مولکول دو اتمی جور هسته چیست؟ – به زبان ساده + ساختار، انواع و کاربردها

مولکول دو اتمی جور هسته، مولکولی است که از دو اتم تشکیل شده است و این دو اتم کاملا مشابه هستند. بسیاری از گازهای موجود در اتمسفر زمین به صورت گازهای دو اتمی جور هسته وجود دارند. این مواد با پیوند کووالانسی به هم متصل شده و ساختاری نسبتا پایدار دارند. در این مطلب از مجله فرادرس می‌آموزیم مولکول دو اتمی جور هسته چیست و چه ویژگی‌هایی دارد.

در ابتدای این مطلب با مفهوم مولکول دو اتمی جورهسته و ویژگی‌های آن آشنا می‌شویم. سپس به بررسی خواص مغناطیسی و مثال‌های این نوع مولکول‌ها می‌پردازیم. در ادامه، مفهوم مولکول دو اتمی ناجور هسته و تفاوت آن با مولکول جورهسته را شرح می‌دهیم. در نهایت، ارتباط آلوتروپ‌ها با این نوع مولکول‌ها را درک می‌کنیم. با مطالعه این مطلب تا انتها می‌توانید به شکلی کامل بیاموزید مولکول دو اتمی جور هسته چیست.

مولکول دو اتمی جور هسته چیست؟

مولکول دو اتمی جور هسته یک نوع مولکول است که از دو اتم (عنصر) مشابه تشکیل شده است. گازهایی مانند گاز هیدروژن، گاز نیتروژن، گاز اکسیژن و ... همگی از مثال‌های مولکول دو اتمی جور هسته هستند. حدود ۹۹ درصد از اتمسفر زمین را مولکول‌های دو اتمی جور هسته نیتروژن و اکسیژن تشکیل داده‌اند.

همچنین فراوان‌ترین عنصر گازی جهان هیدروژن دو اتمی است که یک مولکول دو اتمی جور هسته است. فرمول شیمیایی این نوع مولکول‌ها به شکل زیر است.

$$A_2$$

به این نوع مولکول‌ها در زبان انگلیسی، مولکول دو اتمی هومونوکلئار (Homonuclear Diatomic Molecule) گفته می‌شود. واژه «هومو» از زبان یونانی گرفته شده و به معنی همانند است. واژه «نوکلئار» یا «نوکلیر» به معنی هسته اتم است. بنابراین هومونوکلئار به مولکولی اشاره داد که از اتم‌هایی با هسته مشابه (اتم‌های یکسان) تشکیل شده است.

ساختار مولکول دو اتمی جورهسته

مولکول دو اتمی جور هسته ساختاری خطی و متقارن دارد. این نوع مولکول‌ها از دو اتم متصل توسط یک پیوند کووالانسی تشکیل شده‌اند. این پیوند می‌تواند از نوع پیوند یگانه، دوگانه یا سه‌گانه باشد اما در موارد طبیعی موجود این پیوند عموما از نوع یگانه کووالانسی است. در هر صورت، تنها یک پیوند بین این دو اتم وجود داشته و به همین علت زاویه پیوندی این نوع مولکول‌ها ۱۸۰ درجه خواهد بود.

اتم‌های مشابه در مولکول دو اتمی جور هسته، با اشتراک‌گذاری الکترون‌های خود توسط پیوند کووالانسی به ساختاری پایدارتر می‌رسند.

یادگیری شیمی دوازدهم با فرادرس

برای درک بهتر ساختار و ویژگی‌های مولکول دو اتمی جور هسته، ابتدا باید با مفاهیمی چون ساختار اتم، آرایش الکترونی، آرایش الکترونی فشرده، مرتبه پیوند و شکل مولکول‌ها آشنا شویم. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری این مفاهیم به مجموعه فیلم آموزش دروس پایه یازدهم بخش شیمی مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مفاهیم می‌پردازد.

همچنین، با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه ساختار این نوع مولکول‌ها دسترسی داشته باشید.

• فیلم آموزش شیمی ۱ پایه دهم گواهینامه فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۱ پایه دهم حل سوالات تشریحی امتحانات نهایی فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۲ پایه یازدهم رشته علوم تجربی و ریاضی و فیزیک فرادرس

قطبیت مولکول دو اتمی جور هسته

این نوع مولکول‌ها ساختاری ناقطبی دارند. قطبیت مولکول‌ها به علت اختلاف الکترونگاتیوی بین اتم‌های دو سر پیوند در مولکول به وجود می‌آید. در مولکول دو اتمی جور هسته به دلیل یکسان بودن دو اتم دو سر پیوند، اختلاف الکترونگاتیوی برابر صفر بوده و مولکول ناقطبی است. این اختلاف صفر و ناقطبی بودن برای تمامی مولکول‌های دو اتمی جور هسته همواره برقرار است.

ویژگی‌های مولکول دو اتمی جور هسته

مولکول‌های دو اتمی جور هسته ساختاری خطی و غیرقطبی دارند. تقریبا تمامی مولکول‌های دو اتمی جور هسته در دمای اتاق به شکل گاز هستند. مولکول‌های دو اتمی جور هسته با شکل فرمول مولکولی $$A_2$$ نمایش داده می‌شوند. A نماد عنصر تشکیل دهنده مولکول است و زیروند ۲ نشان می‌دهد که مولکول از دو عنصر مشابه تشکیل شده است.

در برخی از منابع و متن‌های مختلف، این نوع مولکول‌ها را با نام عنصر دو اتمی یا عنصر مولکولی نیز معرفی می‌کنند.

خاصیت مغناطیسی مولکول دو اتمی جورهسته

مولکول دو اتمی جور هسته می‌تواند خواص مغناطیسی متفاوتی را نشان دهد. خاصیت مغناطیسی هر مولکول به آرایش الکترونی آن و نوع پیوند بین اتم‌ها بستگی دارد. این خواص مغناطیسی مولکول دو اتمی جورهسته به دو دسته اصلی خواص پارامغناطیسی و خواص دیامغناطیسی تقسیم می‌شود. در ادامه این خواص را معرفی می‌کنیم.

خواص پارامغناطیسی

مواد پارامغناطیسی دارای الکترون‌های جفت نشده در اوربیتال مولکولی خود هستند که باعث به وجود آمدن ممان‌های مغناطیسی می‌شوند. در مولکول‌های دو اتمی جور هسته، اگر مولکول دارای یک یا تعداد بیشتری الکترون جفت نشده باشد، خواص پارامغناطیسی از خود نشان می‌دهد. برای مثال، مولکولی مانند اکسیژن دارای الکترون‌های جفت نشده در آرایش الکترونی خود بوده و این پدیده باعث می‌شود اکسیژن خواص پارامغناطیسی داشته باشد.

خواص دیامغناطیسی

در مواد دیامغناطیس تمامی الکترون‌ها در اوربیتال مولکولی آن‌ها جفت شده هستند. به همین علت، ممان مغناطیسی به وجود نمی‌آید. در مولکول‌های دو اتمی جور هسته، اگر تمامی الکترون‌ها جفت باشند، مولکول خواص دیامغناطیسی از خود نشان می‌دهد. برای مثال، مولکولی مانند نیتروژن دو اتمی در حالت پایه دارای الکترون‌های جفت و در نتیجه دیامغناطیسی است.

بررسی خواص مغناطیسی با اوربیتال مولکولی

در قسمت قبل آموختیم که مولکول $$O_2$$ است که در دماهای بسیار پایین به میدان مغناطیسی جذب می‌شود و خاصیت پارامغناطیسی دارد. این ویژگی نشان می‌دهد که در این مولکول الکترون‌های جفت‌نشده وجود دارند. این رفتار با استفاده از نظریه اوربیتال مولکولی به‌خوبی توضیح داده می‌شود. نمودار اوربیتال مولکولی، انرژی نسبی و نوع هر اوربیتال مولکولی را نشان می‌دهد. در این نمودار، تعداد اوربیتال‌های مولکولی با تعداد اوربیتال‌های اتمی برابر است و هر اوربیتال با نمادهایی مانند $$\sigma$$ و $$\pi$$ و همچنین زیرنویس‌های $$g$$ و $$u$$ مشخص می‌شود.

نماد $$\sigma$$ بیانگر تقارن نسبت به محور بین دو هسته و نماد $$\pi$$ نشان‌دهنده وجود یک گره روی این محور است. زیرنویس $$g$$ به اوربیتال‌های متقارن نسبت به مرکز وارونگی و زیرنویس $$u$$ به اوربیتال‌های نامتقارن نسبت به این مرکز اختصاص دارد. پیشنهاد می‌کنیم برای درک بهتر اوربیتال مولکولی و مفاهیم مربوط به آن، فیلم آموزش نظریه اوربیتال مولکولی فرادرس که لینک آن در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.

رسم اوربیتال مولکولی

در نمودارهای کلی اوربیتال مولکولی معمولاا الکترون‌ها نمایش داده نمی‌شوند، زیرا این نمودارها برای انواع مختلف مولکول‌ها کاربرد دارند. هنگام رسم نمودار کامل، الکترون‌ها طبق اصل آفبا و قاعده هوند ابتدا اوربیتال‌های کم‌انرژی و سپس اوربیتال‌های پرانرژی را پر می‌کنند. از این نمودارها می‌توان برای تعیین پارامغناطیس یا دیامغناطیس بودن مولکول و همچنین محاسبه مرتبه پیوند استفاده کرد. مرتبه پیوند از رابطه زیر به دست می‌آید:

$$\text{Bond Order}=\frac{N_b-N_a}{2}$$

در این فرمول (Bond Order) مرتبه پیوند، $$N_b$$ تعداد الکترون‌های اوربیتال‌های پیوندی و $$N_a$$ تعداد الکترون‌های اوربیتال‌های ضدپیوندی است. در بیشتر موارد، الکترون‌های لایه‌های داخلی در محاسبه مرتبه پیوند نادیده گرفته می‌شوند، زیرا نقشی در تشکیل پیوند و واکنش‌پذیری مولکول ندارند.

مثال مولکول دو اتمی جور هسته

۷ عنصر از عناصر جدول تناوبی به شکل مولکول دو اتمی جور هسته در طبیعت وجود دارند. این عناصر در ادامه به همراه فرمول شیمیایی معرفی شده‌اند.

تمامی عناصر بالا بجز برم و ید در دمای اتاق به شکل گاز هستند. برم در دمای اتاق مایع و ید جامد است. تمامی این عناصر نافلز بوده و ۴ عنصر هالوژن جزو این موارد هستند. شکل این مولکول‌ها در ادامه آورده شده است.

همچنین برخی از مولکول‌های دو اتمی جور هسته ناپایدار نیز وجود دارند که در شرایطی مانند دمای بالا یا فشارهای مشخص تشکیل می‌شوند. مولکول‌های دو اتمی کربن، هلیم و لیتیم از این نوع موارد است. در ادامه، ساختار برخی از این مولکول‌های جور هسته را بررسی می‌کنیم.

مولکول دو اتمی هیدروژن

مولکول دو اتمی هیدروژن از اتصال دو اتم هیدروژن به وسیله یک پیوند یگانه کووالانسی تشکیل می‌شود. هر اتم هیدروژن به تنهایی دارای یک الکترون است و دو اتم هیدروژن با به اشتراک‌گذاری این دو الکترون به آرایش پایدار $$1s^2$$ می‌رسند. نوع پیوند تشکیل شده بین این اتم‌ها از نوع پیوند سیگما بوده و انرژی پایین و پایداری بالایی دارد.

به دلیل وجود نداشتن الکترون‌های غیر پیوندی در این مولکول، ساختار آن دیامغناطیس است.

مولکول دو اتمی اکسیژن

مولکول دو اتمی اکسیژن نوعی مولکول دو اتمی جورهسته است که در آن دو اتم اکسیژن توسط یک پیوند کووالانسی دو گانه به هم متصل شده‌اند. همچنین، هر اتم اکسیژن بجز دو الکترون پیوندی، ۴ الکترون غیرپیوندی (دوجفت) نیز دارد. این اتم‌ها با به اشتراک گذاری الکترون‌ها به آرایش پایدار هشتایی می‌رسند. آرایش الکترونی این مولکول به شکل زیر است.

$$(\sigma_{1s})^2(\sigma_{1s}^{*})^2(\sigma_{2s})^2(\sigma_{2s}^{*})^2(\sigma_{2p_z})^2(\pi_{2p_x})^2(\pi_{2p_y})^2(\pi_{2p_x}^{*})^1(\pi_{2p_y}^{*})^1$$

مولکول دو اتمی لیتیم

مولکول دو اتمی لیتیم از مولکول‌های دو اتمی جور هسته نسبتا پایدار است. این نوع مولکول توسط پیوند یگانه کووالانسی به هم متصل شده‌اند. آرایش الکترونی این مولکول به شکل زیر است و شامل الکترون‌های جفت نشده نیست.

$$(\sigma_{1s})^2(\sigma_{1s}^{*})^2(\sigma_{2s})^2$$

مولکول دو اتمی کربن

مولکول دو اتمی کربن با فرمول شیمیایی $$C_2$$ از خانواده مولکول‌های دو اتمی جور هسته است. این دو اتم کربن توسط پیوند دوگانه کووالانسی یبه هم متصل می‌شوند. آرایش الکترونی این ماده به شکل زیر است و از نوع دیامغناطیسی است.

$$(\sigma_{1s})^2(\sigma_{1s}^{*})^2(\sigma_{2s})^2(\sigma_{2s}^{*})^2(\pi_{2p_x})^2(\pi_{2p_y})^2$$

مولکول دو اتمی هلیم

هلیم در جدول تناوبی عناصر در بالای گروه فلزات نجیب قرار دارد. این جایگذاری به این دلیل است که آرایش الکترونی هلیم شامل لایه و زیرلایه پر از الکترون بوده و پایداری بالایی دارد. هر اتم هلیم دارای ۲ الکترون است. مولکول دو اتمی هلیم تنها در شرایط مشخصی مانند دماهای بسیار پایین که نیروهای واندروالس دو اتم هلیم را به هم نزدیک می‌کنند تشکیل می‌شود.

سایر مولکول های دو اتمی جو هسته

بچز موارد رایج توضیح داده شده در قسمت قبل، مثال‌های دیگری نیز از مولکول دو اتمی جور هسته وجود دارد که معمولا در دمای اتاق شرایط عادی تشکیل نمی‌شوند. اگثر این مواد در صورت تبخیر شدن در دماهای بسیار بالا به شکل این نوع مولکول‌ها گازی هستند و با سرد بدن به فرم پلیمری تبدیل می‌شوند.

از مثال‌های این مولکول‌خت می‌توان به فسفر دو اتمی ($$P_2$$)، دی تنگستن ($$W_2$$) و دی مولیبدن ($$Mo_2$$) اشاره کرد.

مولکول دو اتمی ناجور هسته چیست؟

در قسمت‌های قبل آموختیم مولکل دو اتمی جور هسته از دو اتم یکسان تشکیل شده است. در مقابل، مولکول دو اتمی ناجور هسته، از دو اتم متفاوت تشکیل شده است. این اتم‌ها عموما نافلز هستند. فرمول شیمیایی مولکول دو اتمی ناجور هسته با شکل A-B نمایش داده می‌وشود که نشان دهنده دو نوع اتم متفاوت است. پیوند شیمیایی بین اتم‌های مولکول دو اتمی ناجور هسته می‌تواند از نوع کووالانسی یا کوئوردینانسی باشد.

پیشنهاد می‌کنیم برای درک بهتر این نوع مولکول و سایر مولکول‌ها، مطلب انواع مولکول‌ها در شیمی مجله فرادرس را مطالعه کنید.

ویژگی مولکل دو اتمی ناجور هسته

مولکول‌های دو اتمی ناجور هسته مانند مولکول دو اتمی جور هسته تنها از یک پیوند و دو اتم تشکیل شده‌اند. به همین دلیل مولکول ساختاری خطی داشته و زاویه پیوندی آن برابر با ۱۸۰ درجه است. به دلیل متفاوت بودن اتم‌های این نوع مولکول‌ها، ممکن است اختلاف الکترونگاتیوی به وجود آمده و مولکول قطبی باشد. به طور کلی مولکول‌های دو اتمی ناجور هسته عموما قطبی یا کمی قطبی هستند.

مثال مولکول دو اتمی ناجور هسته

در مولکول دو اتمی ناجور هسته حداقل یکی از اتم‌های تشکیل دهنده مولکول نافلز است. اتم هیدروژن معمولا با نافلزاتی مانند هالوژن‌ها پیوند تشکیل داده و مولکول دو اتمی ناجور هسته تشکیل می‌دهد. در برخی از منابع ترکیبات یونی نیز به عنوان مولکول دو اتمی ناجور هسته معرفی می‌شوند.

در ادامه برخی از مولکول‌های دو اتمی ناجور هسته به همراه فرمول شیمیایی آن‌ها معرفی شده است.

مولکول چند اتمی جور هسته چیست؟

در طبیعت برخی از مواد به صورت ترکیبی از بیش از دو اتم یکسان تشکیل شده‌اند. برای مثال، مولکول اوزون از پیوند سه اتم اکسیژن یکسان تشکیل شده است. این مواد در دسته مولکول‌های جور هسته قرار می‌گیرند. در ادامه برخی از این مواد به همراه فرمول مولکولی آن‌ها معرفی شده اند.

مولکول‌های جور هسته چند اتمی با استفاده از پیوندهای کووالانسی تشکیل شده و به دلیل نبود اختلاف الکترونگاتیوی بین اتم ها، غیرقطبی هستند.

ارتباط آلوتروپ‌ها با مولکول جورهسته

مفهوم مولکول‌های جور هسته ارتباط نزدیکی با ساختارهای آلوتروپ دارد. آلوتروپ‌ها مولکول‌هایی هستند که از ساختارهای شیمیایی متفاوت یک نوع اتم یکتا تشکیل شده‌اند. تمامی آلوتروپ‌ها مولکول‌های جور هسته هستند. با این حال، ساختار مولکول جور هسته به طور اختصاصی به ساختارهای شیمیایی نسبت داده می‌شود که مولکول‌های مجزا را تشکیل می‌دهند و ساختارهای بلوری یا فلزی (که از انواع آلوتروپ‌ها هستند) جزو دسته مولکول جور هسته به شمار نمی‌روند.

یکی از مثال‌های آلوتروپ مولکول جور هسته، فرم‌های مختلف مولکول سولفور (گوگرد) است. اتم گوگرد می‌تواند مولکول‌های جور هسته متفاوت دو اتمی، سه اتمی، شش اتمی و هشت اتمی بسازد. یکی دیگر از مثال‌های آلوتروپ مولکول جور هسته، آلوتروپ‌های فولرن و سیکلوکربن هستند. آلوتروپ‌های گرافیت و الماس به دلیل ساختار بلوری و شبکه ای معمولا جزو مولکول‌های جور هسته به شمار نمی‌روند.

تفاوت مولکول دو اتمی ناجور هسته و مولکول دو اتمی جور هسته

در این مطلب از مجله فرادرس آموختیم مولکول دو اتمی جور هسته چیست. در ادامه، تفاوت‌های مولکول‌های دو اتمی جور هسته و ناجور هسته به شکل خلاصه ارائه شده است.