რატომ შეიძლება ატომები გაერთიანდნენ ერთმანეთთან და შექმნან მოლეკულები? რა არის ნივთიერებების შესაძლო არსებობის მიზეზი, რომლებიც მოიცავს სრულიად განსხვავებული ქიმიური ელემენტების ატომებს? ეს არის გლობალური საკითხები, რომლებიც გავლენას ახდენენ თანამედროვე ფიზიკური და ქიმიური მეცნიერების ფუნდამენტურ კონცეფციებზე. თქვენ შეგიძლიათ უპასუხოთ მათ, გქონდეთ წარმოდგენა ატომების ელექტრონულ სტრუქტურაზე და იცოდეთ კოვალენტური ბმის მახასიათებლები, რაც ნაერთების უმეტესი კლასების ძირითადი საფუძველია. ჩვენი სტატიის მიზანია გაეცნოთ სხვადასხვა სახის ქიმიური ბმების წარმოქმნის მექანიზმებს და მათ მოლეკულებში მათ შემცველი ნაერთების თვისებების თავისებურებებს.
ატომის ელექტრონული სტრუქტურა
მატერიის ელექტრონეიტრალურ ნაწილაკებს, რომლებიც მისი სტრუქტურული ელემენტებია, აქვთ სტრუქტურა, რომელიც ასახავს მზის სისტემის სტრუქტურას. როგორც პლანეტები ბრუნავენ ცენტრალური ვარსკვლავის - მზის გარშემო, ისე ატომში ელექტრონები მოძრაობენ დადებითად დამუხტული ბირთვის გარშემო. დასახასიათებლადკოვალენტურ კავშირში მნიშვნელოვანი იქნება ელექტრონები, რომლებიც მდებარეობს ბოლო ენერგეტიკულ დონეზე და ყველაზე შორს არის ბირთვიდან. ვინაიდან მათი კავშირი საკუთარი ატომის ცენტრთან მინიმალურია, მათ შეუძლიათ ადვილად მიიზიდონ სხვა ატომების ბირთვები. ეს ძალიან მნიშვნელოვანია ატომთაშორისი ურთიერთქმედების წარმოქმნისთვის, რაც იწვევს მოლეკულების წარმოქმნას. რატომ არის მოლეკულური ფორმა ჩვენს პლანეტაზე მატერიის არსებობის ძირითადი ტიპი? მოდით გავარკვიოთ.
ატომების ძირითადი თვისება
ელექტრონულად ნეიტრალური ნაწილაკების ურთიერთქმედების უნარი, რაც იწვევს ენერგიის მომატებას, მათი ყველაზე მნიშვნელოვანი თვისებაა. მართლაც, ნორმალურ პირობებში მატერიის მოლეკულური მდგომარეობა უფრო სტაბილურია, ვიდრე ატომური მდგომარეობა. თანამედროვე ატომური და მოლეკულური თეორიის ძირითადი დებულებები ხსნის როგორც მოლეკულების წარმოქმნის პრინციპებს, ასევე კოვალენტური ბმის მახასიათებლებს. შეგახსენებთ, რომ ატომის გარე ენერგეტიკული დონე შეიძლება შეიცავდეს 1-დან 8 ელექტრონს, ამ უკანასკნელ შემთხვევაში ფენა სრული იქნება, რაც ნიშნავს რომ ის იქნება ძალიან სტაბილური. კეთილშობილი აირების ატომებს აქვთ ასეთი გარე დონის სტრუქტურა: არგონი, კრიპტონი, ქსენონი - ინერტული ელემენტები, რომლებიც ასრულებენ თითოეულ პერიოდს D. I. მენდელეევის სისტემაში. აქ გამონაკლისია ჰელიუმი, რომელსაც აქვს არა 8, არამედ მხოლოდ 2 ელექტრონი ბოლო დონეზე. მიზეზი მარტივია: პირველ პერიოდში არის მხოლოდ ორი ელემენტი, რომელთა ატომებს აქვთ ერთი ელექტრონული შრე. ყველა სხვა ქიმიურ ელემენტს აქვს 1-დან 7-მდე ელექტრონი ბოლო, არასრულ ფენაზე. ერთმანეთთან ურთიერთქმედების პროცესში ატომები იქნებავცდილობთ შევსოთ ელექტრონები ოქტეტამდე და აღვადგინოთ ინერტული ელემენტის ატომის კონფიგურაცია. ასეთი მდგომარეობის მიღწევა შესაძლებელია ორი გზით: საკუთარის დაკარგვით ან უცხო უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკების მიღებით. ურთიერთქმედების ეს ფორმები განმარტავს, თუ როგორ უნდა დადგინდეს, წარმოიქმნება თუ არა იონური ან კოვალენტური ბმა მოპასუხე ატომებს შორის.
მდგრადი ელექტრონული კონფიგურაციის ფორმირების მექანიზმები
წარმოვიდგინოთ, რომ ნაერთის რეაქციაში შედის ორი მარტივი ნივთიერება: მეტალის ნატრიუმი და აირისებრი ქლორი. წარმოიქმნება მარილების კლასის ნივთიერება - ნატრიუმის ქლორიდი. მას აქვს იონური ტიპის ქიმიური ბმა. რატომ და როგორ გაჩნდა? მოდით კვლავ მივმართოთ საწყისი ნივთიერებების ატომების სტრუქტურას. ნატრიუმს აქვს მხოლოდ ერთი ელექტრონი ბოლო შრეზე, რომელიც სუსტად არის დაკავშირებული ბირთვთან ატომის დიდი რადიუსის გამო. ყველა ტუტე ლითონის იონიზაციის ენერგია, რომელშიც შედის ნატრიუმი, დაბალია. ამრიგად, გარე დონის ელექტრონი ტოვებს ენერგეტიკულ დონეს, იზიდავს ქლორის ატომის ბირთვს და რჩება მის სივრცეში. ეს ქმნის პრეცედენტს Cl ატომის უარყოფითად დამუხტული იონის სახით გადაქცევისთვის. ახლა საქმე აღარ გვაქვს ელექტრულად ნეიტრალურ ნაწილაკებთან, არამედ დამუხტულ ნატრიუმის კათიონებთან და ქლორის ანიონებთან. ფიზიკის კანონების შესაბამისად, მათ შორის წარმოიქმნება ელექტროსტატიკური მიზიდულობის ძალები და ნაერთი ქმნის იონურ კრისტალურ გისოსს. ჩვენს მიერ განხილული ქიმიური ბმის იონური ტიპის წარმოქმნის მექანიზმი ხელს შეუწყობს კოვალენტური ბმის სპეციფიკისა და ძირითადი მახასიათებლების უფრო ნათლად გარკვევას.
საზიარო ელექტრონული წყვილი
თუ იონური ბმა წარმოიქმნება ელექტრონეგატიურობით ძალიან განსხვავებულ ელემენტებს შორის, ანუ ლითონებსა და არამეტალებს შორის, მაშინ კოვალენტური ტიპი ჩნდება, როდესაც ერთი და იგივე ან განსხვავებული არამეტალური ელემენტების ატომები ურთიერთქმედებენ. პირველ შემთხვევაში, ჩვეულებრივად არის საუბარი არაპოლარულზე, ხოლო მეორეში, კოვალენტური ბმის პოლარულ ფორმაზე. მათი წარმოქმნის მექანიზმი საერთოა: თითოეული ატომი ნაწილობრივ იძლევა ელექტრონებს საერთო გამოყენებისთვის, რომლებიც გაერთიანებულია წყვილებში. მაგრამ ელექტრონული წყვილების სივრცითი განლაგება ატომების ბირთვებთან შედარებით განსხვავებული იქნება. ამის საფუძველზე განასხვავებენ კოვალენტური ბმების ტიპებს - არაპოლარული და პოლარული. ყველაზე ხშირად, არალითონური ელემენტების ატომებისგან შემდგარ ქიმიურ ნაერთებში არის წყვილები, რომლებიც შედგება ელექტრონებისგან საპირისპირო სპინებით, ანუ ბრუნავს მათი ბირთვების გარშემო საპირისპირო მიმართულებით. ვინაიდან სივრცეში უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკების მოძრაობა იწვევს ელექტრონული ღრუბლების წარმოქმნას, რაც საბოლოოდ მთავრდება მათი ურთიერთდაფარვით. რა შედეგები მოჰყვება ამ პროცესს ატომებზე და რას იწვევს იგი?
კოვალენტური ბმის ფიზიკური თვისებები
გამოდის, რომ ორი ურთიერთმოქმედი ატომის ცენტრებს შორის არის ორელექტრონული ღრუბელი მაღალი სიმკვრივით. იზრდება ელექტროსტატიკური მიზიდულობის ძალები უარყოფითად დამუხტულ ღრუბელსა და ატომების ბირთვებს შორის. ენერგიის ნაწილი გამოიყოფა და ატომურ ცენტრებს შორის მანძილი მცირდება. მაგალითად, H2 მოლეკულის წარმოქმნის დასაწყისში წყალბადის ატომების ბირთვებს შორის მანძილიარის 1,06 A, ღრუბლების გადაფარვისა და საერთო ელექტრონული წყვილის წარმოქმნის შემდეგ - 0,74 A. ზემოთ აღნიშნული მექანიზმის მიხედვით წარმოქმნილი კოვალენტური ბმის მაგალითები გვხვდება როგორც მარტივ, ისე რთულ არაორგანულ ნივთიერებებს შორის. მისი მთავარი განმასხვავებელი ნიშანია საერთო ელექტრონული წყვილების არსებობა. შედეგად, ატომებს შორის კოვალენტური ბმის გაჩენის შემდეგ, მაგალითად, წყალბადს, თითოეული მათგანი იძენს ინერტული ჰელიუმის ელექტრონულ კონფიგურაციას და მიღებულ მოლეკულას აქვს სტაბილური სტრუქტურა.
მოლეკულის სივრცითი ფორმა
კოვალენტური ბმის კიდევ ერთი ძალიან მნიშვნელოვანი ფიზიკური თვისება არის მიმართულება. ეს დამოკიდებულია ნივთიერების მოლეკულის სივრცულ კონფიგურაციაზე. მაგალითად, როდესაც ორი ელექტრონი გადაფარავს სფერულ ღრუბელს, მოლეკულის გარეგნობა წრფივია (წყალბადის ქლორიდი ან წყალბადის ბრომიდი). წყლის მოლეკულების ფორმა, რომელშიც s- და p- ღრუბლები ჰიბრიდირებულია, არის კუთხოვანი და აირისებრი აზოტის ძალიან ძლიერი ნაწილაკები პირამიდას ჰგავს.
მარტივი ნივთიერებების სტრუქტურა - არალითონები
მას შემდეგ რაც გავარკვიეთ რა სახის ბმას უწოდებენ კოვალენტურს, რა ნიშნები აქვს მას, ახლა დროა გავუმკლავდეთ მის სახეობებს. თუ ერთი და იგივე არალითონის ატომები - ქლორი, აზოტი, ჟანგბადი, ბრომი და სხვ. ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან, მაშინ წარმოიქმნება შესაბამისი მარტივი ნივთიერებები. მათი საერთო ელექტრონული წყვილი განლაგებულია ატომების ცენტრებიდან იმავე მანძილზე, გადაადგილების გარეშე. არაპოლარული ტიპის კოვალენტური ბმის მქონე ნაერთებისთვის დამახასიათებელია შემდეგი მახასიათებლები: დაბალი დუღილის წერტილები დადნობა, წყალში უხსნადობა, დიელექტრიკული თვისებები. შემდეგ ჩვენ გავარკვევთ, რომელ ნივთიერებებს ახასიათებს კოვალენტური ბმა, რომელშიც ხდება საერთო ელექტრონული წყვილების ცვლა.
ელექტროუარყოფითობა და მისი გავლენა ქიმიური ბმის ტიპზე
კონკრეტული ელემენტის თვისებას, მიიზიდოს ელექტრონები სხვა ელემენტის ატომიდან ქიმიაში, ელექტრონეგატიურობას უწოდებენ. ლ. პაულინგის მიერ შემოთავაზებული ამ პარამეტრის მნიშვნელობების მასშტაბი გვხვდება არაორგანული და ზოგადი ქიმიის ყველა სახელმძღვანელოში. მისი ყველაზე მაღალი მნიშვნელობა - 4,1 ევ - შეიცავს ფტორს, უფრო მცირეს - სხვა აქტიურ არამეტალებს, ხოლო ყველაზე დაბალი მაჩვენებელი ტუტე ლითონებისთვისაა დამახასიათებელი. თუ ელექტრონეგატიურობით განსხვავებული ელემენტები ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან, მაშინ აუცილებლად ერთი, უფრო აქტიური, მიიზიდავს უფრო პასიური ელემენტის ატომის უარყოფითად დამუხტულ ნაწილაკებს მის ბირთვში. ამგვარად, კოვალენტური ბმის ფიზიკური თვისებები პირდაპირ დამოკიდებულია ელემენტების უნარზე, გადასცენ ელექტრონები საერთო გამოყენებისთვის. შედეგად მიღებული საერთო წყვილი აღარ არის განლაგებული სიმეტრიულად ბირთვებთან მიმართებაში, მაგრამ გადაადგილებულია უფრო აქტიური ელემენტისკენ.
პოლარული ბმის მქონე ნაერთების მახასიათებლები
ნივთიერებები მოლეკულებში, რომელთა ერთობლივი ელექტრონული წყვილი ასიმეტრიულია ატომების ბირთვებთან მიმართებაში, მოიცავს წყალბადის ჰალოგენებს, მჟავებს, ქალკოგენების ნაერთებს წყალბადთან და მჟავა ოქსიდებთან. ეს არის სულფატური და ნიტრატული მჟავები, გოგირდის და ფოსფორის ოქსიდები, წყალბადის სულფიდი და ა.შ. მაგალითად, ქლორიდის წყალბადის მოლეკულა შეიცავს ერთ საერთო ელექტრონულ წყვილს.წარმოიქმნება წყალბადის და ქლორის დაუწყვილებელი ელექტრონებით. ის უფრო ახლოს არის Cl ატომის ცენტრთან, რომელიც უფრო ელექტროუარყოფითი ელემენტია. ყველა ნივთიერება, რომელსაც აქვს პოლარული ბმა წყალხსნარებში, იშლება იონებად და ატარებს ელექტრო დენს. ნაერთებს, რომლებსაც აქვთ პოლარული კოვალენტური ბმა, რომლის მაგალითებიც ჩვენ მოვიყვანეთ, ასევე აქვთ უფრო მაღალი დნობის და დუღილის წერტილები მარტივ არამეტალურ ნივთიერებებთან შედარებით.
ქიმიური ბმების გაწყვეტის მეთოდები
ორგანულ ქიმიაში, გაჯერებული ნახშირწყალბადების ჩანაცვლების რეაქციები ჰალოგენებით მიჰყვება რადიკალურ მექანიზმს. მეთანისა და ქლორის ნარევი შუქზე და ჩვეულებრივ ტემპერატურაზე რეაგირებს ისე, რომ ქლორის მოლეკულები იწყებენ დაშლას ნაწილაკებად, რომლებიც ატარებენ დაუწყვილებელ ელექტრონებს. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, შეინიშნება საერთო ელექტრონული წყვილის განადგურება და ძალიან აქტიური რადიკალების -Cl წარმოქმნა. მათ შეუძლიათ გავლენა მოახდინონ მეთანის მოლეკულებზე ისე, რომ არღვევენ კოვალენტურ კავშირს ნახშირბადისა და წყალბადის ატომებს შორის. იქმნება აქტიური ნაწილაკი -H და ნახშირბადის ატომის თავისუფალი ვალენტობა იღებს ქლორის რადიკალს და ქლორმეთანი ხდება რეაქციის პირველი პროდუქტი. მოლეკულების გაყოფის ასეთ მექანიზმს ჰომოლიზური ეწოდება. თუ ელექტრონების საერთო წყვილი მთლიანად გადადის ერთ-ერთი ატომის მფლობელობაში, მაშინ ისინი საუბრობენ ჰეტეროლიზურ მექანიზმზე, რომელიც დამახასიათებელია წყალხსნარებში მიმდინარე რეაქციებისთვის. ამ შემთხვევაში, წყლის პოლარული მოლეკულები გაზრდის გახსნილი ნაერთის ქიმიური ბმების განადგურების სიჩქარეს.
ორმაგი და სამმაგიბმულები
ორგანული ნივთიერებების აბსოლუტური უმრავლესობა და ზოგიერთი არაორგანული ნაერთი მათ მოლეკულებში შეიცავს არა ერთ, არამედ რამდენიმე საერთო ელექტრონულ წყვილს. კოვალენტური ბმის სიმრავლე ამცირებს ატომებს შორის მანძილს და ზრდის ნაერთების სტაბილურობას. მათ ჩვეულებრივ მოიხსენიებენ, როგორც ქიმიურად მდგრადობას. მაგალითად, აზოტის მოლეკულაში არის სამი წყვილი ელექტრონი, ისინი სტრუქტურულ ფორმულაში მითითებულია სამი ტირეთი და განსაზღვრავს მის სიძლიერეს. მარტივი ნივთიერება აზოტი ქიმიურად ინერტულია და შეუძლია რეაგირება მოახდინოს სხვა ნაერთებთან, როგორიცაა წყალბადი, ჟანგბადი ან ლითონები, მხოლოდ გაცხელებისას ან მომატებული წნევის დროს, აგრეთვე კატალიზატორების თანდასწრებით.
ორმაგი და სამმაგი ბმები თანდაყოლილია ორგანული ნაერთების ისეთ კლასებში, როგორიცაა უჯერი დიენის ნახშირწყალბადები, აგრეთვე ეთილენის ან აცეტილენის სერიის ნივთიერებები. მრავალი ბმა განსაზღვრავს ძირითად ქიმიურ თვისებებს: დამატების და პოლიმერიზაციის რეაქციები, რომლებიც წარმოიქმნება მათი გაწყვეტის წერტილებში.
ჩვენს სტატიაში ჩვენ მივეცით კოვალენტური ბმის ზოგადი აღწერა და განვიხილეთ მისი ძირითადი ტიპები.
