محتویات:
نظریهی همپوشانی اوربیتالهای اتمی
برای پرش به مطلب مربوط به هر عنوان، بر روی آن عنوان در قسمت بالا کلیک کنید.
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.