האם תהיתם פעם מה גורם ליקום להיצמד? הנה רמז: זו לא צנצנת בגודל תעשייתי של דבק סופר קוסמי. לא, הסוד לשמירה על דברים ביחד הוא תהליך קשר כימי המכונה קשר וולנטי - שבו האלקטרונים בקליפות החיצוניות של האטומים נקשרים זה לזה ויוצרים מולקולות. קשרים קוולנטיים הם מהקשרים החזקים ביותר ביקום.
אבי הקשרים הקוולנטיים - אירווינג לנגמייר
עולם המדע הכימי הוצג לעקרון הקוולנטיות בשנת 1919. הכימאי לעתיד זוכה פרס נובל, אירווינג לנגמייר, טבע את המונח כדי לתאר את הקשרים המולקולריים שנוצרים על ידי אלקטרונים בקליפה החיצונית או הערכיות של האטומים. המונח 'קשר קוולנטי' נכנס לשימוש לראשונה בשנת 1939.
כימאי אמריקאי, אירווינג לנגמייר, נולד בברוקלין, ניו יורק, ב-31 בינואר 1881, כבן השלישי מבין ארבעה לצ'ארלס לנגמייר וסיידי קומינגס. לנגמייר סיים את לימודיו כמהנדס מתכות מבית הספר למכרות באוניברסיטת קולומביה בשנת 1903 וקיבל תואר שני ו-Ph.D. בכימיה בשנת 1906. עבודתו בכימיה פני השטח תזכה בפרס נובל בכימיה, בשנת 1932.
אטומים ומולקולות - האם הם באמת חשובים?
במילים פשוטות, ללא אטומים היקום לא היה קיים. הסיבה לכך היא שהאטומים הם אבני הבניין הבסיסיות של החומר. למה בדיוק הכוונה בחומר? במדעי הפיזיקה והכימיה, 'חומר' מוגדר ככזה שתופס מקום ובעל מסת מנוחה, במיוחד להבדיל מאנרגיה. אז בקליפת אגוז אוניברסלית, 'חומר' הוא הכל.
אטומים מורכבים משלושה חלקיקים תת-אטומיים בסיסיים: פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים. פרוטונים הם חלקיקים תת-אטומיים השומרים על מטען חשמלי חיובי. ניוטרונים הם חלקיקים תת-אטומיים שאין להם מטען חשמלי חיובי ולא שלילי, כלומר נייטרלי. פרוטונים וניוטרונים משתלבים ומרכיבים את גרעין האטום. אלקטרונים, סוג החלקיקים התת-אטומיים הסופי, שומרים על מטען חשמלי שלילי ומקיפים את גרעין האטום כמו ענן.
אז מהן מולקולות? מולקולות הן לא יותר או פחות מאטומים שנמשכים מספיק לאטומים אחרים כדי ליצור קשר. קשר ערכיות.
מליטה מולקולרית - סוגי איגרות וולנט
כאשר אטומים נקשרים זה לזה ליצירת מולקולות, התהליך יכול להתרחש בכמה דרכים שונות. הדרך העיקרית שבה אטומים יתחברו ידועה כקוולנטית. המונח קוולנטי מתייחס לעובדה שהקשר כרוך בשיתוף של זוג אחד או יותר של אלקטרונים. ישנן גם דרכים אחרות שבהן אטומים יכולים ליצור קשרים ערכיים, כולל:
סדרת טלוויזיה צולבת
- קשרים יוניים או קשרים נוצר כאשר אטום אחד מוותר על אלקטרונים אחד או יותר לאטום אחר.
- קשרים מתכתיים, סוג הכימיקל קשר שמחזיק את אטומי המתכות ביחד. קשרים מתכתיים הם המשיכה הכפויה בין אלקטרוני ערכיות לבין אטומי המתכת.
קשרים מולקולריים קוולנטיים - יסודות מול תרכובות
כאשר מתרחשות משיכה ערכית בין אטומים, הם יוצרים קשרים מולקולריים או חומרים שהם תרכובות או יסודות. למרות שתרכובות מולקולריות ויסודות מולקולריים מתרחשים כתוצאה מקשר קוולנטי, יש גם הבדל חשוב בין השניים.
ההבדל בין מולקולה של תרכובת למולקולה של יסוד הוא שבמולקולה של יסוד, כל האטומים זהים. לדוגמה, במולקולה של מים (תרכובת), יש אטום חמצן אחד ושני אטומי מימן. אבל במולקולה של חמצן (יסוד), שני האטומים הם חמצן.
דוגמאות לתרכובות בונד קוולנטי
ישנן דוגמאות רבות לתרכובות בעלות קשרים קוולנטיים, כולל הגזים באטמוספירה שלנו, דלקים נפוצים ורוב התרכובות בגופנו. הנה שלוש דוגמאות.
מולקולת מתאן (CH4)
התצורה האלקטרונית של פחמן היא 2,4. הוא צריך עוד 4 אלקטרונים בקליפה החיצונית שלו כדי להיות כמו ניאון הגז האציל. לשם כך אטום פחמן אחד חולק ארבעה אלקטרונים עם האלקטרונים הבודדים מארבעה אטומי מימן. למולקולת המתאן יש ארבעה קשרים בודדים מסוג C-H.
מולקולת מים (H2O)
אטום חמצן אחד מצטרף לשני אטומי מימן. למולקולת המים יש שני קשרים בודדים O-H.
פחמן דו חמצני (CO2)
אטום פחמן אחד מצטרף לשני אטומי חמצן. למולקולת הפחמן הדו חמצני יש שני קשרים C=O.
בוב שיער אפור
דוגמאות לאלמנטים של קשר קוולנטי
כאשר כמו אטומים יוצרים קשרים מולקולריים קוולנטיים, התוצאות הן יסודות קוולנטיים. היסודות הקוולנטיים הלא מתכתיים שנמצאים בטבלה המחזורית כוללים:
איפה אפשר להשיג פרח אפונת פרפר
- מֵימָן
- פַּחמָן
- חַנקָן
- זַרחָן
- חַמצָן
- גופרית וסלניום.
בנוסף, כל מרכיבי ההלוגן, כולל:
- פלוּאוֹר
- כְּלוֹר
- בְּרוֹם
- יוד ואסטטין, כולם יסודות לא מתכתיים קוולנטיים.
קשרים קוולנטיים קוטביים ולא קוטביים
שלא כמו קשרים יוניים, קשרים קוולנטיים נוצרים לעתים קרובות בין אטומים שבהם אחד האטומים לא יכול להגיע בקלות לתצורת מעטפת אלקטרונים של גז אצילי באמצעות אובדן או רווח של אלקטרונים אחד או שניים. ... לכן אטומים שנקשרים חולקים באופן קוולנטי את האלקטרונים שלהם כדי להשלים את מעטפת הערכיות שלהם.
ככל שההבדל באלקטרושליליות גדול יותר, הקשר יוני יותר. קשרים שהם בחלקם יוניים הם קשרים קוולנטיים קוטביים. קשרים קוולנטיים לא קוטביים, עם חלוקה שווה של אלקטרוני הקשר, נוצרים כאשר האלקטרושליליות של שני האטומים שוות.
דוגמאות של קשרים קוולנטיים קוטביים
בקשר קוולנטי קוטבי, האלקטרונים המשותפים לאטומים מבלים זמן רב יותר, בממוצע, קרוב יותר לגרעין החמצן מאשר לגרעין המימן. הסיבה לכך היא הגיאומטריה של המולקולה והבדל האלקטרושליליות הגדול בין אטום המימן לאטום החמצן.
מולקולת מים, בקיצור H2O, היא דוגמה לקשר קוולנטי קוטבי. האלקטרונים מחולקים בצורה לא שווה, כאשר אטום החמצן מבלה יותר זמן עם אלקטרונים מאשר אטומי המימן. מכיוון שהאלקטרונים מבלים יותר זמן עם אטום החמצן, הוא נושא מטען שלילי חלקי.
דוגמאות לקשרים קוולנטיים לא קוטביים
מולקולות לא קוטביות נוטות פחות להיות מסוגלות להתמוסס במים. חומר לא קוטבי הוא חומר ללא דיפול, כלומר יש לו חלוקה שוויונית של אלקטרונים במבנה המולקולרי שלו. דוגמאות כוללות פחמן דו חמצני, שמנים צמחיים ומוצרי נפט.
דוגמה לקשר קוולנטי לא קוטבי היא הקשר בין שני אטומי מימן מכיוון שהם חולקים באופן שווה את האלקטרונים. דוגמה נוספת לקשר קוולנטי לא קוטבי היא הקשר בין שני אטומי כלור מכיוון שהם גם חולקים באופן שווה את האלקטרונים.
קשרים קוולנטיים - שבעה דברים לזכור
הנה כמה נקודות חשובות שיעזרו לך לזכור את מה שלמדת זה עתה על קשרים קוולנטיים:
- ערכיות וקשרים קוולנטיים מקשרים יחד אטומים ליצירת מולקולות.
- אטומים יכולים להיקשר בשלוש דרכים עיקריות: קשרים קוולנטיים, קשרים יוניים וקשרים מתכתיים.
- המונח קשר קוולנטי מתאר את הקשרים בתרכובות הנובעות משיתוף של זוג אלקטרוני אחד או יותר.
- קשרים יוניים, שבהם אלקטרונים עוברים בין אטומים, מתרחשים כאשר אטומים עם מעט אלקטרונים בלבד בקליפה החיצונית שלהם נותנים את האלקטרונים לאטומים שרק מעטים חסרים בקליפה החיצונית שלהם.
- בקשרים מתכתיים, מספר עצום של אטומים מאבד את האלקטרונים שלהם. הם מוחזקים יחד בסריג על ידי המשיכה בין אלקטרונים 'חופשיים' וגרעינים חיוביים.
- אטום שמאבד אלקטרון הופך למטען חיובי; אטום שצובר אלקטרון הופך למטען שלילי ולכן שני האטומים נמשכים יחדיו על ידי משיכה חשמלית של הפכים.
- מכיוון שהם טעונים שלילי, האלקטרונים המשותפים נמשכים באופן שווה לגרעין החיובי של שני האטומים המעורבים. האטומים מוחזקים יחד על ידי המשיכה בין כל גרעין לבין האלקטרונים המשותפים.