لماذا تتحد الذرات مع بعضها البعض لتشكيل الجزيئات؟ ما هو سبب الوجود المحتمل للمواد ، والتي تشمل ذرات عناصر كيميائية مختلفة تمامًا؟ هذه قضايا عالمية تؤثر على المفاهيم الأساسية للعلوم الفيزيائية والكيميائية الحديثة. يمكنك الإجابة عليها ، مع وجود فكرة عن التركيب الإلكتروني للذرات ومعرفة خصائص الرابطة التساهمية ، وهي الأساس الأساسي لمعظم فئات المركبات. الغرض من مقالنا هو التعرف على آليات تكوين أنواع مختلفة من الروابط الكيميائية وخصائص خواص المركبات التي تحتويها في جزيئاتها.
الهيكل الإلكتروني للذرة
الجسيمات المحايدة كهربائياً للمادة ، وهي عناصرها الهيكلية ، لها هيكل يعكس بنية النظام الشمسي. بينما تدور الكواكب حول النجم المركزي - الشمس ، لذلك تتحرك الإلكترونات في الذرة حول النواة الموجبة الشحنة. لتميزفي الرابطة التساهمية ، ستكون الإلكترونات الموجودة عند مستوى الطاقة الأخير والأبعد عن النواة مهمة. نظرًا لأن ارتباطهم بمركز ذراتهم ضئيل جدًا ، فيمكن جذبهم بسهولة بواسطة نوى الذرات الأخرى. هذا مهم جدًا لحدوث تفاعلات بين الذرات تؤدي إلى تكوين الجزيئات. لماذا الشكل الجزيئي هو النوع الرئيسي لوجود المادة على كوكبنا؟ هيا نكتشف.
الخاصية الأساسية للذرات
قدرة الجسيمات المحايدة كهربائيًا على التفاعل ، مما يؤدي إلى زيادة الطاقة ، هي أهم ميزة لها. في الواقع ، في ظل الظروف العادية ، تكون الحالة الجزيئية للمادة أكثر استقرارًا من الحالة الذرية. تشرح الأحكام الرئيسية للنظرية الذرية والجزيئية الحديثة كلا من مبادئ تكوين الجزيئات وخصائص الرابطة التساهمية. تذكر أن مستوى الطاقة الخارجية للذرة يمكن أن يحتوي من 1 إلى 8 إلكترونات ، وفي الحالة الأخيرة ستكون الطبقة كاملة ، مما يعني أنها ستكون مستقرة جدًا. ذرات الغازات النبيلة لها هيكل المستوى الخارجي: الأرجون ، الكريبتون ، الزينون - عناصر خاملة تكمل كل فترة في نظام دي آي مينديليف. الاستثناء هنا هو الهيليوم ، الذي لا يحتوي على 8 إلكترونين ، بل إلكترونين فقط في المستوى الأخير. السبب بسيط: في الفترة الأولى ، لم يكن هناك سوى عنصرين تحتوي ذراتهما على طبقة إلكترونية واحدة. تحتوي جميع العناصر الكيميائية الأخرى من 1 إلى 7 إلكترونات في الطبقة الأخيرة غير المكتملة. في عملية التفاعل مع بعضها البعض ، سوف الذراتنسعى جاهدين لملء إلكترونات تصل إلى ثماني بتات واستعادة تكوين ذرة عنصر خامل. يمكن تحقيق مثل هذه الحالة بطريقتين: عن طريق خسارة المرء لذاته أو بقبول جسيمات أجنبية سالبة الشحنة. تشرح أشكال التفاعل هذه كيفية تحديد ما إذا كانت الرابطة الأيونية أو التساهمية ستتشكل بين الذرات المتفاعلة.
آليات تشكيل تكوين إلكتروني مستقر
لنتخيل أن مادتين بسيطتين تدخلان في تفاعل المركب: الصوديوم المعدني والكلور الغازي. تتكون مادة من فئة الأملاح - كلوريد الصوديوم. لها نوع أيوني من الرابطة الكيميائية. لماذا وكيف حدث ذلك؟ دعونا ننتقل مرة أخرى إلى بنية ذرات المواد الأولية. يحتوي الصوديوم على إلكترون واحد فقط في الطبقة الأخيرة ، وهو مرتبط بشكل ضعيف بالنواة بسبب نصف قطر الذرة الكبير. طاقة التأين لجميع المعادن القلوية ، والتي تشمل الصوديوم ، منخفضة. لذلك ، فإن إلكترون المستوى الخارجي يترك مستوى الطاقة ، وينجذب بواسطة نواة ذرة الكلور ويبقى في فضاءه. هذا يخلق سابقة لانتقال ذرة الكلور إلى شكل أيون سالب الشحنة. الآن لم نعد نتعامل مع الجسيمات المحايدة كهربائيًا ، ولكن مع كاتيونات الصوديوم المشحونة وأنيونات الكلور. وفقًا لقوانين الفيزياء ، تنشأ قوى الجذب الكهروستاتيكي بينهما ، ويشكل المركب شبكة بلورية أيونية. ستساعد آلية تكوين النوع الأيوني للرابطة الكيميائية التي نأخذها في الاعتبار في توضيح المواصفات والخصائص الرئيسية للرابطة التساهمية بشكل أكثر وضوحًا.
أزواج الإلكترون المشتركة
إذا حدثت رابطة أيونية بين ذرات عناصر مختلفة تمامًا في الكهربية ، أي المعادن وغير المعدنية ، فإن النوع التساهمي يظهر عندما تتفاعل ذرات من نفس العناصر غير المعدنية أو عناصر مختلفة. في الحالة الأولى ، من المعتاد التحدث عن غير قطبي ، وفي الحالة الأخرى ، عن الشكل القطبي للرابطة التساهمية. آلية تكوينها شائعة: كل ذرة تعطي جزئيًا إلكترونات للاستخدام الشائع ، والتي يتم دمجها في أزواج. لكن الترتيب المكاني لأزواج الإلكترونات بالنسبة لنواة الذرات سيكون مختلفًا. على هذا الأساس ، يتم تمييز أنواع الروابط التساهمية - غير القطبية والقطبية. في أغلب الأحيان ، في المركبات الكيميائية التي تتكون من ذرات العناصر غير المعدنية ، توجد أزواج تتكون من إلكترونات ذات دوران متعاكس ، أي تدور حول نواتها في اتجاهين متعاكسين. نظرًا لأن حركة الجسيمات سالبة الشحنة في الفضاء تؤدي إلى تكوين غيوم إلكترونية ، والتي تنتهي في النهاية بتداخلها المتبادل. ما هي نتائج هذه العملية على الذرات وماذا تؤدي؟
الخصائص الفيزيائية للرابطة التساهمية
اتضح أنه بين مركزي ذرتين متفاعلتين توجد سحابة من إلكترونين بكثافة عالية. تزداد قوى الجذب الكهروستاتيكية بين السحابة السالبة الشحنة نفسها ونواة الذرات. يتم إطلاق جزء من الطاقة وتقل المسافات بين المراكز الذرية. على سبيل المثال ، في بداية تكوين الجزيء H2المسافة بين نوى ذرات الهيدروجينهي 1.06 أ ، بعد تداخل السحب وتكوين زوج إلكترون مشترك - 0.74 أ. يمكن العثور على أمثلة على الرابطة التساهمية التي تشكلت وفقًا للآلية المذكورة أعلاه بين المواد غير العضوية البسيطة والمعقدة. السمة المميزة الرئيسية لها هي وجود أزواج إلكترونية مشتركة. نتيجة لذلك ، بعد ظهور الرابطة التساهمية بين الذرات ، على سبيل المثال ، الهيدروجين ، يكتسب كل منها التكوين الإلكتروني للهيليوم الخامل ، والجزيء الناتج له بنية مستقرة.
الشكل المكاني للجزيء
خاصية مادية أخرى مهمة جدًا للرابطة التساهمية هي الاتجاهية. يعتمد ذلك على التكوين المكاني لجزيء المادة. على سبيل المثال ، عندما يتداخل إلكترونان مع سحابة كروية ، يكون مظهر الجزيء خطيًا (كلوريد الهيدروجين أو بروميد الهيدروجين). شكل جزيئات الماء ، حيث يتم تهجين الغيوم s و p ، هو زاوية ، وجزيئات النيتروجين الغازية شديدة القوة تبدو كهرم.
هيكل المواد البسيطة - اللافلزات
بعد معرفة نوع السندات التي يطلق عليها التساهمية ، وما هي علاماتها ، فقد حان الوقت الآن للتعامل مع أنواعها المختلفة. إذا تفاعلت ذرات من نفس المواد غير المعدنية - الكلور ، والنيتروجين ، والأكسجين ، والبروم ، وما إلى ذلك ، مع بعضها البعض ، عندئذٍ تتشكل المواد البسيطة المقابلة. تقع أزواجهم الإلكترونية المشتركة على نفس المسافة من مراكز الذرات ، دون تغيير. بالنسبة للمركبات ذات النوع غير القطبي من الرابطة التساهمية ، فإن الميزات التالية متأصلة: نقاط غليان منخفضة وذوبان ، عدم الذوبان في الماء ، خصائص عازلة. بعد ذلك ، سنكتشف المواد التي تتميز بالرابطة التساهمية ، والتي يحدث فيها تحول في أزواج الإلكترونات الشائعة.
الكهربية وتأثيرها على نوع الرابطة الكيميائية
خاصية عنصر معين لجذب الإلكترونات من ذرة عنصر آخر في الكيمياء تسمى الكهربية. يمكن العثور على مقياس قيم هذه المعلمة ، الذي اقترحه L. Puling ، في جميع الكتب المدرسية حول الكيمياء غير العضوية والعامة. أعلى قيمة لها - 4.1 فولت - تحتوي على الفلور ، والأصغر - غير فلزات نشطة أخرى ، وأدنى مؤشر نموذجي للمعادن القلوية. إذا تفاعلت العناصر المختلفة في سلبيتها الكهربية مع بعضها البعض ، فمن المؤكد أن عنصرًا واحدًا أكثر نشاطًا سوف يجذب الجسيمات المشحونة سالبًا من ذرة عنصر أكثر سلبية إلى نواتها. وبالتالي ، فإن الخصائص الفيزيائية للرابطة التساهمية تعتمد بشكل مباشر على قدرة العناصر على التبرع بالإلكترونات للاستخدام الشائع. لم تعد الأزواج المشتركة الناتجة موجودة بشكل متماثل فيما يتعلق بالنواة ، ولكن يتم إزاحتها نحو العنصر الأكثر نشاطًا.
ميزات المركبات ذات الرابطة القطبية
المواد الموجودة في الجزيئات التي تكون أزواج الإلكترون المشتركة منها غير متماثلة فيما يتعلق بنوى الذرات تشمل هاليدات الهيدروجين ، والأحماض ، ومركبات كالكوجين مع أكاسيد الهيدروجين والحمض. هذه هي أحماض الكبريتات والنترات وأكاسيد الكبريت والفوسفور وكبريتيد الهيدروجين وما إلى ذلك ، على سبيل المثال ، يحتوي جزيء كلوريد الهيدروجين على زوج إلكترون مشترك واحد ،تتكون من إلكترونات غير مقترنة من الهيدروجين والكلور. يتم إزاحته بالقرب من مركز Cl atom ، وهو عنصر كهرسلبي أكثر. تتفكك جميع المواد ذات الرابطة القطبية في المحاليل المائية إلى أيونات وتجري تيارًا كهربائيًا. المركبات التي لها رابطة تساهمية قطبية ، والتي قدمنا أمثلة عنها ، لها أيضًا نقاط انصهار وغليان أعلى مقارنة بالمواد غير المعدنية البسيطة.
طرق لكسر الروابط الكيميائية
في الكيمياء العضوية ، تتبع تفاعلات الاستبدال للهيدروكربونات المشبعة بالهالوجينات آلية جذرية. يتفاعل مزيج من الميثان والكلور في الضوء وعند درجة الحرارة العادية بطريقة تبدأ جزيئات الكلور في الانقسام إلى جسيمات تحمل إلكترونات غير متزاوجة. بمعنى آخر ، لوحظ تدمير زوج الإلكترون المشترك وتشكيل الجذور النشطة جدًا -Cl. إنهم قادرون على التأثير على جزيئات الميثان بطريقة تؤدي إلى كسر الرابطة التساهمية بين ذرات الكربون والهيدروجين. يتكون الجسيم النشط –H ، ويأخذ التكافؤ الحر لذرة الكربون شق الكلور ، ويصبح الكلوروميثان المنتج الأول للتفاعل. تسمى هذه الآلية لتقسيم الجزيئات بالتحلل المتماثل. إذا كان الزوج المشترك من الإلكترونات يمر تمامًا بامتلاك إحدى الذرات ، فإنهم يتحدثون عن آلية انحلال غير متجانس مميزة للتفاعلات التي تحدث في المحاليل المائية. في هذه الحالة ، ستزيد جزيئات الماء القطبية من معدل تدمير الروابط الكيميائية للمركب الذائب.
مزدوج وثلاثيالروابط
الغالبية العظمى من المواد العضوية وبعض المركبات غير العضوية تحتوي في جزيئاتها على عدة أزواج إلكترونية مشتركة. إن تعدد الرابطة التساهمية يقلل المسافة بين الذرات ويزيد من ثبات المركبات. وعادة ما يشار إليها على أنها مقاومة كيميائيا. على سبيل المثال ، يوجد في جزيء النيتروجين ثلاثة أزواج من الإلكترونات ، يشار إليها في الصيغة الهيكلية بثلاث شرطات وتحدد قوتها. مادة النيتروجين البسيطة خاملة كيميائيًا ويمكن أن تتفاعل مع مركبات أخرى ، مثل الهيدروجين أو الأكسجين أو المعادن ، فقط عند تسخينها أو عند ضغط مرتفع ، وكذلك في وجود محفزات.
الروابط المزدوجة والثلاثية متأصلة في فئات المركبات العضوية مثل هيدروكربونات الدين غير المشبعة ، وكذلك مواد سلسلة الإيثيلين أو الأسيتيلين. تحدد الروابط المتعددة الخصائص الكيميائية الرئيسية: تفاعلات الإضافة والبلمرة التي تحدث عند نقاط تكسيرها.
في مقالتنا ، قدمنا وصفًا عامًا للرابطة التساهمية وفحصنا أنواعها الرئيسية.
