1.5: توسعه نظریه پیوند شیمیایی
- Page ID
- 215673
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)در اواسط دهه 1800، علم جدید شیمی به ویژه در اروپا به سرعت در حال توسعه بود و شیمیدانان شروع به بررسی نیروهایی کردند که ترکیبات را در کنار هم نگه می داشتند. در سال 1858، شیمیدان آلمانی آگوست ککوله و شیمیدان اسکاتلندی Archibald Couper به طور مستقل پیشنهاد کردند که در تمام ترکیبات آلی، کربن چهار ظرفیتی است - همیشه هنگام پیوستن به عناصر دیگر برای تشکیل ترکیبات پایدار، چهار پیوند ایجاد می کند. علاوه بر این، Kekulé گفت، اتم های کربن می توانند به یکدیگر متصل شوند تا زنجیره های گسترده ای از اتم های مرتبط را تشکیل دهند. در سال 1865، Kekulé یک پیشرفت بزرگ دیگر را ارائه داد، زمانی که او پیشنهاد کرد که زنجیره های کربن می توانند دو برابر شوند تا حلقه هایی از اتم ها را تشکیل دهند.
اگرچه ککوله و کوپر در توصیف ماهیت چهار ظرفیتی کربن درست بودند، اما شیمی تا سال ۱۸۷۴ همچنان به صورت دوبعدی مشاهده میشد. در آن سال، شیمیدان هلندی Jacobus van 't Hoff و شیمیدان فرانسوی Joseph Le Bel بعد سوم را به ایده های ما در مورد ترکیبات آلی اضافه کردند، زمانی که پیشنهاد کردند که چهار پیوند کربن به طور تصادفی جهت گیری نشده اند اما دارای جهت های مکانی خاص هستند. ونات هاف حتی از این هم فراتر رفت و پیشنهاد کرد که چهار اتمی که کربن به آنها پیوند خورده است در گوشه های یک چهاروجهی منظم قرار دارند و کربن در مرکز آن قرار دارد.
نمایشی از یک اتم کربن چهار وجهی در شکل نشان داده شده است. \(\PageIndex{1}\) به قراردادهای مورد استفاده برای نشان دادن سه بعدی بودن توجه کنید: خطوط جامد نشان دهنده پیوندهایی در صفحه صفحه هستند، خط گوه سنگین نشان دهنده پیوندی است که از صفحه به سمت بیننده بیرون می آید، و خط خطی نشان دهنده پیوندی است که پشت صفحه عقب می رود، دور از بیننده. به آنها عادت کنید؛ این بازنمایی ها در سراسر متن استفاده می شود.
با این حال، چرا اتم ها با هم پیوند می خورند و چگونه می توان پیوندهای شیمیایی را به صورت الکترونیکی توصیف کرد؟ پاسخ به سوال چرا نسبتاً آسان است: اتمها به هم پیوند می خورند زیرا ترکیبی که نتیجه می دهد پایدارتر و انرژی کمتری نسبت به اتم های جداگانه دارد. انرژی - معمولاً به صورت گرما - همیشه آزاد می شود و هنگام تشکیل پیوند از سیستم شیمیایی خارج می شود. برعکس، هنگامی که یک پیوند شکسته می شود، انرژی به سیستم شیمیایی اضافه می شود. ایجاد پیوندها همیشه انرژی آزاد می کند و شکستن پیوندها همیشه انرژی را جذب می کند. سوال چگونه سخت تر است. برای پاسخ به آن، ما باید بیشتر در مورد خواص الکترونیکی اتم ها بدانیم.
ما از طریق مشاهده می دانیم که هشت الکترون (یک اکتت الکترون) در بیرونی ترین پوسته اتم یا پوسته ظرفیت، ثبات ویژه ای را به عناصر گاز نجیب در گروه 8A جدول تناوبی می دهد: Ne (2 + 8)؛ Ar (2 + 8 + 8)؛ Kr (2 + 8 + 18 + 8). ما همچنین می دانیم که شیمی عناصر گروه اصلی در سمت چپ و راست جدول تناوبی بر اساس تمایل آنها به گرفتن پیکربندی الکترونی نزدیکترین گاز نجیب اداره می شود. به عنوان مثال، فلزات قلیایی مانند سدیم در گروه 1A با از دست دادن الکترون تک s از پوسته ظرفیت خود برای تشکیل کاتیون، به پیکربندی گاز نجیب دست می یابند، در حالی که هالوژن هایی مانند کلر در گروه 7A به پیکربندی گاز نجیب دست می یابند. با به دست آوردن یک الکترون p برای پر کردن پوسته ظرفیت خود و تشکیل یک آنیون. یونهای حاصل در ترکیباتی مانند Na + Cl - توسط جاذبه الکتریکی بارهای متفاوت که ما آن را پیوند یونی می نامیم، در کنار هم نگه داشته می شوند.
اما چگونه عناصر نزدیک به وسط جدول تناوبی پیوند تشکیل می دهند؟ به عنوان مثال به متان، CH 4، ماده اصلی تشکیل دهنده گاز طبیعی نگاه کنید. پیوند در متان یونی نیست زیرا برای کربن (1 s 2 2 2 p 2 p 2) انرژی زیادی برای به دست آوردن یا از دست دادن چهار الکترون برای دستیابی به پیکربندی گاز نجیب لازم است. در عوض، کربن به اتم های دیگر پیوند می خورد، نه با به دست آوردن یا از دست دادن الکترون ها، بلکه با به اشتراک گذاشتن آنها. چنین پیوند الکترون اشتراکی که اولین بار در سال 1916 توسط شیمیدان آمریکایی G.N. Lewis پیشنهاد شد، پیوند کووالانسی نامیده می شود. مجموعه خنثی اتم هایی که توسط پیوندهای کووالانسی در کنار هم نگه داشته می شوند، مولکول نامیده می شود. ترکیبات یونی مانند کلرید سدیم، مولکول نامیده نمی شوند.
یک روش ساده برای نشان دادن پیوندهای کووالانسی در مولکول ها استفاده از آنچه ساختارهای لوئیس یا ساختارهای نقطه الکترونی نامیده می شوند، است که در آن الکترون های پوسته والنس-اتم به صورت نقطه نمایش داده می شوند. بنابراین، هیدروژن دارای یک نقطه است که الکترون 1 ثانیه آن را نشان می دهد، کربن دارای چهار نقطه (2 ثانیه 2 2 p 2 p 2)، اکسیژن دارای شش نقطه است (2 ثانیه 2 2 p 4) و غیره. یک مولکول پایدار هر زمان که یک پیکربندی گاز نجیب از هشت نقطه (یک اکتت) برای همه اتم های گروه اصلی یا دو نقطه برای هیدروژن حاصل شود، نتیجه می گیرد. حتی ساده تر از ساختارهای لوئیس، استفاده از ساختارهای Kekulé یا ساختارهای پیوند خطی است که در آن پیوندهای کووالانسی دو الکترونی به صورت خطوط کشیده شده بین اتم ها نشان داده می شوند.
تعداد پیوندهای کووالانسی که یک اتم تشکیل می دهد به تعداد الکترون های ظرفیتی اضافی که برای رسیدن به پیکربندی گاز نجیب نیاز دارد بستگی دارد. هیدروژن یک الکترون ظرفیت (1 ثانیه) دارد و برای رسیدن به پیکربندی هلیوم (1 ثانیه 2) فقط به یک الکترون دیگر نیاز دارد، بنابراین یک پیوند تشکیل می دهد. کربن دارای چهار الکترون ظرفیت (2 ثانیه 2 2 p 2) است و برای رسیدن به پیکربندی نئون به چهار الکترون دیگر نیاز دارد (2 s 2 2 p 6)، بنابراین چهار پیوند تشکیل می دهد. نیتروژن دارای پنج الکترون ظرفیت (2 ثانیه 2 2 p 3) است، نیاز به سه بیشتر دارد و سه پیوند را تشکیل می دهد؛ اکسیژن دارای شش الکترون ظرفیت (2 s 2 2 p 4)، نیاز به دو دیگر دارد و دو پیوند را تشکیل می دهد؛ و هالوژن ها دارای هفت الکترون ظرفیت هستند، نیاز به یک دیگر دارند و یک پیوند را تشکیل می دهند.
الکترون های ظرفیتی که برای پیوند استفاده نمی شوند به عنوان نقطه در ساختارها باقی می مانند و الکترون های جفت منفرد یا الکترون های غیر پیوندی نامیده می شوند. به عنوان مثال، اتم نیتروژن در آمونیاک، NH 3، شش الکترون ظرفیت را در سه پیوند کووالانسی به اشتراک می گذارد و دو الکترون ظرفیت باقیمانده خود را به عنوان دو نقطه در یک جفت تنها غیر پیوندی دارد. به عنوان کوتاه مدت صرفه جویی در زمان، الکترون های غیر پیوندی اغلب هنگام ترسیم ساختارهای پیوند خطی حذف می شوند، اما شما هنوز هم باید آنها را در نظر داشته باشید زیرا آنها اغلب در واکنش های شیمیایی بسیار مهم هستند.
فسفر در تشکیل فسفین، PH به چند اتم هیدروژن پیوند می دهد؟ ؟
استراتژی
گروه دوره ای فسفر را شناسایی کنید و از آن دریابید که چه تعداد الکترون (پیوند) برای ایجاد یک اکتت مورد نیاز است.
راه حل
فسفر در گروه 5A جدول تناوبی است و دارای پنج الکترون ظرفیت است. بنابراین باید سه الکترون دیگر را به اشتراک بگذارد تا یک اکتت ایجاد کند و بنابراین به سه اتم هیدروژن پیوند می دهد و PH 3 را می دهد.
هر دو ساختار الکترون-نقطه و پیوند خطی را برای کلرومتان، CH 3 Cl بکشید.
استراتژی
به یاد داشته باشید که یک پیوند کووالانسی - یعنی یک جفت الکترون مشترک - به عنوان یک خط بین اتم ها نشان داده می شود.
راه حل
هیدروژن دارای یک الکترون ظرفیت، کربن دارای چهار الکترون ظرفیت و کلر دارای هفت الکترون ظرفیت است. بنابراین، کلرومتان به صورت نشان داده می شود
یک مولکول کلروفرم، CHCl 3 را با استفاده از خطوط جامد، گوه ای و خط دار بکشید تا هندسه چهار وجهی آن را نشان دهید.
- پاسخ
-
نمایش زیر اتان، C 2 H 6 را به یک نقاشی معمولی تبدیل کنید که از خطوط جامد، گوه ای و خط دار برای نشان دادن هندسه چهار وجهی در اطراف هر کربن استفاده می کند (سیاه = C، خاکستری = H).
- پاسخ
-
فرمول های احتمالی برای مواد زیر چیست؟
(الف) \(\mathrm{CCl}_{\text {? }}\) (ب) \(\mathrm{AlH}_{\text {? }}\) (ج) \(\mathrm{CH}_{\text {? }}\mathrm{Cl}_2\) (د) \(\mathrm{SiF}_{\text {? }}\) (ه) \(\mathrm{CH}_3 \mathrm{NH}_{\text {? }}\)
- پاسخ
-
(الف) \(\mathrm{CCl}_4\) (ب) \(\mathrm{AlH}_3\) (ج) \(\mathrm{CH}_2 \mathrm{Cl}_2\) (د) \(\mathrm{SiF}_4\) (ه) \(\mathrm{CH}_3 \mathrm{NH}_2\)
ساختارهای پیوند خطی را برای مواد زیر بنویسید، تمام الکترونهای غیر پیوندی را نشان دهید:
- \(\mathrm{CHCl}_3\)، کلروفرم
- \(\mathrm{H}_2 \mathrm{S}\), سولفید هیدروژن
- \(\mathrm{CH}_3 \mathrm{NH}_2\)، متیل آمین
- \(\mathrm{CH}_3 \mathrm{Li}\)، متیل لیتیوم
- پاسخ
-
چرا یک مولکول آلی نمی تواند فرمول داشته باشد\(\mathrm{C}_2 \mathrm{H}_7\)؟
- پاسخ
-
C 2 H 7 دارای هیدروژن بیش از حد برای یک ترکیب با دو کربن است.