداخل السحب الإلكترونية للذرات غير المعدنية ، أي التي ينفذها زوج إلكترون مشترك ، تسمى الرابطة التساهمية. يحدد عدد أزواج الإلكترونات المشتركة تعدد الرابطة. وهكذا ، ترتبط ذرات الهيدروجين برابطة H ··· H مفردة ، وتشكل ذرات الأكسجين رابطة مزدوجة O:: O.

هناك آليتان لتشكيله:

• التبادل - تمثل كل ذرة إلكترونًا واحدًا لتشكيل زوج مشترك: A +B=A: B ، بينما يتضمن الاتصال مدارات ذرية خارجية ، يقع عليها إلكترون واحد.
• المتبرع - المتقبل - لتكوين رابطة ، توفر إحدى الذرات (المتبرع) زوجًا من الإلكترونات ، والثانية (متقبل) - مدارًا مجانيًا لوضعها: أ +: ب=أ: ب.

الطرق التي تتداخل بها السحب الإلكترونية عند تكوين رابطة كيميائية تساهمية مختلفة أيضًا.

1. مباشر. تقع منطقة تداخل السحابة على خط وهمي مستقيم يربط نوى الذرات المدروسة. في هذه الحالة ، تتشكل روابط σ. يعتمد نوع الرابطة الكيميائية التي تحدث في هذه الحالة على نوع السحب الإلكترونية التي تمر بالتداخل: روابط s-s أو s-p أو p-p أو s-d أو p-d σ-bond. في الجسيم (جزيء أو أيون) ، يمكن أن تحدث رابطة σ واحدة فقط بين ذرتين متجاورتين.
2. الجانب. يتم إجراؤه على جانبي الخط الذي يربط نوى الذرات. هذه هي الطريقة التي يتم بها تكوين الرابطة π ، كما يمكن استخدام أنواعها المختلفة: p-p ، p-d ، d-d. منفصلة عن الرابطة σ ، لا تتشكل الرابطة π أبدًا ؛ يمكن أن تكون في جزيئات تحتوي على روابط متعددة (مزدوجة وثلاثية).

خصائص الرابطة التساهمية

يحددون الخصائص الكيميائية والفيزيائية للمركبات. الخصائص الرئيسية لأي رابطة كيميائية في المواد هي الاتجاهية والقطبية والاستقطاب ، وكذلك التشبع.

يحدد اتجاه الرابطة ميزات الجزيءبنية المواد والشكل الهندسي لجزيئاتها. يكمن جوهرها في حقيقة أن أفضل تداخل لسحب الإلكترون ممكن مع اتجاه معين في الفضاء. تم بالفعل النظر في خيارات تكوين سندات-و أعلاه.

يُفهم التشبع على أنه قدرة الذرات على تكوين عدد معين من الروابط الكيميائية في الجزيء. عدد الروابط التساهمية لكل ذرة محدود بعدد المدارات الخارجية

تعتمد قطبية الرابطة على الاختلاف في قيم الكهربية للذرات. يحدد توحيد توزيع الإلكترونات بين نوى الذرات. يمكن أن تكون الرابطة التساهمية على هذا الأساس قطبية أو غير قطبية.

• إذا كان زوج الإلكترون المشترك ينتمي بالتساوي إلى كل ذرة ويقع على نفس المسافة من نواتها ، فإن الرابطة التساهمية تكون غير قطبية.
• إذا تم إزاحة زوج الإلكترونات الشائع إلى نواة إحدى الذرات ، فسيتم تكوين رابطة كيميائية تساهمية قطبية.

يتم التعبير عن قابلية الاستقطاب من خلال إزاحة إلكترونات الرابطة تحت تأثير مجال كهربائي خارجي ، والتي قد تنتمي إلى جسيم آخر ، أو روابط مجاورة في نفس الجزيء ، أو تأتي من مصادر خارجية للمجالات الكهرومغناطيسية. لذا فإن الرابطة التساهمية تحت تأثيرها يمكن أن تغير قطبيتها

في ظل تهجين المدارات ، فهم التغيير في أشكالها في تنفيذ رابطة كيميائية. هذا ضروري لتحقيق التداخل الأكثر فعالية. هناك أنواع التهجين التالية:

• sp³. واحد s- وثلاثة مدارات p تشكل أربعةمدارات "هجينة" من نفس الشكل. ظاهريًا ، يشبه رباعي السطوح بزاوية بين محاور 109 درجة.
• sp². واحد s- واثنان من المدارات p تشكل مثلثًا مسطحًا بزاوية بين محاور 120 درجة.
• س. يشكل مدار واحد s- وواحد p مداريان "هجينان" بزاوية بين محوريهما 180 درجة.

رابطة معدنية

سمة من سمات بنية ذرات المعدن هو نصف قطر كبير إلى حد ما ووجود عدد صغير من الإلكترونات في المدارات الخارجية. نتيجة لذلك ، في مثل هذه العناصر الكيميائية ، تكون الرابطة بين النواة وإلكترونات التكافؤ ضعيفة نسبيًا ويمكن كسرها بسهولة.

الرابطة المعدنية عبارة عن تفاعل بين أيونات ذرات المعادن ، والذي يتم تنفيذه بمساعدة الإلكترونات غير الموضعية.

في الجسيمات المعدنية ، يمكن لإلكترونات التكافؤ ترك المدارات الخارجية بسهولة ، وكذلك احتلال أماكن شاغرة عليها. وهكذا ، في أوقات مختلفة ، يمكن أن يكون الجسيم نفسه ذرة وأيونًا. تتحرك الإلكترونات التي انفصلت عنها بحرية عبر الحجم الكامل للشبكة البلورية وتقوم برابطة كيميائية.

هذا النوع من الروابط له أوجه تشابه مع الأيونية والتساهمية. بالإضافة إلى الأيونات ، فإن الأيونات ضرورية لوجود رابطة معدنية. ولكن إذا كانت هناك حاجة إلى الكاتيونات والأنيونات لتنفيذ التفاعل الكهروستاتيكي في الحالة الأولى ، ففي الحالة الثانية ، تلعب الإلكترونات دور الجسيمات السالبة الشحنة. إذا قارنا رابطة معدنية برابطة تساهمية ، فإن تكوين كلاهما يتطلب إلكترونات مشتركة. ومع ذلك، فيعلى عكس الرابطة الكيميائية القطبية ، فهي ليست موضعية بين ذرتين ، ولكنها تنتمي إلى جميع الجسيمات المعدنية في الشبكة البلورية.

الروابط المعدنية مسؤولة عن الخصائص الخاصة لجميع المعادن تقريبًا:

• اللدونة ، موجودة بسبب إمكانية إزاحة طبقات الذرات في الشبكة البلورية التي يحتفظ بها غاز الإلكترون ؛
• بريق معدني ، والذي يتم ملاحظته بسبب انعكاس أشعة الضوء من الإلكترونات (في حالة المسحوق لا توجد شبكة بلورية ، وبالتالي تتحرك الإلكترونات على طولها) ؛
• الموصلية الكهربائية ، والتي تتم بواسطة تيار من الجسيمات المشحونة ، وفي هذه الحالة تتحرك الإلكترونات الصغيرة بحرية بين أيونات المعادن الكبيرة ؛
• الموصلية الحرارية ، لوحظ بسبب قدرة الإلكترونات على نقل الحرارة.

رابطة الهيدروجين

يسمى هذا النوع من الروابط الكيميائية أحيانًا الوسيط بين التفاعل التساهمي والجزيئي. إذا كانت ذرة الهيدروجين مرتبطة بأحد العناصر الكهربية بقوة (مثل الفوسفور والأكسجين والكلور والنيتروجين) ، فإنها تكون قادرة على تكوين رابطة إضافية تسمى الهيدروجين.

أضعف بكثير من جميع أنواع الروابط المذكورة أعلاه (الطاقة لا تزيد عن 40 كيلو جول / مول) ، لكن لا يمكن إهمالها. هذا هو السبب في أن الرابطة الكيميائية للهيدروجين في الرسم البياني تبدو وكأنها خط منقط.

من الممكن حدوث رابطة هيدروجينية بسبب التفاعل الكهروستاتيكي بين المتبرع والمتلقي في نفس الوقت. اختلاف كبير في القيمتؤدي السلبية الكهربية إلى ظهور كثافة إلكترون زائدة على الذرات O و N و F وغيرها ، فضلاً عن نقصها في ذرة الهيدروجين. في حالة عدم وجود رابطة كيميائية بين هذه الذرات ، يتم تنشيط القوى الجاذبة إذا كانت قريبة بدرجة كافية. في هذه الحالة ، يكون البروتون متقبلًا لزوج الإلكترون ، والذرة الثانية متبرعة.

يمكن أن يحدث الترابط الهيدروجيني بين الجزيئات المجاورة ، على سبيل المثال ، الماء ، والأحماض الكربوكسيلية ، والكحول ، والأمونيا ، وداخل الجزيء ، على سبيل المثال ، حمض الساليسيليك.

وجود رابطة هيدروجينية بين جزيئات الماء يفسر عددًا من خصائصه الفيزيائية الفريدة:

• يجب أن تكون قيم السعة الحرارية وثابت العزل الكهربائي ونقاط الغليان والانصهار ، وفقًا للحسابات ، أقل بكثير من القيم الحقيقية ، وهو ما يفسره ارتباط الجزيئات والحاجة إلى الإنفاق الطاقة لكسر روابط الهيدروجين بين الجزيئات.
• على عكس المواد الأخرى ، عندما تنخفض درجة الحرارة ، يزداد حجم الماء. هذا يرجع إلى حقيقة أن الجزيئات تحتل مكانًا معينًا في التركيب البلوري للجليد وتبتعد عن بعضها البعض بطول رابطة الهيدروجين.

يلعب هذا الارتباط دورًا خاصًا في الكائنات الحية ، حيث إن وجودها في جزيئات البروتين يحدد هيكلها الخاص ، وبالتالي خصائصها. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الأحماض النووية ، التي تشكل الحلزون المزدوج للحمض النووي ، ترتبط أيضًا بدقة بواسطة روابط الهيدروجين.

الاتصالات في البلورات

الغالبية العظمى من المواد الصلبة لها شبكة بلورية - خاصةالترتيب المتبادل للجسيمات التي تشكلها. في هذه الحالة ، يتم ملاحظة دورية ثلاثية الأبعاد ، وتقع الذرات أو الجزيئات أو الأيونات في العقد ، والتي ترتبط بخطوط وهمية. اعتمادًا على طبيعة هذه الجسيمات والروابط بينها ، تنقسم جميع الهياكل البلورية إلى ذرية وجزيئية وأيونية ومعدنية.

توجد الكاتيونات والأنيونات في عقد الشبكة البلورية الأيونية. علاوة على ذلك ، كل واحد منهم محاط بعدد محدد بدقة من الأيونات مع الشحنة المعاكسة فقط. مثال نموذجي هو كلوريد الصوديوم (NaCl). تميل لامتلاك نقاط انصهار عالية وصلابة لأنها تتطلب الكثير من الطاقة للكسر

توجد جزيئات المواد المكونة من رابطة تساهمية عند عقد الشبكة البلورية الجزيئية (على سبيل المثال ، I₂). إنهم متصلون ببعضهم البعض عن طريق تفاعل ضعيف لفان دير فال ، وبالتالي ، من السهل تدمير مثل هذا الهيكل. هذه المركبات لها نقاط غليان وانصهار منخفضة.

تتكون الشبكة البلورية الذرية من ذرات عناصر كيميائية ذات قيم تكافؤ عالية. ترتبط بواسطة روابط تساهمية قوية ، مما يعني أن المواد لها نقاط غليان عالية ونقاط انصهار وصلابة عالية. مثال على ذلك هو الماس.

وهكذا ، فإن جميع أنواع الروابط الموجودة في المواد الكيميائية لها خصائصها الخاصة ، والتي تفسر تعقيدات تفاعل الجزيئات في الجزيئات والمواد. تعتمد خصائص المركبات عليها. يحددون جميع العمليات التي تحدث في البيئة.