پیوند شیمیایی و انواع آن

دید کلی

بررسی مواد ساده و مرکب در طبیعت نشان می‌دهد که اکثریت قریب به اتفاق اتمها در طبیعت به حالت آزاد وجود ندارند. مواد ساده‌ای که در طبیعت به حالت آزاد وجود دارند، بندرت بصورت مولکول تک اتمی‌هستند. بیشتر مواد ساده بصورت مولکولهای دو یا چند اتمی در ‌طبیعت پیدا می‌شوند. برای مثال گاز هیدروژنی که از اثر اسیدها بر فلزها یا از تجزیه الکتریکی آب یا از هر راه دیگری بدست می‌آید، بصورت مولکول دو اتمی [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] است.

اکسیژن نیز در اغلب موارد بصورت مولکول دو اتمی [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] و گاهی نیز بصورت مولکول سه اتمی اوزون [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] یافت می‌شود. فسفر سفید بصورت مولکول چهار اتمی [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] و گوگرد بصورت مولکول هشت اتمی [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] است. تنها گازهای بی‌اثر در طبیعت بصورت تک اتمی یافت می‌شوند.

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]

پیوند شیمیایی در هیدروژن

وقتی دو اتم هیدروژن به یکدیگر نزدیک می‌شوند، اوربیتالهای اتمی آنها به یک اوربیتال مولکولی تبدیل می‌شود. در اوربیتال مولکولی ابر الکترونی تحت تاثیر جاذبه دو هسته قرار دارد. در حالی که در اوربیتال اتمی ابر الکترونی تحت تاثیر جاذبه یک هسته است.

چون نیروی جاذبه هسته‌ها در فضای بین دو هسته از جاهای دیگر بیشتر است، در نتیجه تراکم ابر الکترونی در فاصله دو هسته از جاهای دیگر بیشتر خواهد بود.

انرژی پیوند

انرژی پیوند[ ، عبارت است از مقدار انرژی آزاد شده به هنگام تشکیل پیوند بین یک مول اتمهای گازی شکل یک عنصر با یک مول اتمهای گازی شکل همان عنصر یا عنصر دیگر.

انواع پیوند شیمیایی

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]

پیوند کووالانسی

در مولکول هیدروژن ، اتمها ، الکترون به اشتراک می‌گذارند و با استفاده از مدل بور ، الکترونهای مشترک بر روی مدار خارجی هر دو اتم گردش می‌کنند. به بیان دیگر ، ابر الکترونی تحت تاثیر جاذبه دو هسته قرار دارد و تراکم ابر الکترونی در فاصله دو هسته از جاهای دیگر بیشتر است. چنین پیوندی پیوند کووالانسی نامیده می‌شود.

پیوند کووالانسی بین دو اتم هیدروژن از همپوشانی اوربیتال s بوجود می‌آید و مولکول حاصل بیضوی است که هسته‌های دو اتم در دو کانون آن قرار دارند و تراکم ابر الکترونی در بین دو هسته زیاد و در اطراف هسته‌ها کمتر است. در نتیجه تشکیل پیوند ، اوربیتالهای اتمی به اوربیتال مولکولی تبدیل می‌شوند. اوربیتالهای مولکولی حاصل از تشکیل پیوند میان دو اتم هیدروژن بیضوی است که تراکم ابر الکترونی بر روی خط واصل بین هسته‌های آن از جاهای دیگر بیشتر است. این شکل اوربیتال مولکولی اوربیتال مولکولی سیگما یا پیوند سیگما نامیده می‌شود.

در نوع دیگر از اوربیتالهای مولکولی ، نه تنها سطح انرژی پائین نمی‌آید و انرژی آزاد نمی‌شود، بلکه سطح انرژی از اتمهای اولیه نیز بالاتر است، این اوربیتال را نمی‌توان اوربیتال پیوندی نامید، بلکه یک اوربیتالی ضد پیوندی است و بصورت [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] نشان داده می‌شود.

هرچه در یک مولکول ، تعداد اوربیتالهای پیوندی اشغال شده بیشتر باشد، مولکول پایدارتر است، ولی هر گاه تعداد اوربیتالهای پیوندی و ضد پیوندی برابر باشد، دو اتم از یکدیگر جدا می‌مانند و بین آنها پیوندی تشکیل نمی‌شود. تعداد پیوند میان دو اتم برابر نصف تعداد الکترونهای موجود در اوربیتالهای پیوندی منهای نصف تعداد الکترونهای موجود در اوربیتالهای ضد پیوندی است.

• پیوند اکسیژن با هیدروژن :
  
  اکسیژن ، دو اوربیتال تک الکترونی دارد. هر گاه یک اتم اکسیژن و یک اتم هیدروژن به یکدیگر نزدیک شوند، امکان جاذبه بر دافعه وجود دارد و در این صورت پیوند تشکیل می‌شود. در این مجموعه ، هیدروژن به آرایش گاز بی‌اثر هلیم رسیده است، ولی اکسیژن در خارجی‌ترین سطح انرژی خود دارای هفت الکترون شده و هنوز به آرایش گاز بی‌اثر نرسیده است.
  
  آرایش الکترونی اکسیژن پس از تشکیل یک پیوند با یک هیدروژن مشابه آرایش الکترونی فلوئور شده است. بنابراین این مجموعه می‌تواند به همان راههایی که فلوئور آرایش الکترونی خود را به آرایش الکترونی گاز بی‌اثر رساند، آرایش الکترونی خود را کامل کند. یکی از راههای رسیدن به آرایش الکترونی گاز بی‌اثر آن است که با یک اتم هیدروژن دیگر پیوند برقرار کند و مولکول [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] O را پدید آورد.

پیوند داتیو

اتم نیتروژن با سه اتم هیدروژن ، پیوند کووالانسی معمولی تشکیل می‌دهد و به آرایش الکترونی گاز بی‌اثر می‌رسد. پس از این عمل ، برای نیتروژن یک جفت الکترون غیر پیوندی باقی می‌ماند که می‌تواند آن را بصورت داتیو در اختیار اتمهایی که به آن نیاز دارند، قرار دهد. از سوی دیگر ، اتم هیدروژن که یک اتم الکترون در اوربیتال [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] آن موجود است، هر گاه این الکترون را از دست بدهد، به یون [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] تبدیل می‌شود که اوربیتال [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] آن خالی است.

حال هرگاه این یون به مولکول آمونیاک نزدیک شود، با آن پیوند داتیو برقرار می‌کند و خود را به آرایش الکترونی گاز بی‌اثر می‌رساند: [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] این مجموعه که یون آمونیوم نامیده می‌شود، در بسیاری از ترکیبات مانند کلرید آمونیوم [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] و هیدروکسید آمونیوم [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] وجود دارد.

اندازه گیری‌های انجام شده نشان می‌دهد که انرژی و طول هر چهار پیوند نیتروژن _ هیدروژن در یون آمونیوم کاملا یکسان است. این امر منطقی نیز به نظر می‌رسد، زیرا پیوند داتیو نیز مانند پیوند کووالانسی معمولی یک جفت الکترون است که بین هسته اتم نیتروژن و هسته اتم هیدروژن قرار گرفته است.

هچنین [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] می‌تواند با یون [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] یون [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] تشکیل دهد که در آن هر چهار پیوند از نظر طول و انرژی یکسان هستند. کلرید آلومینیوم نیز با یون [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] ترکیب می‌شود و یون [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] تولید می‌کند که در آن هر چهار پیوند AL - Cl از نظر طول و انرژی یکسان هستند.

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]

پیوند الکترووالانسی (یونی)

در اتم لیتیم ، 2 الکترون وجود دارد که یک الکترون ، در لایه والانس آن قرار دارد. به هنگام تشکیل پیوند ، چون این اتم در دومین سطح انرژی دارای جفت الکترون غیر پیوندی نیست و تفاوت سطح انرژی اول و دوم نیز بسیار زیاد است، نمی‌تواند الکترون خود را برانگیخته کند. بنابراین در خارجی‌ترین سطح انرژی ، تنها یک الکترون خواهد داشت. هرگاه این اتم بخواهد پیوند کووالانسی تشکیل دهد، باید یک اتم تک الکترونی دیگر مانند فلوئور پیوند تشکیل دهد و [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] را تولید کند.

واقعیت آن است که از پیوند بین لیتیم و فلوئور ، فلورید لیتیم [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] پدید می‌آید، ولی هرگاه بخواهیم این دو اتم را از نظر آرایش الکترونی بررسی کنیم، مشاهده خواهیم کرد که اتم فلوئور با اشتراک گذاشتن الکترون ، ممکن است به آرایش الکترونی گاز بی‌اثر برسد، ولی لیتیم آرایش الکترونی گاز بی‌اثر پیدا نکرده است.

لیتیم هر گاه بخواهد به آرایش الکترونی گاز بی‌اثر بعد از خود برسد، باید روی هم رفته هفت الکترون بگیرد که اگر بخواهد این هفت الکترون را با پیوند کووالانسی بدست آورد، خود نیز باید هفت الکترون در خارجی‌ترین سطح انرژی خود داشته باشد که این کار به هیچ وجه امکان پذیر نیست.

ولی هر گاه این عنصر بخواهد آرایش الکترونی گاز بی‌اثر قبل خود را پیدا کند، کافی است که یک الکترون موجود در اوربیتال [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] خود را از دست بدهد تا آرایش الکترونی آن به صورت [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] در آید و آرایش الکترونی گاز بی‌اثر هلیم پیدا کند. یعنی اتم لیتیم به یون [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] تبدیل می‌شود و به آرایش گاز هلیم می‌رسد.

اتم فلوئور نیز می‌تواند با گرفتن یک الکترون و تبدیل شدن به یون [ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ] خود را به آرایش الکترونی گاز بی اثر نئون برساند. یعنی به هنگام تشکیل پیوند بین لیتیم و فلوئور ، لیتیم یک الکترون به فلوئور می‌دهد و با این عمل هر دو به آرایش الکترونی گاز بی‌اثر می‌رسند. به این ترتیب اتم فلوئور به یون منفی ( آنیون ) و اتم لیتیم به یون مثبت ( کاتیون ) تبدیل می‌شود. این نوع پیوند را پیوند الکترووالانسی یا یونی می‌نامند که بین یک فلز و یک غیرفلز رخ می‌دهد.

منبع: daneshnameh

دستت درد نکنه

تاریخچه
نظریه پیوند والانس (VB) مستقیما از ایده‌های لوییس و دیگران در مورد زوج شدن الکترونها بوجود آمد. در سال 1927 ، "هیتلر" (W.Heitler) و "لندن" یک روش مکانیک کوانتومی را برای مولکول هیدروژن پیشنهاد کردند. این روش آنها به عنوان رهیافت پیوند والانس مشهور شد و توسط افرادی نظیر پاولینگ و سیلتر به میزان زیاد توسعه یافت.

معادله تابع موجی
فرض کنید که دو اتم مجزا داشته باشیم. این دو اتم را می‌توانیم با توابع موجی ΨA و ΨB نشان دهیم. هر یک از این دو تابع بصورتی هستند که اگر اتمها به اندازه کافی مجزا باشند، بطوری که برهمکنش نداشته باشند، در آن صورت تابع موجی برای این سیستم دو اتمی عبارت است از:
(Ψ = ΨA(1) ΨB(2
که در آن B و A مشخص کننده اتمهاست و اعداد 1 و 2 ، الکترون شماره 1 و الکترون شماره 2 را مشخص می‌کنند. اکنون می‌دانیم که وقتی این دو اتم برای تشکیل یک مولکول بهم نزدیک شوند، روی هم تاثیر می‌گذارند و توابع موجی ویژه آنها ΨB و ΨA تغییر می‌کند؛ اما می‌توانیم معادله فوق را به عنوان یک تابع آزمایشی برای مولکول هیدروژن نقطه شروع خوبی فرض کنیم و سپس سعی کنیم آن را بهبود بخشیم.
وقتی که انرژی را به صورت تابعی از فاصله حل می‌کنیم، در می‌یابیم که منحنی انرژی برای معادله فوق ، حقیقتا دارای مینیممی در حدود 24KJ/mol- در فاصله تقریبی 90pm است. فاصله پیوند مشاهده شده واقعی 74pm است که اختلاف چندانی با اولین تقریب ندارد، اما انرژی پیوند تجربی H2 برابر 458KJ/mol- است که حدود بیست مرتبه از اولین تقریب بزرگتر است.

اصلاح معادله و انرژی تبادلی
اگر معادله فوق را بررسی کنیم، باید اعتراف کنیم که در استفاده از آن برای توصیف مولکول هیدروژن بیش از اندازه محدود بوده‌ایم. اولا، صحیح نیست که الکترونها را علامتگذاری کنیم، زیرا الکترونها از هم غیرقابل تمیزند. به علاوه حتی اگر می‌توانستیم، مطمئن نبودیم که همیشه الکترون شماره 1 روی اتم A و الکترون شماره 2 روی اتم B باشد.
معادله فوق را باید طوری تغییر دهیم که این محدودیت‌های ساختگی از بین بروند. این کار را می‌توانیم با افزودن عبارت دومی که در آن الکترونها تغییر وضعیت داده‌اند، انجام دهیم.
(I: Ψ=ΨA(1)ΨB(2)+ΨA(2)ΨB(1
این بهبود به وسیله هیتلر و لندن پیشنهاد شد. اگر معادله I را برای انرژی مربوط به آن حل کنیم، انرژی تا حد زیادی بهبود می‌یابد ( 303KJ/mol- ) و فاصله نیز کمی بهتر شده‌است. چون این بهبود نتیجه آن است که به الکترونها اجازه تبادل محل داده‌ایم، افزایش انرژی پیوند مربوط را اغلب " انرژی تبادلی" می نامیم.
ولی ، نسبت دادن قسمت عمده انرژی به تبادل را نباید خیلی صوری تلقی کرد، زیرا که این عدم وجود تبادل در معادله اول صرفا ناشی از بی‌دقتی ما در تخمین یک تابع موجی مولکولی صحیح است. اگر برای تشریح این انرژی تبادل تصویری فیزیکی مورد نظر باشد، شاید بهترین راه این باشد که پایین آمدن انرژی مولکول را به این واقعیت نسبت دهیم که الکترونها اکنون حجم بیشتری را برای حرکت در اختیار دارند.
به یاد داشته باشید که انرژی یک ذره در جعبه با اندازه جعبه نسبت عکس دارد، یعنی هر چه اندازه جعبه بزرگتر می‌شود، انرژی ذره کمتر می‌گردد. با قرار دادن دو هسته در فاصله کوتاهی از یکدیگر ، "جعبه را بزرگ کرده‌ایم" که الکترونها در آن محبوس‌اند. اگر به یاد آوریم که الکترونها یکدیگر را حفاظت می‌کنند و اینکه عدد اتمی موثر *Z تا حدی کمتر از Z خواهد بود، بهبود دیگری را می‌توان اعمال کرد.

تصحیح نهایی تابع موجی
سرانجام باید دوباره تابع موجی مولکولی را به دلیل محدودیت بیش از حدی که برای آن قائل شده‌ایم، تصحیح کنیم. اگر چه در معادله I تبادل الکترونها را مجاز کرده‌ایم، ولی آنها را ملزم کرده‌ایم که به طور همزمان مبادله شوند، یعنی در یک زمان معین فقط یک الکترون می‌تواند به یک هسته معین اختصاص یابد. بدیهی است که این امر بیش از اندازه محدود کننده است.
با این که می‌توانیم فرض کنیم که الکترونها به علت دافعه متقابل تمایل دارند که از یکدیگر اجتناب کنند و از این رو مایلند هر کدام روی یک اتم باشند، ولی نمی‌توانیم تا آن حد پیش رویم که بگوییم آنها همیشه چنین آرایشی را خواهند داشت. معمول است آرایشی را که بوسیله معادله I داده می شود "ساختار کووالانسی" نامید و در تابع موجی کلی تاثیر "ساختارهای یونی" را منظور کرد:
H+ H- ↔ H- H+↔ H - H

کووالانسی ، یونی ، یونی
این اولین نمونه از پدیده رزونانس است که داشته‌ایم. اکنون باید اشاره شود که مولکول هیدروژن یک ساختار دارد که بوسیله یک تابع موجی Ψ توصیف می‌شود. ولی بعلت تقریبهایی که داشته‌ایم، ممکن است لازم باشد Ψ را بصورت ترکیبی از دو یا چند تابع موجی بنویسیم که هر یک از این توابع فقط بطور جزئی مولکول هیدروژن را توصیف می‌کند.
انرژیها و فواصل تعادلی برای توابع موجی پیوند والانس
نوع تابع موجی انرژی KJ/mol فاصله pm
تصحیح نشده 24 90
"هیتلر - لاندن" 303 86.9
افزودن اثر حفاظتی 365 74.3
افزودن سهم های یونی 388 74.9
مقادیر مشاهده شده 458.0 74.1

شکل گیری نظریه پیوند والانس
اکنون در صورت تمایل می‌توانیم تصحیحات دیگری در تابع موجی وارد کنیم تا توصیف نزدیکتری از وضعیت واقعی موجود در مولکول هیدروژن را بدست دهد. به هر حال ، بررسی ساده شده موجود سه سهم مهم مربوط به پیوند را شامل می‌شود که عبارتند از:عدم استقرار الکترونها روی دو یا چند هسته ، اثر پوششی متقابل و ویژگی جزئی یونی.
خواننده ممکن است این تصحیحات ظاهرا موقتی برای سهم حفاظتی و یونی را مورد سوال قرار دهد و از خود بپرسد که آیا امکان ندارد یک عامل فیزیکی معین "بیش از حد تصحیح شده" باشد. جواب این سوال را "اصل تغییر" به این ترتیب بیان می‌کند که هیچگاه یک تابع موجی آزمایشی نمی‌تواند انرژی کمتری (یعنی انرژی پیوندی بیشتری) از انرژی حقیقی سیستم از دست دهد.
هر گونه تصحیح که انجام می‌دهیم، ما را به تابع موجی حقیقی مولکول نزدیکتر می‌کند، ولی نمی‌توانیم از آن فراتر رویم. ضمن هر اصلاحی که انجام می‌گیرد (یعنی برای اثر حفاظتی و غیره) می‌توانیم پارامترهای تابع آزمایشی را طوری تنظیم کنیم که بهترین انرژی حاصل شود.
در حقیقت حتی لازم نیست که اصطلاحات را برحسب تبادل الکترون، اثر حفاظتی یا خصلت یونی انجام داد، بدین معنی که وارد کردن پارامترهای کافی می‌تواند تابع موجی را تا هر درجه از دقت مورد نظر تصحیح کند. این موضوع مجددا یادآور تصنعی بودن چیزهایی مانند "انرژی تبادل الکترون" است.
در کلیه موارد فوق فرض صریحی وجود دارد و آن این است که دو الکترون پیوندی دارای اسپینهای مخالفی هستند. اگر دو الکترون اسپینهای موازی داشته باشند، پیوندی تشکیل نمی‌شود، بلکه به جای آن دافعه بوجود می‌آید. این مطلب نتیجه ای از اصل طرد پاولی است. به علت زوج شدن الکترون در تشکیل هر پیوند ، نظریه پیوند والانس را اغلب "نظریه زوج الکترون" می‌گویند و این امر در حقیقت گسترش منطقی مکانیک کوانتومی لوییس در مورد تشکیل زوج الکترون است.

منبع: articles.ir