طول پیوند و مرتبه پیوند در شیمی – به زبان ساده

مقدمه

طول پیوند و انرژی پیوند

همانطور که در ابتدای متن به آن اشاره شد، فاصله بین مراکز دو اتم به صورت طول پیوند یا فاصله پیوند بیان می‌شود. طول پیوند بسته به عوامل مختلف، تغییر می‌کند اما به طور کلی، عدد ثابتی را می‌توان برای آن در نظر گرفت.

فیلم آموزش پیوندهای ساده، دوگانه و سه‌گانه در کووالانسی در فرادرس

کلیک کنید

مرتبه پیوند، به تعداد الکترون اشتراکی بین دو اتم به هنگام تشکیل یک پیوند می‌گویند. مرتبه پیوند در پیوندهای دوگانه کربن-کربن و اکسیژن-اکسیژن برابر با ۲ است. به مقدار انر‌ژی مورد نیاز برای شکست یک پیوند، انرژی تفکیک پیوند یا به طور ساده‌تر، انرژی پیوند می‌گویند. با توجه به این‌که طول پیوند، عدد مشخصی دارد، انرژی پیوند در پیوندهای مشابه نیز عدد مشخصی خواهد داشت.

انرژی پیوند و آنتالپی

در نتیجه، متوسط انرژي پیوند، یعنی $$1662/4$$ برابر با 416 خواهد بود که با $$436 Kj/mol$$ برابر نیست. توجه داشته باشید که انرژی پیوند، معیاری برای اندازه‌گیری قدرت یک پیوند شیمیایی به شمار می‌رود. به عبارت دیگر، هرقدر انرژی پیوند بیشتری داشته باشیم، قدرت پیوند نیز قوی‌تر خواهد بود.

بحث در خصوص پیوند کووالانسی

فیلم آموزش پیوند کووالانسی و قطبیت در فرادرس

کلیک کنید

به طور نظری، پیوندهای یونی نیز خاصیتی کووالانسی دارند و به همین دلیل، مرز بین پیوند کووالانسی و پیوند یونی در برخی موارد، به طور دقیق مشخص نیست. در پیوندهای کووالانسی، انرژی و طول پیوند به عوامل مختلفی وابسته هستند که از آن‌جمله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• «الکترون‌خواهی» (Electron Affinity)
• اندازه اتم‌های شرکت‌کننده در پیوند
• اختلاف الکترونگاتیوی
• ساختار کلی مولکول

یک روند کلی را می‌توان در نظر گرفت که هرقدر طول پیوند کوتاه‌تر باشد، انرژی آن بیشتر است. البته هیچ رابطه و فرمولی برای نشان دادن این ارتباط وجود ندارد زیرا تغییرات گسترده‌ای را در این خصوص شاهد هستیم. در حقیقت، به کمک مقادیر موجود در جداول، روند مشخصی را به سادگی نمی‌توان پیدا کرد. بهترین راه برای مشاهده این روند، رسم داده‌ها بر روی نمودار است. در مبحث انرژی‌های پیوند، تصویر زیر نحوه تغییرات انرژی یه هنگام نزدیک شدن دو اتم هیدروژن برای تشکیل پیوند کووالانسی $$H-H$$ را نشان می‌دهد.

مثال برای محاسبه تغییرات آنتالپی استاندارد

$$\begin {equation} \mathrm {H } _{ 2( \mathrm {g})} + \mathrm {Br} _ {2 (\mathrm {g})} \rightarrow 2 \mathrm {H Br}_ {(\mathrm {g})} \end {equation}$$

به کمک مقادیر داده شده در بالا، جدول زیر را خواهیم داشت:

مرتبه و طول پیوند

همانطور که در ابتدای متن نیز به آن اشاره شد، مرتبه پیوند به تعداد پیوندهای شیمیایی بین یک جفت اتم می‌گویند و به کمک آن می‌توان به بیان پایداری یک پیوند پرداخت. به طور مثال، در نیتروژن دو‌اتمی $$(N≡N)$$، مرتبه پیوند برابر با ۳ خواهد بود. در استیلن با فرمول $$H− C ≡ C− H$$، مرتبه پیوند کربن-کربن نیز برابر با ۳ است اما مرتبه پیوند کربن-هیدروژن، مقداری برابر با ۱ دارد. مرتبه پیوند و طول پیوند بیانگر قدرت پیوند کووالانسی بین اتم‌ها است. طول و مرتبه پیوند رابطه عکس با یکدیکر دارند به طوریکه با افزایش مرتبه پیوند، طول پیوند کاهش می‌یابد.

تعیین مرتبه پیوند

در بالا دیدیم که به تعداد پیوندهای بین دو اتم، مرتبه پیوند می‌گویند و دریافتیم که در یک پیوند کووالانسی بین دو اتم، پیوند یگانه دارای مرتبه ۱، پیوند دوگانه دارای مرتبه ۲ و پیوند سه‌گانه، مرتبه ۳ دارد. برای تعیین مرتبه پیوند بین دو اتم در پیوند کووالانسی، مراحل زیر را دنبال می‌کنیم.

• ساختار لوویس مولکول را رسم کنید.
• نوع پیوند بین دو اتم را تعیین کنید. اگر پیوندی وجود نداشت، مرتبه پیوند ۰ خواهد بود. در پیوندهای یگانه، دوگانه و سه‌گانه نیز مرتبه پیوندها به ترتیب برابر با ۲،۱ و ۳ خواهد بود.

مثال اول برای تعیین مرتبه پیوند

مرتبه پیوند را در سیانید $$C N ^ -$$ تعیین کنید.

با رسم ساختار لوویس خواهیم داشت:

با تجوه به این‌که در ساختار لوویس مولکول بالا، یک پیوند سه‌گانه داریم در نتیجه، مرتبه پیوند برابر با ۳ خواهد بود.

مثال دوم برای تعیین مرتبه پیوند

مرتبه پیوند را برای گاز هیدروژن $$(H _ 2)$$ تعیین کنید.

با رسم ساختار لوویس برای مولکول گاز هیدروژن خواهیم داشت:

برای ساختار بالا، تنها یک پیوند یگانه را می‌توان متصور شد که بیانگر مرتبه پیوند ۱ خواهد بود.

تعیین مرتبه پیوند در مولکول‌های چند اتمی

اگر بیش از دو اتم در یک مولکول داشته باشیم، برای تعیین مرتبه پیوند باید به شکل زیر عمل کنیم:

• ساختار لوویس را رسم کنید.
• تعداد کل پیوندها را شمارش کنید.
• تعداد گروه‌های پیوندی را  شمارش کنید.
• تعداد پیوندهای بین اتم‌ها را بر تعداد کل گروه‌های پیوندی در مولکول تقسیم کنید.

مثال تعیین مرتبه پیوند در مولکول چند اتمی

مرتبه پیوند را در نیترات $$N O _ 3 ^ -$$ تعیین کنید.

ساختار لوویس نیترات به شکل زیر است:

دو پیوند یگانه و یک پیوند دوگانه داریم و بنابراین، تعداد کل پیوندها برابر با ۴ است.

تعداد گروه‌های پیوندی (تعداد پیوندها فارغ از یگانه، دوگانه و ...) بین اتم‌ها برابر با ۳ خواهد بود.

با تقسیم تعداد پیوندها بر تعداد کل گروه‌های پیوندی خواهیم داشت:

$$\dfrac{4}{3}= 1.33$$

بناراین، مرتبه پیوند برابر با 1/33 خواهد بود.

مثال دوم برای تعیین مرتبه پیوند در مولکول‌های چند اتمی

مرتبه پیوند برای یون نیترونیوم با فرمول $$NO_ 2 ^ +$$ را تعیین کنید.

با رسم ساختار لوییس خواهیم داشت:

تعداد کل پیوندها برابر با ۴ است.

تعداد گروه‌های پیوندی در اتم‌ها برابر با ۲ خواهد بود.

با تقسیم تعداد کل پیوندها بر تعداد گروه‌های پیوندی خواهیم داشت:

$$\frac{4}{2} = 2$$

بنابراین، مرتبه پیوند در این مولکول برابر با ۲ خواهد بود.

روندهای تناوبی و پایداری پیوند

مرتبه پیوند بالاتر بیانگر جاذبه بیشتر بین الکترون‌ها است. همچنین، مرتبه بالاتر پیوند بیانگر این است که اتم‌ها با شدت بیشتری در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. زمانی که مرتبه پیوند کمی داشته باشیم، جاذبه کمتری بین الکترون‌ها برقرار خواهد بود و همین امر موجب قرارگیری اتم‌ها در کنار یکدیگر با شدت کمتری می‌شود. علاوه بر این، همانطور که گفته شد، مرتبه پیوند در بیان پایداری پیوند نیز کاربرد دارد. هر قدر مرتبه پیوند بیشتر باشد، الکترون‌های بیشتری سبب نگهداری اتم‌ها در کنار یکدیگر می‌شوند و به دنبال آن، پایداری بیشتری خواهیم داشت.

طول پیوند در جدول تناوبی

از آن‌جایی که طول پیوند با شعاع اتمی متناسب است، روند تناوبی برای طول پیوند، مشابه با روند تناوبی برای شعاع اتمی است. در هر تناوب از چپ به راست، طول پیوند کاهش و در هر گروه از بالا به پایین، طول پیوند افزایش پیدا می‌کند.

مثال‌های تکمیلی مربوط به مرتبه و طول پیوند

در ادامه قصد داریم تا برای درک بهتر این مطلب، مثالهایی تکمیلی را در خصوص مرتبه و طول پیوند مطرح کنیم.

فیلم آموزش شیمی ۲ پایه یازدهم – علوم تجربی و ریاضی در فرادرس

کلیک کنید

مثال 1

ابتدا ساختار لوویس را برای اکسیژن رسم می‌کنیم.

یک پیوند دوگانه بین دو اتم اکسیژن وجود دارد. بنابراین، مرتبه پیوند این مولکول برابر با ۲ خواهد بود.

مثال ۲

برای پاسخ به این سوال، همانند قبل در ابتدا ساختار لوویس مولکول را رسم می‌کنیم.

پیوند بین کربن و نیتروژن از نوع سه‌گانه است و بنابراین، طول این پیوند برابر با $$60 + 54 =114 p m$$ خواهد بود.