پیوند سیگما در شیمی – به زبان ساده + نحوه تشکیل و ویژگی ها

در ابتدای این مطلب می‌آموزیم پیوند سیگما چیست و در چه موادی وجود دارد. سپس به بررسی ویژگی‌ها و انواع آن می‌پردازیم. در ادامه، روش تشکیل این پیوند و تفاوت‌های آن با پیوند پای را توضیح می‌دهیم. در نهایت می‌آموزیم اوربیتال‌های پیوندی و ضدپیوندی کدامند و چه ارتباطی با نظریه اوربیتال مولکولی دارند. با مطالعه این مطلب تا انتها می‌توانید به شکلی کامل با این پیوند آشنا شوید.

پیوند سیگما چیست؟

الکترون‌های موجود در پیوند سیگما می‌توانند در هر فضایی در این پیوند حضور داشته باشند. این پیوند متقارن است و می‌تواند به راحتی حول محور خود بچرخد. برای مثال، تصویر زیر یک این پیوند را بین دو اوربیتال s را نمایش می‌دهد. این پیوند دارای تقارن استوانه‌ای است. بدین معنی که اگر در هر نقطه‌ای از طول پیوند، یک برش عرضی ایجاد کنیم، شکلی دایره‌ای به دست می‌آید.

مثال پیوند سیگما

برای درک بهتر این پیوند، به روش تشکیل پیوند در مولکول هیدروژن دقت کنید. هر اتم هیدروژن در مولکول دو اتمی هیدروژن، یک پروتون و یک الکترون دارد. هنگامی که می‌گوییم دو هسته اتم هیدروژن باهم الکترون به اشتراک می گذارند، به معنی این است که دو اوربیتال کروی s همپوشانی می‌کنند. این دو اوربیتال در تصویر زیر با رنگ خاکستری مشخص شده‌اند.

در این پیوند، دو الکترون جذب بارهای مثبت هر دو هسته اتم‌های هیدروژن می‌شوند و آن‌ها را با پایداری بالایی به هم متصل نگه می‌دارند. اگر این هسته‌ها فاصله زیادی از هم داشته باشند، این دو اوربیتال s نمی‌توانند با هم همپوشانی داشته باشند در نتیجه پیوند کووالانسی شکل نمی‌گیرد.

با نزدیک شدن این اتم‌ها به هم، همپوشانی آغاز شده و پیوندی بین آن‌ها شکل می‌گیرد که پیوند سیگما نام دارد. این فرآیند باعث کاهش انرژی پتانسیل سیستم شده و امکان برقراری برهمکنش‌های الکترواستاتیکی بین هسته یکی از اتم‌ها و الکترون اتم دیگر فراهم می‌شود.

یادگیری شیمی دانشگاهی با فرادس

همچنین، با مشاهده فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه پیوند سیگما دسترسی داشته باشید.

• فیلم آموزش شیمی عمومی فرادرس
• فیلم آموزش شیمی معدنی ۲ فرادرس
• فیلم آموزش شیمی آلی ۱ مرور و حل مساله فرادرس

ویژگی های پیوند سیگما

در قسمت قبل آموختیم پیوند سیگما در شیمی چیست.  این نوع پیوند در اثر همپوشانی اوربیتال‌های اتمی در راستای محور بین هسته‌ها تشکیل می‌شود. این نوع پیوند ویژگی‌های منحصر به فردی دارد که در ادامه معرفی می‌کنیم.

• همپوشانی سر به سر اوربیتال‌های هیبریدی، این پیوند را تشکیل می‌دهد.
• پیوندهای سیگما به شدت قوی هستند و پایداری بالایی دارند.
• در اثر نزدیک شدن دو اتم یا مولکول، ابتدا این پیوند تشکیل می‌شود.
• این پیوند با علامت «$$\sigma$$» نمایش داده می‌شود.
• تمامی پیوندهای یگانه به فرم سیگما هستند.
• پیوندهای دوگانه و سه گانه دارای یک پیوند از نوع سیگما هستند.

فیلم آموزش تشکیل پیوند در شیمی معدنی 2 در فرادرس

کلیک کنید

انواع پیوند سیگما

در قسمت قبل آموختیم پیوند سیگما چیست. این پیوند از همپوشانی مستقیم و هم‌فاز (با فاز یکسان) اوربیتال‌های اتمی در راستای محور بین دو هسته اتم به وجود می‌آیند و از قوی‌ترین انواع پیوند کووالانسی هستند. الکترون‌هایی که در این پیوند شرکت می‌کنند معمولا با نام الکترون سیگما شناخته می‌شوند. به طور کلی، تمامی پیوندهای یگانه، از نوع سیگما هستند.

این پیوندها می‌توانند از همپوشانی اوربیتال‌های s و s، اوربیتال‌های s و p یا همپوشانی اوربیتال‌های p و p به وجود بیایند. در ادامه، هریک از این انواع پیوند سیگما را توضیح می‌دهیم.

همپوشانی دو اوربیتال s

این نوع پیوند از همپوشانی دو اوربیتال s کروی شکل تشکیل می‌شود. این همپوشانی سر به سر بوده و در راستای محور بین دو هسته اتم ها شکل می‌گیرد. در این نوع پیوند، اوربیتال‌های s باید نیمه پر باشند.

فیلم آموزش پیوند شیمیایی در فرادرس

کلیک کنید

هر اوربیتال s دو الکترون را در خود جای میدهد و نیمه‌پر بودن آن بدین معنی است که در هر اوربیتال s باید تنها ۱ الکترون وجود داشته باشد. تصویر زیر نشان‌دهنده همپوشانی دو اوربیتال s است.

همپوشانی اوربیتال s و p

در قسمت قبل آموختیم نحوه تشکیل پیوندهای سیگما از دو اوربیتال s چیست. در تشکیل این پیوند از دو اوربیتال s و p یک اوربیتال نیمه‌پر s و یک اوربیتال نیمه‌پر p در راستای پیوند بین اتم‌ها به هم نزدیک می‌شوند. با همپوشانی این اوربیتال‌ها، این پیوند تشکیل می‌شود. تشکیل این پیوند را در تصویر زیر نمایش می‌دهیم.

این نوع همپوشانی سر به سر است و حتما از سر اوربیتال p به s انجام می‌شود. این نوع پیوند در مولکول‌هایی مانند آمونیاک رخ می‌دهد. یک مولکول آمونیاک با فرمول شیمیایی $$NH_3$$، سه پیوند از نوع سیگمای sp دارد که از همپوشانی اوربیتال‌های 2p در راستای محورهای مختصات x، y و z تشکیل می‌شود. این اوربیتال‌ها که متعلق به اتم نیتروژن هستند، با اوربیتال‌های s اتم‌های هیدروژن همپوشانی می‌کنند.

شکل پیوند سیگما حاصل از همپوشانی یک اوربیتال s و p در مولکول هیدروژن فلوئورید (HF)، را در تصویر زیر نمایش می‌دهیم.

همپوشانی دو اوربیتال p

دو اوربیتال p نیز می‌توانند همپوشانی کرده و پیوند سیگما تشکیل دهند. شرط تشکیل این نوع پیوند این است که این اوربیتال‌ها نیمه‌پر بوده و به شکل سر به سر همپوشانی کنند. تشکیل این پیوند در راستای محور بین دو هسته خواهد بود. در تصویر زیر این نوع پیوند نشان داده می‌شود.

این نوع پیوند در مولکول‌هایی مانند کلر اتفاق می‌افتد. در این مولکول، دو اوربیتال 3p در راستای محور مختصات z با هم همپوشانی می‌کنند. همپوشانی سر به سر دو اوربیتال p در این نوع پیوندها ضروری است. در غیر اینصورت پیوند تشکیل شده از نوع سیگما نخواهد بود. شکل این پیوند حاصل از همپوشانی دو اوربیتال p در مولکول فلوئور ($$F_2$$) را در تصویر زیر مشاهده می‌کنید.

تشکیل پیوند سیگما

در این حالت، یعنی زمانی که هسته‌ها بیش از حد نزدیک شده‌اند، وضعیت ناپایدار و دارای انرژی بالایی به‌وجود می‌آید. بین این دو حالت (بسیار دور یا بسیار نزدیک)، یک فاصله‌ی مشخص و بهینه بین دو هسته وجود دارد که در آن انرژی پتانسیل به حداقل می‌رسد. این بدان معناست که مجموع نیروهای جاذبه و دافعه در این نقطه بیشترین نیروی جاذبه‌ی خالص را ایجاد می‌کنند. به این فاصله‌ی بهینه بین هسته‌ها، طول پیوند سیگما می‌گویند. به نمودار انرژی پتانسیل بین دو اتم هیدروژن دقت کنید.

پیوند پای چیست؟

پیوندهای پای معمولا ضعیف‌تر از پیوند سیگما هستند. این پدیده به این علت است که درجه همپوشانی در این نوع پیوندها کمتر از پیوند سیگما است. در حالت کلی، پیوندهای دوگانه از یک پیوند سیگما و یک پیوند پای و پیوندهای سه‌گانه از دو پیوند پای و یک پیوند سیگما تشکیل می‌شوند. نکته قابل توجه این است که ترکیبی از پیوندهای پای و سیگما همواره قوی‌تر از یک پیوند سیگما به شکل تکی است.

بر خلاف پیوند سیگما که امکان چرخش آزاد حول محور بین دو هسته را فراهم می‌کند، تشکیل پیوند پای باعث جلوگیری از چرخش پیوند می‌شود. اگر بخواهیم اتمی را حول پیوند دوگانه بچرخانیم، ابتدا پیوند پای باید شکسته شود. این بدین علت است که پیوند پای از هپوشانی پهلو به پهلوی اوربیتال‌های p تشکیل می‌شود و این همپوشانی در صورت چرخش از بین می‌ورد.

تفاوت پیوند سیگما و پای

تفاوت‌های کلیدی پیوند سیگما و پیوند پای را در جدول زیر توضیح داده‌ایم.

اوربیتال‌های پیوندی و ضدپیوندی

اوربیتال ضدپیوندی سیگما را با علامت $$\sigma^*$$ نمایش می‌دهند. الکترون‌هایی که مدت زمان بیشتری در فاصله بین دو هسته اتم درگیر در پیوند حضور دارند، در اوربیتال‌های پیوندی جای می‌گیرند. از طرف دیگر، الکترون‌هایی که مدت زمان بیشتری در خارج فاصله بین دو هسته اتم قرار می‌گیرند، در اوربیتال‌های ضدپیوندی قرار می‌گیرند. دلیل این موضوع این است که در اوربیتال‌های پیوندی، تراکم الکترونی بین هسته‌ها افزایش می‌یابد، در حالی که در اوربیتال‌های ضدپیوندی، این تراکم کاهش پیدا می‌کند.

قرار گرفتن الکترون در یک اوربیتال پیوندی باعث پایدارتر شدن مولکول می‌شود، زیرا الکترون در بین دو هسته قرار دارد و آن‌ها را به یکدیگر نزدیک می‌کند. برعکس، قرار گرفتن الکترون در اوربیتال ضدپیوندی به کاهش پایداری مولکول می‌انجامد. الکترون‌ها بر اساس سطح انرژی اوربیتال‌ها جای‌گیری می‌کنند. اول اوربیتال‌های با انرژی پایین‌تر، سپس اوربیتال‌های با انرژی بالاتر پر می‌شوند. اگر نتیجه این پر شدن‌ها، مرتبه پیوند برابر صفر باشد، به این معنی است که مولکول به‌قدری ناپایدار است که نمی‌تواند وجود داشته باشد.

نظریه اوربیتال مولکولی و اوربیتال ضدپیوندی

در مقابل، یک اوربیتال مولکولی ناحیه‌ای از فضا را اطراف دو یا چند اتم توصیف می‌کند که الکترون‌ها ممکن است در آن حضور داشته باشند. بر اساس اصول ریاضی، هنگام ترکیب اوربیتال‌ها، تعداد اوربیتال‌های اولیه برابر با تعداد اوربیتال‌های نهایی خواهد بود. به همین ترتیب، وقتی دو اوربیتال 1s اتمی در مولکول هیدروژن ترکیب می‌شوند، نتیجه‌ی آن دو اوربیتال سیگما خواهد بود. یکی از این اوربیتال‌ها پیوندی و دیگری ضدپیوندی است. به تصویر زیر دقت کنید.

اوربیتال مولکولی پیوند سیگما

طبق نظریه اوربیتال مولکولی، یکی از اوربیتال‌های سیگما که حاصل ترکیب دو اوربیتال 1s است، انرژی کمتری نسبت به هرکدام از اوربیتال‌های اتمی جداگانه دارد. به این اوربیتال، اوربیتال مولکولی پیوندی می‌گویند.  اوربیتال دوم، که با نماد ($$\sigma^*$$) شناخته می‌شود، دارای انرژی بیشتری از اوربیتال‌های 1s اولیه است و به آن اوربیتال مولکولی ضدپیوندی می‌گویند.

اوربیتال سیگمای پیوندی که در حالت پایه مولکول هر دو الکترون را در خود جای می‌دهد، شکل تخم‌مرغی دارد، هسته‌های دو اتم را در بر می‌گیرد، و احتمال حضور الکترون در ناحیه بین دو هسته در آن بالاست. در مقابل، اوربیتال ضدپیوندی سیگما استار ($$\sigma^*$$) شکل دو قطره‌ای دارد. در آن، تراکم الکترونی در نزدیکی هر هسته بیشتر است و در وسط دو هسته یک گره وجود دارد. یعنی ناحیه‌ای که احتمال حضور الکترون صفر است.

اوربیتال مولکولی پیوند پای

در قسمتهای قبل آموختیم که پیوند پای از همپوشانی جانبی اوربیتال‌های p شکل می‌گیرد و عامل تشکیل پیوندهای دو یا سه‌گانه است. پیوند پای نیز مانند پیوند سیگما  دارای دو اوربیتال پیوندی و ضدپیوندی است.

اوربیتال مولکولی ضدپیوندی نسبت به اوربیتال مولکولی پیوندی انرژی بالاتری دارد و ناپایدارتر است. این بدان معناست که در پایدارترین حالت انرژی (حالت پایه)، هر دو الکترون در اوربیتال پیوندی پای قرار می‌گیرند و اوربیتال ضدپیوندی پای استار خالی باقی می‌ماند. به تصویر زیر دقت کنید.

اهمیت پیوند سیگما

پیوند سیگما قوی ترین نوع پیوند کووالانسی است که در تمامی پیوندهای یگانه کووالانسی شکل می‌گیرد. این پیوند، اساس تشکیل ترکیبات شیمیایی بسیار زیادی است. همچنین، پیوند سیگما به مولکول اجازه می دهد که اتم‌های دو سر پیوند آزادانه حول محور پیوند بچرخند. این چرخش آزاد، نقش تعیین کننده‌ای در شکل مولکول دارد.

مثال تشخیص پیوند سیگما

برای درک بهتر آنچه در این مطلب از مجله فرادرس آموخته‌اید، به مثال‌های زیر دقت کنید.

مثال ۱

در مولکول بنزن چند پیوند پای و سیگما وجود دارد؟

پاسخ

مولکول بنزن یک ترکیب آروماتیک حلقوی است که از ۶ اتم کربن و ۶ اتم هیدروژن تشکیل می‌شود. فرمول شیمیایی این ترکیب به شکل $$C_6H_6$$ است. این ترکیب دارای ۳ پیوند یگانه بین اتم‌های کربن، ۲ پیوند دوگانه بین اتم‌های کربن و ۶ پیوند یگانه بین اتم‌های کربن و هیدروژن است.

هر پیوند یگانه از یک پیوند سیگما و هر پیوند دوگانه از یک پیوند پای و یک پیوند سیگما تشکیل می‌شود. پس مولکول بنزن دارای ۳ پیوند پای و ۱۲ پیوند سیگما است.

مثال ۲

در مولکول اتین با فرمول ساختاری زیر، چند پیوند پای سیگما وجود دارد؟

پاسخ

در این مولکول یک پیوند سه‌گانه حاوی دو پیوند پای و یک پیوند سیگما و دو پیوند یگانه حاوی پیوند سیگما وجود دارد. پس در مجموع این مولکول دارای ۲ پیوند پای و ۳ پیوند سیگما است.

مثال ۳

مشخص کنید چند پیوند پای و سیگما در مولکول سالیسیلیک اسید وجود دارد؟

پاسخ

مولکول سالیسیلیک اسید از ۴ پیوند دوگانه و ۱۲ پیوند یگانه تشکیل می‌شود. پس این مولکول در مجموع ۴ پیوند پای و ۱۶ پیوند سیگما دارد.