فرض کنید که پیوندهای شیمیایی را به خوبی بشناسیم. در این صورت می‌توانیم ترکیبات مختلف را شناسایی کنیم و فرمول‌های شیمیایی آن‌ها را بنویسیم و بر اساس این فرمول‌ها،‌ محاسبات استوکیومتری و گرماشیمی را برای آن‌ها انجام دهیم. می‌توان تمام این محاسبات را بدون در نظر گرفتن ساختار ماده انجام داد. اما شکل مولکول که در حقیقت آرایش اتم‌های آن در فضا است، خواص شیمیایی آن ماده را تعیین می‌کند. به طور مثال، اگر مولکول آب شکلی متفاوت داشت، خواص آن به طور قابل توجهی تفاوت داشت. در این آموزش قصد داریم تا در خصوص پیوند کووالانسی یا پیوند اشتراکی صحبت کنیم، پیوندی که با اشتراک‌گذاری الکترون‌ها بین اتم‌ها همراه است. البته برای فهم دقیق پیوند کووالانسی، باید درک صحیحی از ساختار لوییس داشته باشید تا به کمک آن، با این نوع از پیوندهای شیمیایی آشنا شوید.

لازم به ذکر است «فایل PDF پیوندهای شیمیایی»‌ (تقلب‌نامه پیوندهای شیمیایی) را نیز می‌توانید به طور جداگانه دانلود و مطالعه کنید. این تقلب‌نامه شامل تعریف انواع پیوندهای شیمیایی همچون پیوندهای یونی و کووالانسی است. همچنین، نیروهای بین مولکولی و پیوندهای هیدروژنی و فلزی نیز به طور کامل مورد بررسی قرار گرفته‌اند.

قاعده اکتت

قاعده هشت‌تایی (اکتت) بیان می‌کند برای اینکه مولکول‌ها به پایداری برسند، باید در لایه ظرفیت تمامی اتم‌های آن‌ها،‌ تعداد ۸ الکترون وجود داشته باشد که این ۸ الکترون می‌توانند از طریق اشتراک‌گذاری، گرفتن یا از دست دادن الکترون بدست بیایند. در پیوند کووالانسی، اتم‌ها تمایل دارند تا برای رسیدن به قاعده اکتت یا همان آرایش گاز نجیب، الکترون‌های خود را به اشتراک بگذارند.

مقدمه‌ای بر پیوند کووالانسی یا پیوند اشتراکی

اتم کلر با توجه به الکترون‌خواهی خود، به گرفتن یک الکترون و تکمیل آرایش الکترونی خود تمایل دارد. به نظر شما، این الکترون را از کدامیک از دو اتم سدیم یا هیدروژن، ساده‌تر می‌توان بدست آورد؟ از هیچ‌کدام از دو اتم نمی‌توان به سادگی الکترون کسب کرد اما انرژی مورد نیاز برای جذب الکترون از سدیم (انرژی یونش) بسیار کم‌تر از انرژی مورد نیاز برای جذب هیدروژن است.

در حقیقت، هرقدر انرژی یونش کمتر باشد، خاصیت فلزی عنصر بیش‌تر می‌شود. در نتیجه،‌ سدیم، خاصیت فلزی بیش‌تری از هیدروژن دارد. در حقیقت، هیدروژن را به عنوان عنصری نافلز در نظر می‌گیرند. اتم هیدروژن در حالت گازی، الکترونی را در اختیار اتم نافلز دیگری قرار نمی‌دهد. انجام پیوند بین یک اتم هیدروژن و یک اتم کلر،‌ با اشتراک گذاشتن الکترون امکان‌پذیر است که به پیوند حاصل، «پیوند کووالانسی» (Covalent Bonding) می‌گویند. برای روشن‌تر شدن اشتراک‌گذاری الکترون‌ها، بهتر است در خصوص ساختار لوییس مولکول HCl به بحث بپردازیم.

پیوند کووالانسی

در تصویر بالا، خارجی‌ترین لایه اتم توسط خط‌چین‌هایی نشان داده شده است. همچنین، الکترون‌های لایه ظرفیت نیز توسط نقطه‌هایی نمایش داده شده‌اند. با دقت در این ساختار، درمی‌یابیم که اتم هیدروژن، دو الکترون در لایه آخر خود دارد و آرایش لایه آخر آن مشابه با اتم هلیوم است. به همین صورت، اتم کلر، ۸ الکترون در لایه ظرفیت خود و آرایشی مشابه با آرگون دارد.

توجه کنید که در این شمارش الکترون‌ها، الکترون‌هایی که با رنگ قرمز مشخص شده‌اند را دو بار حساب کردیم، یک بار برای اتم هیدروژن و یک بار برای اتم کلر. این دو الکترون،‌ بین دو اتم کلر و هیدروژن به اشتراک گذاشته شده‌اند. به عبارت دیگر، این جفت‌الکترون اشتراکی، پیوند کووالانسی را تشکیل می‌دهد. در تصویر زیر،‌ ساختارهای لوییس برای دو مولکول دیگر نمایش داده شده است:

پیوند کووالانسی

همانند اتم کلر در $$HCl$$، اتم اکسیژن در ساختارهای لوییس $$H_2O$$ و $$Cl_2O$$، با هشت الکترون، احاطه شده است. توجه داشته باشید که اتم هیدروژن، نوعی استثنا است چراکه این اتم تنها ۲ الکترون را در لایه ظرفیت خود جای می‌دهد. ساختار لوییس به در فهم این موضوع کمک می‌کند که چرا عناصر هیدروژن و کلر به صورت مولکول‌های دواتمی $$H_2$$ و $$Cl_2$$ وجود دارند. در هر دو مولکول، یک جفت الکترون بین دو اتم به اشتراک گذاشته شده است.

پیوند کووالانسی یگانه

اشتراک‌گذاری یک جفت‌ الکترون بین اتم‌های پیوندی، سبب ایجاد یک پیوند یگانه کووالانسی می‌شود. برای فهم اهمیت الکترون‌ها در ساختار لوویس، از واژه «جفت‌های پیوندی» (Bond Pairs) برای جفت‌الکترون‌های حاضر در پیوند بهره می‌گیرند. همچنین، واژه «جفت‌های ناپیوندی» (Lone Pairs) به جفت‌الکترون‌هایی می‌گویند که در پیوند حضور نداشته باشند. علاوه‌بر این، در ساختار لوویس، برای نمایش جفت‌های پیوندی، از یک خط بین دو اتم استفاده می‌کنند. تمامی مواردی که به آن اشاره شد، در تصویر زیر آمده‌اند:

پیوند کووالانسی

پیوند کووالانسی کوردینانسی

نظریه پیوندهای لوویس، پیوند کوولانسی را به صورت اشتراک‌گذاری یک جفت الکترون تعریف می‌کند اما این تعریف، لزوما بیان نمی‌کند که هر اتم، یک الکترون را به پیوند اختصاص می‌دهد. به پیوندی که در آن، یک اتم، هر دو الکترون را به عنوان جفت‌الکترون به اشتراک می‌گذارد، «پیوند کووالانسی کووردینانسی» (Covalent Bond) می‌گویند.

پیوند کووالانسی

ساختار لوییس مولکول آمونیاک را در نظر بگیرید. اگر بخواهیم، هیدروژن چهارمی را به ساختار لوییس $$NH_3$$ اضافه کنیم،‌ با مشکل مواجه می‌شویم. الکترونی که همراه اتم هیدروژن آورده می‌شود، تعداد کل الکترون‌های لایه ظرفیت را در اطراف اتم نیتروژن به ۹ می‌رساند،‌ که در نتیجه از قاعده اکتت تبعیت نمی‌کند. بنابراین، مولکول $$NH_4$$ تشکیل نخواهید شد و در ازای آن، یون آمونیوم با فرمول $$NH_4 ^ +$$ به تولید می‌رسد. به عبارت دیگر، در این پیوند، اتم هیدروژن، بدون الکترون پیوندی با مولکول $$NH_3$$ پیوند تشکیل می‌دهد. به عبارت بهتر،‌ یون $$H^+$$، با مولکول $$NH_3$$ همراه می‌شود تا یون آمونیوم را بسازد.

پیوندی که بین اتم $$N$$ از آمونیاک و یون هیدروژن برقرار می‌شود، موسوم به پیوند کووالانسی کوردینانسی (کوئوردیناسی) یا «پیوند داتیو» (Dative Bond) است. باید توجه داشته باشید که بعد از تشکیل پیوند، نمی‌توان گفت کدامیک از پیوندهای $$N-H$$، کوردینانسی هستند. در نتیجه، یک پیوند کووالانسی کوردینانسی، از پیوند کووالانسی معمولی قابل تشخیص نیست. نمونه دیگری از پیوندهای کووالانسی کوردیناسی را می‌توان در یون هیدرونیوم مشاهده کرد.

پیوند کووالانسی

پیوندهای کووالانسی چندگانه

در بحث قبل، برای توضیح پیوند کووالانسی یا پیوند اشتراکی از یک جفت‌الکترون استفاده کردیم. اما به طور معمول، بیش از یک جفت‌الکترون برای دست‌یابی به قاعده اکتت باید به اشتراک گذاشته شود. $$CO_2$$ و $$H_2O$$، از جمله مولکول‌هایی هستند که اتم‌های آن‌ها بیش از یک جفت الکترون به اشتراک می‌گذارند.

پیوند کووالانسی در مولکول دی اکسید کربن

در ابتدا بهتر است از ساختار لوییس برای مولکول $$CO_2$$ استفاده کنیم. با استفاده از نمادهای لوویس، متوجه خواهیم شد که اتم C، می‌تواند یک الکترون لایه ظرفیت خود را با هر اتم اکسیژن به اشتراک بگذارد. در نتیجه، همچون تصویر زیر، دو پیوند یگانه کربن-اکسیژن خواهیم داشت.

پیوند کووالانسی

اما با توجه به نوع پیوند انجام شده، اتم‌های اکسیژن و کربن، هیچکدام از قاعده اکتت پیروی نمی‌کنند. این مشکل را می‌توان با انتقال جفت‌الکترون ناپیوندی به منطقه پیوندی حل کرد که در تصویر زیر با فلش قرمز‌رنگ نشان داده شده است:

پیوند کووالانسی

بنابراین، در مولکول دی‌اکسید کربن، دو اتم اکسیژن و یک اتم کربن در مجموع دو الکترون به اشتراک می‌گذارند و در نهایت،‌ دو پیوند دوگانه بین اتم‌های کربن و اکسیژن تشکیل می‌شود.

پیوند کووالانسی

پیوند کووالانسی سه‌گانه

در ساختار لوییس تصویر بالا، اتم‌های پیوندی، ۲ جفت‌الکترون به اشتراک گذاشته‌اند که به صورت یک پیوند دوگانه نمایش داده می‌شود. حال بهتر است ساختار لوییس برای مولکول $$N_2$$ را رسم کنیم. در اولین تلاش، به ساختاری با یک پیوند یگانه می‌رسیم که صحیح نیست.

پیوند کووالانسی

هر اتم نیتروژن، تنها شش الکترون در خارجی‌ترین لایه خود دارد. در نتیجه، از قاعده اکتت تبعیت نمی‌کند. برای حل این مشکل، مانند تصویر زیر می‌توان از هر اتم، دو الکترون ناپیوندی را به منطقه پیوندی انتقال داد. در نهایت، مشاهده می‌کنیم که سه‌ جفت‌الکترون و یک پیوند سه‌گانه کووالانسی خواهیم داشت.

پیوند کووالانسی

پیوند سه‌گانه $$N_2$$، پیوندی قدرتمند محسوب می‌شود که شکستن آن در یک واکنش شیمیایی ساده نیست. قدرت بالای این نوع پیوند سبب شده است تا $$N_2(g)$$ خاصیتی شبیه به یک گاز بی‌اثر داشته باشد. در نتیجه، مولکول‌های $$N_2(g)$$ و $$O_2(g)$$، در اتمسفر وجود دارند و در دماهای بالا، مقادیر اندکی از اکسیدهای نیتروژن را تولید می‌کنند. عدم واکنش‌پذیری مولکول اکسیژن و نیتروژن، برای برقراری شرایط حیات در زمین،‌ ضروری است. علاوه بر این، بی‌اثر بودن گاز نیتروژن، سنتز آن را با دشواری روبرو می‌کند. مولکول دیگری که دارای پیوند چندگانه باشد را می‌توان در $$O_2$$ و پیوند دوگانه مشاهده کرد:

پیوند کووالانسی

پیوند کووالانسی در استیلن

در مولکول استیلن با فرمول $$C_2H_2$$، یک پیوند سه‌گانه بین اتم‌های کربن و همچنین پیوندهای یگانه بین اتم کربن و هیدروژن داریم که در تصویر زیر نشان داده شده است:

پیوند کووالانسی

پیوندهای کووالانسی قطبی و نقشه‌های پتانسیل الکترواستاتیک

یک پیوند کووالانسی که در آن، الکترون‌ها به طور مساوی بین دو اتم به اشتراک گذاشته نشده باشند، «پیوند کووالانسی قطبی» (Polar Covalent Bond) نام دارد. در این نوع از پیوندها،‌ جابجایی الکترون‌ها به طرف عناصر با خاصیت نافلزی بیشتر است. این اشتراک‌گذاری نابرابر، بار جزئی منفی را برای این نوع از عناصر به همراه دارد که آن را با $$\delta^-$$ نشان می‌دهند. به همین صورت، عناصر با خاصیت فلزی، بار جزئی مثبت پیدا خواهند کرد. در نتیجه، برای نمایش پیوند کووالانسی قطبی در $$HCl$$، می‌توان آن را به کمک یک ساختار لوییس نمایش داد که در آن، بارهای جزئی مثبت و منفی نمایش داده شده باشند:

پیوند کووالانسی

ظهور کامپیوترهای سریع و ارزان‌قیمت سبب شد تا شیمیدان‌ها، روش‌هایی را برای توسعه نمایش توزیع الکترون در مولکول توسعه دهند. این توزیع، به کمک حل معادله شرودینگر برای یک مولکول بدست آمد. با وجود اینکه حل این معادله، تنها به کمک روش‌های تقریبی انجام‌پذیر است، این نوع از روش‌ها یک «نقشه پتانسیل الکترواستاتیکی» (Electrostatic Potential Map) بدست می‌دهند که به کمک آن می‌توان توزیع بار در یک مولکول را نمایش داد.

قبل از توضیح این نوع از نقشه‌ها، بهتر است نگاهی به چگالی الکترونی بیاندازیم. در حقیقت، رفتار الکترون در اتم را می‌توان به کمک یک سری توابع ریاضی موسوم به اوربیتال توضیح داد. احتمال حضور یک الکترون در ناحیه سه‌بعدی اطراف اوربیتال، با مربع تابع اوربیتال اتمی مرتبط است.

پیوند کووالانسیبه طور کلی، مناطقی که در آن احتمال حضور الکترون، بیش از ۹۵ درصد باشد، شکلی را تشکیل می‌دهند که به شکل اوربیتالی موسوم‌اند. به طور مشابه، می‌توان چگالی کل الکترون‌ها در مولکول را نیز به صورت یک نقشه رسم کرد که شامل چگالی یک اوربیتال تنها نیست. نقشه پتانسیل الکترواستاتیک آمونیاک در تصویر زیر نشان داده شده است. این نقشه را به کمک حرکت یک واحد بار مثبت (بار قراردادی) در سرعت ثابت از نقطه‌ای به نقطه‌ای دیگر در مولکول بدست می‌آورند. بارهای مثبت، به مناطق با الکترون بیشتر جذب می‌شوند. در این مناطق، کلیه بارهای منفی اضافی و تمامی بارهای هسته و الکترون‌ها در نظر گرفته می‌شوند و در این منطقه، پتانسیل الکترواستاتیک، منفی است.

به عکس، با قرار دادن بار در منطقه‌ای که الکترون در آن کمتر است، شاهد دافعه خواهیم بود و در نتیجه، پتانسیل الکترواستاتیک مثبت خواهد بود. مراحل ایجاد یک نقشه پتانسیل الکترواستاتیک در تصویر زیر آورده شده است که توزیع دانسیته (چگالی) الکترونی در آمونیاک را نشان می‌دهد.

پیوند کووالانسی

 

یک نقشه الکترواستاتیک اطلاعاتی در خصوص توزیع بار الکترون در یک مولکول بدست می‌دهد. به طور مثال،‌ در یک مولکول خنثی،‌ اگر پتانسیل در نقطه‌ای مثبت باشد، می‌توان گفت که اتم در این نقطه بار خالص مثبت دارد. در نمایش نقشه الکترواستاتیک، از رنگ‌های یک رنگین‌کمان استفاده می‌شود. رنگ قرمز با کمترین انرژی در انتهای طیف، بیانگر مناطقی با بیشترین پتانسیل الکترواستاتیک منفی و رنگ آبی بیانگر بیشترین پتانسیل الکترواستاتیک مثبت است. در این بین نیز دیگر رنگ‌ها قرار دارند که نشان‌دهنده پتانسیل الکترواستاتیک بین این دو بازه هستند. بنابراین، این پتانسیل از رنگ قرمز شروع می‌شود و تا رنگ زرد و در نهایت تا آبی تیره (بنفش) ادامه پیدا می‌کند.

به طور مثال، رنگ سبز-آبی اطراف اتم هیدروژن در تصویر قبل، نشان می‌دهد که این اتم، مقداری بار مثبت به همراه دارد. همچنین اتم نیتروژن با رنگ قرمز شامل بار خالص منفی است.

پیوند کووالانسی

در تصویر زیر، نقشه‌های پتانسیل الکترواستاتیک $$NaCl$$، $$Cl_2$$ و $$HCl$$ را ملاحظه می‌کنید. در این تصویر می‌بینید که مولکول دو اتمی کلر، توزیعی یکپارچه از بار الکترونی دارد که رنگ آن نیز گویای همین مطلب است. این نوع از توزیع یکپارچه، بیشتر در پیوندهای کووالانسی ناقطبی و تمامی مولکول‌های دواتمی با اتم یکسان وجود دارد. اما به عکس، در مولکول سدیم کلرید، چگالی الکترونی غیریکپارچه ملاحظه می‌شود. اتم سدیم در محدوده رنگ آبی و بار مثبت و اتم کلر، در محدوده قرمز و بار منفی قرار دارد.

این نقشه پتانسیل الکترواستاتیک، در پیوندهای یونی بسیار معمول است. با نگاهی به نقشه می‌توان دریافت که انتقال چگالی الکترون از اتم سدیم به کلر به طور کامل صورت نمی‌گیرد. این بدان معنی است که پیوند سدیم کلرید به طور کامل، یونی نیست و آزمایشات نشان می‌دهند که پیوند سدیم کلرید در حدود ۸۰ درصد خاصیت یونی دارد. مولکول $$HCl$$ نیز توزیع نامتقارن چگالی الکترونی را نشان می‌دهد که این موضوع را می‌توان از گرادیان رنگی در نقشه پتانسیل الکترواستاتیک آن ملاحظه کرد.

البته توجه داشته باشید که در این حالت،‌ اتم کلر به طور کامل در محدوده رنگی قرمز قرار نمی‌گیرد و بار منفی بزرگی را شامل نمی‌شود. در عوض، در محدوده قرمز-نارنجی قرار دارد که نشان می‌دهد این اتم مقداری جزئی بار منفی دارد. به همین شکل، اتم نیتروژن، دارای بار جزئی مثبت و با رنگ آبی کمرنگ نشان داده شده است. نقشه الکترواستاتیک مولکول $$HCl$$ به وضوح از وجود یک پیوند کووالانسی قطبی حکایت دارد.

پیوند کووالانسی

اگر مطلب بالا برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

«سهیل بحرکاظمی» دانش‌آموخته کارشناسی ارشد رشته مهندسی نفت، گرایش مهندسی مخازن هیدروکربوری از دانشگاه علوم و تحقیقات تهران است. به عکاسی و شیمی آلی علاقه دارد و در زمینه‌ متون شیمی به تولید محتوا می‌پردازد.

بر اساس رای 99 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

8 نظر در “پیوند کووالانسی — به زبان ساده

    1. با سلام؛

      به پیوند بین دو اتم غیر فلزی با الکترونگاتوی یکسان می‌گویند که در نتیجه این اتفاق،‌ اشتراک‌گذاری جفت پیوندی به میزان یکسانی صورت می‌گیرد و پیوند کووالانسی بین آن‌ها از نوع کووالانسی ناقطبی خواهد بود.

      با تشکر از همراهی شما با مجله فرادرس

    1. با سلام؛

      از شما به خاطر مطالعه این مطلب سپاسگزاریم.
      به طور کلی، ترکیبات کووالانسی می‌توانند به صورت جامد، مایع و گاز حضور داشته باشند اما بیشتر به شکل مایع و گاز با دمای ذوب و جوش پایین وجود دارند. آن‌چه که در خصوص این ترکیبات مطرح می‌شود، نوع پیوند آن‌ها است به طوریکه وقتی شبکه سه‌بعدی از یک ترکیب جامد کووالانسی را ذوب می‌کنیم، این پیوندها تشکیل یک مایع فلزی می‌دهند مگر اینکه اختلاف الکترونگاتیوی شدیدی بین اجزای آن وجود داشته باشد. این نگاه سبب می‌شود تا برخی از مایعات را به صورت مایع کووالانسی بررسی کنیم. برای آشنایی بیشتر با ساختار مایعات کووالانسی می‌توانید به مقاله «Structure of Covalent Liquids» نوشته «M P Tosi» رجوع کنید.

      با تشکر

    2. سلام
      ببخشید میخواستم بدونم آیا درسته در تشکیل مولکول متان، هر اتم کربن دو پویند کووالانسی می دهد؟!

      ممنون میشم اگه جوابمو بدین

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *