קשר כימי: מאפיינים, אופן היווצרותם, סוגים - כִּימִיָה - 2025

הקשר הכימי הוא הכוח אשר מצליח להחזיק יחד האטומים שמרכיבים משנה. לכל סוג של חומר יש קשר כימי אופייני, המורכב מהשתתפות של אלקטרונים אחד או יותר. לפיכך, הכוחות הקושרים אטומים בגזים שונים למשל מתכות.

כל האלמנטים בטבלה המחזורית (למעט הליום וגזי האצולה הקלים) יכולים ליצור קשרים כימיים זה עם זה. עם זאת, אופי אלה משתנה בהתאם לאילו אלמנטים האלקטרונים היוצרים אותם מגיעים. פרמטר חיוני כדי להסביר את סוג הקשרים הוא אלקטרוניות.

מקור: מאת Ymwang42 (שיחה). Ymwang42 ב- en.wikipedia, מתוך ויקישיתוף

ההבדל ביחס האלקטרוניטיבי (ΔE) בין שני אטומים מגדיר לא רק את סוג הקשר הכימי, אלא גם את התכונות הפיזיקו-כימיות של התרכובת. המלחים מאופיינים בכך שיש להם קשרים יוניים (גבוה ΔE), ולרבים מהתרכובות האורגניות, כמו ויטמין B ₁₂ (תמונה עליונה), יש קשרים קוולנטיים (נמוך ΔE).

במבנה המולקולרי הגבוה יותר, כל אחד מהקווים מייצג קשר קוולנטי. הטווחים מצביעים על כך שהקישור יוצא מהמטוס (לכיוון הקורא), והקו תחתון שמאחורי המטוס (הרחק מהקורא). שימו לב שיש קשרים כפולים (=) ואטום קובלט המתואם עם חמישה אטומי חנקן ושרשרת צדדית R.

אבל מדוע נוצרים קשרים כימיים כאלה? התשובה נעוצה ביציבות האנרגטית של האטומים והאלקטרונים המשתתפים. יציבות זו חייבת לאזן בין הדחיות האלקטרוסטטיות שחווים בין ענני אלקטרונים לגרעינים, לבין המשיכה שמפעילה גרעין על האלקטרונים של האטום השכן.

הגדרת הקשר הכימי

מחברים רבים נתנו הגדרות לקשר הכימי. מבין כולם, החשוב ביותר היה זה של הפיזיקוקימאי ג.נ. לואיס, שהגדיר את הקשר הכימי כהשתתפות זוג אלקטרונים בין שני אטומים. אם אטומים A · ו- · B יכולים לתרום אלקטרון בודד, אז הקשר היחיד A: B או A - B ייווצר ביניהם.

לפני היווצרות קשרים, A וגם B מופרדים על ידי מרחק בלתי מוגדר, אך במלכודת יש כעת כוח המחזיק אותם יחד בתרכובת הדיאטומית AB ובמרחק הקשר (או האורך).

מאפיינים

מקור: גבריאל בוליבר

מהם המאפיינים של כוח זה שמחזיק את האטומים יחד? אלה תלויים יותר בסוג הקישור בין A ל B מאשר במבנים האלקטרוניים שלהם. לדוגמה, קישור A - B הוא כיווני. מה זה אומר? שניתן לייצג את הכוח המופעל על ידי איחוד זוג האלקטרונים על ציר (כאילו היה גליל).

כמו כן, קשר זה דורש אנרגיה לשבירה. כמות זו של אנרגיה יכולה להתבטא ביחידות kJ / mol או cal / mol. לאחר שיופעל מספיק אנרגיה על מתחם AB (על ידי חום למשל), הוא יתנתק לאטומי A · ו- · B המקוריים.

ככל שהקשר יציב יותר, כך נדרש אנרגיה רבה יותר להפרדת האטומים המלוכדים.

מצד שני, אם הקשר בתרכובת AB היה יוני, A ⁺ B ^- , אז זה יהיה כוח לא כיווני. למה? מכיוון ש- A ⁺ מפעיל כוח אטרקטיבי על B ^- (ולהפך) שתלוי יותר במרחק שמפריד בין שני היונים במרחב מאשר במיקום היחסי שלהם.

שדה זה של משיכה ודחייה מפגיש יונים אחרים כדי ליצור את מה שמכונה הגבישי (תמונה עליונה: א ⁺ קטיון שקרים מוקפים ארבע B ^- אניונים , ואלה מוקפים ארבעה ⁺ קטיונים, וכן הלאה).

כיצד נוצרים קשרים כימיים?

תרכובות homonuclear AA

מקור: גבריאל בוליבר

כדי שזוג אלקטרונים יוצרים קשר יש דברים רבים שצריך לקחת בחשבון קודם. הגרעינים, אומרים אלה של A, הם בעלי פרוטונים ולכן הם חיוביים. כששני אטומי A מרוחקים זה מזה, כלומר במרחק פנימי גרעיני (תמונה עליונה), הם לא חווים שום משיכה.

כששני אטומי A מתקרבים לגרעינים שלהם, הם מושכים את ענן האלקטרונים של האטום השכן (העיגול הסגול). זהו כוח המשיכה (A על המעגל הסגול השכן). עם זאת, שני הגרעינים של A דוחים זה את זה מכיוון שהם חיוביים, וכוח זה מגדיל את האנרגיה הפוטנציאלית של הקשר (הציר האנכי).

יש מרחק בין-גרעיני בו האנרגיה הפוטנציאלית מגיעה למינימום; כלומר, גם הכוחות האטרקטיביים וגם הדוחים (שני אטומי A בחלק התחתון של התמונה) מאוזנים.

אם המרחק הזה פוחת לאחר נקודה זו, הקשר יגרום לשני הגרעינים להדוף זה את זה חזק מאוד, ויצער את יציבות תרכובת ה- AA.

אז כדי שהקשר ייווצר חייב להיות מרחק פנימי גרעיני מספיק אנרגטי; יתר על כן, האורביטלים האטומיים חייבים חופפים נכונה על מנת שהאלקטרונים יתקשרו.

תרכובות Heteronuclear AB

מה אם במקום שני אטומים של A, אחד של A והשני של B היו מצטרפים? במקרה זה, הגרף העליון ישתנה מכיוון שלאחד האטומים יהיו יותר פרוטונים מהשני, וענני האלקטרונים יהיו בגדלים שונים.

כאשר הקשר A-B נוצר במרחק הבין-גרעיני המתאים, זוג האלקטרונים יימצא בעיקר בסביבת האטום האלקטרוניטיבי ביותר. זה המקרה עם כל התרכובות הכימיות ההטרונוקלעוריות, המהוות את הרוב המכריע של אלו הידועים (ויהיו ידועים).

למרות שלא הוזכרו לעומק, ישנם מספר רב של משתנים המשפיעים ישירות על אופן ההתקרבות של האטומים וקשרים כימיים; חלקם תרמודינמיים (האם התגובה היא ספונטנית?), אלקטרוניים (כמה מלאים או ריקים האורביטלים של האטומים) ואחרים קינטיים.

סוגי קשרים כימיים

לקישורים יש סדרה של מאפיינים המבדילים אותם זה מזה. כמה מהם יכולים להיות ממוסגרים בשלוש סיווגים עיקריים: קוולנטים, יוניים או מתכתיים.

למרות שישנם תרכובות שקשריהם שייכים לסוג יחיד, רבים למעשה מורכבים מתערובת של תווים מכל אחד מהם. עובדה זו נובעת מההבדל ביחס האלקטרוניטיבי בין האטומים היוצרים את הקשרים. לפיכך, תרכובות מסוימות עשויות להיות קוולנטיות, אך בעלות אופי יוני בקשרים שלהם.

כמו כן, סוג הקשר, המבנה והמסה המולקולרית הם גורמים עיקריים המגדירים את התכונות המאקרוסקופיות של החומר (בהירות, קשיות, מסיסות, נקודת התכה וכו ').

- קשר קוולנטי

קשרים קוולנטים הם אלה שהוסברו עד כה. בתוכם, שני אורביטלים (אלקטרון אחד בכל אחד) חייבים חופפים עם הגרעינים המופרדים על ידי מרחק פנימי גרעיני מתאים.

על פי תורת המסלול המולקולרית (TOM), אם החפיפה של האורביטלים היא חזיתית, ייווצר קשר sigma σ (הנקרא גם קשר פשוט או פשוט). בעוד שאם האורביטלים נוצרים על ידי חפיפה לרוחב וניצב ביחס לציר הבין-גרעיני, יהיו לנו הקשרים π (כפולים ומשולשים):

מקור: גבריאל בוליבר

קישור פשוט

הקשר σ, כפי שניתן לראות בתמונה, נוצר לאורך הציר הבין-גרעיני. למרות שלא מוצג, A ו- B עשויים להיות בעלי קשרים אחרים, ולכן סביבות כימיות משלהם (חלקים שונים במבנה המולקולרי). קישור מסוג זה מאופיין בכוח הסיבוב שלו (צילינדר ירוק) ובהיותו החזק מכולם.

לדוגמא, הקשר היחיד במולקולת המימן יכול להסתובב סביב הציר הבין-גרעיני (H - H). באופן דומה, מולקולת CA - AB היפותטית יכולה.

הקישורים C - A, A - A ו- A - B מסתובבים; אבל אם C או B הם אטומים או קבוצה של אטומים מגושמים, סיבוב ה- A - מונע בצורה סטרלית (מכיוון ש- C ו- B יתנגשו).

קשרים בודדים נמצאים כמעט בכל המולקולות. האטומים שלו יכולים להיות כלכליים כימיים כל עוד החפיפה של האורביטלים שלהם היא חזיתית. בחזרה למבנה של ויטמין B ₁₂ , כל שורה יחידה (-) מציינת קשר בודד (לדוגמה, הקשרים –CONH ₂ ).

קישור כפול

קשר כפול מחייב את האטומים (בדרך כלל) sp ² בהכלאה . הקשר p הטהור, בניצב לשלושת האורביטלים ה- sp ² , מהווה את הקשר הכפול, המוצג כסדין אפרפר.

שימו לב כי גם הקשר היחיד (הצילינדר הירוק) וגם הקשר הכפול (היריעה האפורה) מתקיימים בו זמנית. עם זאת, בשונה מקשרים יחידים, לקשרים כפולים אין את אותו חופש סיבוב סביב הציר הבין-גרעיני. הסיבה לכך היא שכדי לסובב, הקישור (או הנייר כסף) צריך להישבר; תהליך שזקוק לאנרגיה.

כמו כן, הקשר A = B הוא תגובתי יותר מ- A - B. אורכו קצר יותר והאטומים A ו- B הם במרחק פנימי גרעיני קצר יותר; לכן יש דחייה גדולה יותר בין שני הגרעינים. שבירת הקשרים היחידים והכפולים דורשת יותר אנרגיה מכפי שנדרש כדי להפריד את האטומים במולקולת A - B.

במבנה של ויטמין B ₁₂ ניתן לראות כמה קשרים כפולים: C = O, P = O, ובתוך הטבעות הארומטיות.

קשר משולש

הקשר המשולש קצר אפילו יותר מהקשר הכפול וסיבובו מונע בצורה אנרגטית יותר. בתוכה נוצרים שני קשרי π בניצב זה לזה (היריעות האפרפרות והסגולות) וכן קשר יחיד.

בדרך כלל, ההכלאה הכימית של האטומים של A ו- B חייבת להיות sp: שני אורביטלים של sp בגודל של 180 מעלות זה מזה, ושני אורביטלים p טהורים בניצב לראשון. שימו לב כי קשר משולש נראה כמו משוט, אך ללא כוח סיבוב. ניתן לייצג קשר זה בפשטות A≡B (N≡N, מולקולת חנקן N ₂ ).

מבין כל הקשרים הקוואלנטיים, זה התגובה ביותר; אך יחד עם זאת זה שזקוק לאנרגיה רבה יותר להפרדה מוחלטת של האטומים שלו (· A: +: B ·). אם היה לוויטמין B ₁₂ קשר משולש בתוך המבנה המולקולרי שלו, ההשפעה הפרמקולוגית שלו הייתה משתנה באופן דרמטי.

שישה אלקטרונים משתתפים בקשרים משולשים; בדאבל, ארבעה אלקטרונים; ובפשוט או פשוט, שניים.

היווצרות של אחד או יותר מהקשרים הקווילנטיים הללו תלויה בזמינות האלקטרונית של האטומים; כלומר, כמה אלקטרונים צריכים האורביטלים שלהם כדי לרכוש שמונה אחת של ערכיות.

קשר לא קוטבי

קשר קוולנטי מורכב משיתוף שווה של זוג אלקטרונים בין שני אטומים. אבל זה נכון בהחלט רק במקרה שלשני האטומים יש אלקטרונטיביות שווה; כלומר אותה נטייה למשוך צפיפות אלקטרונים מסביבתה לתרכובת.

קשרים לא קוטביים מאופיינים בהבדל אלקטרונגטיביטי אפס (ΔE≈0). זה מתרחש בשני מצבים: במתחם הומונוקליארי (A ₂ ), או אם הסביבות הכימיות משני צידי הקשר שקולות (H ₃ C - CH ₃ , מולקולת אתן).

דוגמאות לקשרים שאינם קוטביים נראות בתרכובות הבאות:

הידרוגן (H - H)

-חמצן (O = O)

חנקן (N≡N)

-פלואור (F - F)

-כלורו (Cl - Cl)

-צטילן (HC≡CH)

קשרים קוטביים

כשיש הבדל ניכר ביחס האלקטרוניטיבי ΔE בין שני האטומים, נוצר רגע דיפול לאורך ציר הקשר: A ^{δ +} –B ^δ- . במקרה של המתחם ההטרוני-גרעיני AB, B הוא האטום האלקטרו-נגטיבי ביותר, ולכן יש לו צפיפות אלקטרונים גבוהה יותר δ-; בעוד של- A, הפחות אלקטרונגטיבי, יש חסר δ + טעינה.

כדי שקשרים קוטביים יתרחשו, צריכים להצטרף שני אטומים עם יכולות אלקטרוניות שונות; וכך, יוצרים תרכובות הטרוניות. A - B דומה למגנט: יש לו מוט חיובי ושלילי. זה מאפשר לו לתקשר עם מולקולות אחרות באמצעות כוחות דיפול-דיפול, ביניהם קשרי מימן.

למים שני קשרים קוולנטיים קוטביים, H - O - H, והגיאומטריה המולקולרית שלהם היא זוויתית, מה שמגדיל את רגע הדיפול שלו. אם הגיאומטריה שלה הייתה ליניארית, האוקיינוסים היו מתאדים והמים היו בעלי נקודת רתיחה נמוכה יותר.

העובדה שלמתחם יש קשרים קוטביים אין פירושו שהוא קוטבי . לדוגמא, לטטרכלוריד פחמן, CCl ₄ , יש ארבעה קשרי C-Cl קוטביים, אך בגלל הסידור הטטרהדרלי שלהם, בסופו של דבר מתבטל רגע הדיפול.

קישורי כניסה או תיאום

כאשר אטום מוותר על זוג אלקטרונים ליצירת קשר קוולנטי עם אטום אחר, אנו מדברים על קשר דאטיב או קואורדינציה. לדוגמא, בעל B: צמד האלקטרונים הזמין, ו- A (או A ⁺ ), מקום פנוי אלקטרוני, נוצר הקשר B: A.

במבנה של ויטמין B ₁₂ חמשת אטומי החנקן קשורים למרכז המתכת של Co דרך סוג זה של קשר קוולנטי. ניטרוגנים אלה מוותרים על זוג האלקטרונים החופשיים שלהם לקטיון Co ³⁺ , המתכת שמתאמת איתם (Co ³⁺ : N–)

דוגמא נוספת ניתן למצוא בפרוטונציה של מולקולת אמוניה ליצירת אמוניה:

H ₃ N: + H ⁺ => NH ₄ ⁺

שימו לב כי בשני המקרים אטום החנקן הוא זה שתורם את האלקטרונים; לפיכך, הקשר הקובליטיבי של התאריך או הקואורדינציה מתרחש כאשר אטום בלבד תורם את צמד האלקטרונים.

באותו אופן ניתן להגן על מולקולת המים ולהפוך לקטיון ההידרוניום (או האוקסוניום):

H ₂ O + H ⁺ => H ₃ O ⁺

שלא כמו קטיון האמוניום, להידרוניום יש עדיין זוג אלקטרונים חופשי (H ₃ O: ⁺ ); עם זאת, קשה מאוד לקבל פרוטון נוסף ליצירת הדיקציה ההידרוניום הבלתי יציבה, H ₄ O ²⁺ .

קשר איוני

מקור: Pixabay

בתמונה גבעה של מלח לבן. המלחים מאופיינים בכך שיש להם מבנים גבישיים, כלומר סימטריים ומסודרים; נקודות התכה ורתיחה גבוהות, מוליכות חשמלית גבוהה בעת ההיתוך או המסה, וכן, היונים שלה קשורים מאוד לאינטראקציות אלקטרוסטטיות.

אינטראקציות אלה מהוות את מה שמכונה הקשר היוני. בתמונה השנייה של A ⁺ קטיון מוקף ארבע B ^- אניונים הוצג , אך זהו ייצוג 2D. בשלושה ממדים, A ⁺ אמור להיות עם אניוני B אחרים ^- מול המטוס ומאחוריו ויוצרים מבנים שונים.

לפיכך, ל- A ⁺ יכולים להיות שישה, שמונה או אפילו שנים עשר שכנים. מספר השכנים המקיפים יון בגביש מכונה מספר התיאום (NC). לכל NC קשורה סוג של סידור גבישי המהווה בתורו שלב מוצק של המלח.

הגבישים הסימטריים והפנים הניתנים במלחים נובעים מהשיווי משקל שנקבע על ידי האינטראקציות האלקטרוסטטיות של משיכה (A ⁺ B ^- ) ודחייה (A ⁺ A ⁺ , B ^- B ^- ).

הַדְרָכָה

אבל מדוע A + ו- B ^- או Na ⁺ ו- Cl ^{- לא} יוצרים קשרים קוולנטיים של Na-Cl? מכיוון שאטום הכלור הוא הרבה יותר אלקטרוני מאשר מתכת נתרן, המאופיינת גם בכך שהוא מוותר בקלות על האלקטרונים שלו. כאשר אלמנטים אלה נפגשים הם מגיבים בצורה אקסותרמית ומייצרים מלח שולחן:

2Na (ים) + Cl ₂ (g) => 2NaCl (ים)

שני אטומי נתרן לוותר אלקטרון ערכיות אחד שלהם (Na ·) אל מולקולה דו-אטומית של Cl ₂ , ובכך ליצור Cl ^- אניונים .

האינטראקציות בין קטיוני נתרן לבין אניוני כלוריד, למרות שהם מייצגים קשר חלש יותר מאלו קוולנטים, מסוגלים לשמור אותם מאוחדים היטב במוצק; ועובדה זו באה לידי ביטוי בנקודת ההיתוך הגבוהה של המלח (801 מעלות צלזיוס).

קשר מתכתי

מקור: Pixnio

האחרון מסוגי הקשרים הכימיים הוא מתכתי. ניתן למצוא זאת על כל חלק ממתכת או מסגסוגת. הוא מאופיין בכך שהוא מיוחד ושונה מהאחרים, בשל העובדה שאלקטרונים אינם עוברים מאטום אחד למשנהו, אלא נודדים, כמו ים, דרך גביש המתכות.

לפיכך, אטומים מתכתיים, לומר נחושת, מערבבים זה את זה את אורביטאלי הערך שלהם ויוצרים להקות הולכה; דרכם עוברים אלקטרונים (ים, p, dof) סביב האטומים ומחזיקים אותם זה בזה.

תלוי במספר האלקטרונים העוברים בגביש המתכתי, האורביטלים המסופקים ללהקות, ואריזת האטומים שלו, המתכת יכולה להיות רכה (כמו מתכות אלקליות), קשה, מבריק או מוליך חשמל טוב ו חַם.

הכוח המאגד אטומי מתכות, כמו אלה המרכיבים את האדם הקטן בתמונה ומחשב הנייד שלו, גדול יותר מזה של מלחים.

ניתן לאמת זאת בניסוי מכיוון שניתן לחלק את הגבישים של המלחים בכמה חצאים לפני כוח מכני; ואילו יצירה מתכתית (המורכבת מגבישים קטנים מאוד) מעוותת.

דוגמאות לקישורים

ארבעת התרכובות הבאות כוללות את סוגי הקשרים הכימיים שהוסברו:

-סודיום פלואוריד, NaF (Na ⁺ F ^- ): יוני.

-סודיום, Na: מתכתי.

-פלואור, F ₂ (F - F): קוולנטי לא פולני, בגלל העובדה שקיים null ΔE בין שני האטומים מכיוון שהם זהים.

-פלואוריד מימן, HF (H - F): קוטב קוטבי, שכן בתרכובת זו פלואור הוא אלקטרונגטיבי יותר ממימן.

ישנם תרכובות, כמו ויטמין B ₁₂ , שיש להם קשרים קוולנטים קוטביים ויוניים כאחד (במטען השלילי של קבוצת הפוספט שלה - PO ₄ ^- -). בכמה מבנים מורכבים, כמו אלה של אשכולות מתכתיים, כל סוגי הקישורים הללו יכולים אפילו להתקיים יחד.

חומר מציע בכל גילוייו דוגמאות לקשרים כימיים. מהאבן שבתחתית הבריכה והמים הסובבים אותה, ועד הקרפדות שמתקרקרות בשוליה.

למרות שהקשרים עשויים להיות פשוטים, המספר והסידור המרחבי של האטומים במבנה המולקולרי מפנים מקום למגוון עשיר של תרכובות.

חשיבות הקשר הכימי

מה החשיבות של הקשר הכימי? מספר ההשלכות הבלתי ניתן לחישוב שהעדר הקשר הכימי היה משחרר מדגיש את חשיבותו העצומה בטבע:

-חוץ מזה, צבעים לא היו קיימים, מכיוון שהאלקטרונים שלהם לא יספגו קרינה אלקטרומגנטית. חלקיקי האבק והקרח שנמצאים באטמוספרה ייעלמו, ולכן צבע הכחול של השמים היה מחשיך.

פחמן לא יכול היה ליצור את השרשראות האינסופיות שלהן, שממנו מיליארדי תרכובות אורגניות וביולוגיות.

- אפילו לא ניתן היה להגדיר חלבונים בחומצות האמינו המרכיבות שלהם. סוכרים ושומנים ייעלמו, כמו גם כל תרכובות פחמימיות באורגניזמים חיים.

לכדור הארץ לא תהיה שום אטמוספרה, מכיוון שבהיעדר קשרים כימיים בגזים שלה, לא יהיה כוח להחזיק אותם יחד. גם לא תהיה האינטראקציה הקלה בין המולקולרית ביניהם.

-מזרקות עלולות להיעלם מכיוון שהסלעים והמינרלים שלהם, למרות שהם כבדים, לא יכלו להכיל את האטומים שלהם ארוזים בתוך המבנים הגבישיים או האמורפיים שלהם.

העולם היה מורכב מאטומים בודדים שאינם מסוגלים ליצור חומרים מוצקים או נוזליים. זה יביא גם להעלמת כל טרנספורמציה של חומר; כלומר, לא תהיה תגובה כימית. פשוט גזים חולפים בכל מקום.

הפניות

1. הארי בי גריי. (1965). אלקטרונים וקשירה כימית. וו בנג'מין, INC. עמ '36-39.
2. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. כִּימִיָה. (מהדורה 8). לימוד CENGAGE, עמ '233, 251, 278, 279.
3. נווה ר '(2016). קשר כימי. התאושש מ: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. סוגי קשרים כימיים. (3 באוקטובר 2006). נלקח מ: dwb4.unl.edu
5. היווצרות קשרים כימיים: תפקיד האלקטרונים. . התאושש מ: cod.edu
6. קרן CK-12. (sf). גיבוש אנרגיה וקבוצנטיות. התאושש מ: chem.libretexts.org
7. קווימיטוב. (2012). קשר קואורדינטי לתאם או לתארך. התאושש מ: quimitube.com