4: پیوند شیمیایی و هندسه مولکولی
- Page ID
- 217402
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)پیوند شیمیایی جاذبه ای بین اتم ها است که امکان تشکیل مواد شیمیایی را فراهم می کند که حاوی دو یا چند اتم هستند. پیوند ناشی از نیروی الکترواستاتیک جاذبه بین بارهای مخالف، یا بین الکترون ها و هسته ها، یا در نتیجه جاذبه دو قطبی است. همه پیوندها را می توان با نظریه کوانتومی توضیح داد، اما در عمل، قوانین ساده سازی به شیمیدانان اجازه می دهد تا قدرت، جهت و قطبیت پیوندها را پیش بینی کنند. قاعده اکتت و نظریه VSEPR دو مثال هستند. نظریه های پیچیده تر نظریه پیوند ظرفیت است که شامل هیبریداسیون و رزونانس اوربیتال و ترکیب خطی روش اوربیتال مولکولی اوربیتال اتمی است. الکترواستاتیک برای توصیف قطبیت های پیوند و اثرات آنها بر مواد شیمیایی استفاده می شود.
- 4.1: مقدمه
- مدت هاست که شناخته شده است که کربن خالص در اشکال مختلف (آلوتروپ ها) از جمله گرافیت و الماس رخ می دهد. اما تا سال 1985 شکل جدیدی از کربن شناخته شد: buckminsterfullerene، که معمولاً به عنوان «باکی بال» شناخته می شود. شواهد تجربی فرمول C60 را نشان داد و سپس دانشمندان تعیین کردند که چگونه 60 اتم کربن می توانند یک مولکول متقارن و پایدار را تشکیل دهند. آنها توسط نظریه پیوند هدایت شدند - موضوع این فصل - که توضیح می دهد چگونه اتم های فردی متصل می شوند تا ترکیب بیشتری را تشکیل دهند
- 4.2: پیوند یونی
- اتم ها الکترون ها را به دست می آورند یا از دست می دهند تا یون ها را با تنظیمات الکترون به ویژه پایدار تشکیل دهند. بارهای کاتیون های تشکیل شده توسط فلزات نماینده ممکن است به راحتی تعیین شود، زیرا، به استثنای چند مورد، ساختارهای الکترونیکی این یون ها یا یک پیکربندی گاز نجیب یا یک پوسته الکترونی کاملاً پر شده دارند. بارهای آنیون های تشکیل شده توسط غیر فلزات نیز ممکن است به راحتی تعیین شود زیرا این یون ها زمانی تشکیل می شوند که اتم های غیر فلزی الکترون کافی برای پر کردن پوسته ظرفیت خود به دست می آورند.
- 4.3: پیوند کووالانسی
- پیوندهای کووالانسی زمانی تشکیل می شوند که الکترون ها بین اتم ها به اشتراک گذاشته شوند و توسط هسته های هر دو اتم جذب شوند. در پیوندهای کووالانسی خالص، الکترونها بهطور مساوی به اشتراک گذاشته میشوند. در پیوندهای کووالانسی قطبی، الکترونها به طور نابرابر به اشتراک گذاشته میشوند، زیرا یک اتم نیروی جاذبه قویتری نسبت به اتم دیگر بر الکترونها وارد میکند. توانایی یک اتم در جذب یک جفت الکترون در یک پیوند شیمیایی، الکترونگاتیوی آن نامیده می شود.
- 4.4: نامگذاری شیمیایی
- ساختارهای الکترونی والنس را میتوان با کشیدن نمادهای لوئیس (برای اتمها و یونهای تک اتمی) و ساختارهای لوئیس (برای مولکولها و یونهای چند اتمی) تجسم کرد. جفت های تنها، الکترون های جفت نشده و پیوندهای تک، دوتایی یا سه گانه برای نشان دادن جایی که الکترون های ظرفیت در اطراف هر اتم در یک ساختار لوئیس قرار دارند، استفاده می شود. اکثر ساختارها، به ویژه آنهایی که حاوی عناصر ردیف دوم هستند، از قانون هشتگانه پیروی می کنند که در آن هر اتم (به جز H) توسط هشت الکترون احاطه شده است. استثنائات oc
- 4.5: نمادها و ساختارهای لوئیس
- قدرت یک پیوند کووالانسی با انرژی تفکیک پیوند آن اندازه گیری می شود، یعنی مقدار انرژی مورد نیاز برای شکستن آن پیوند خاص در یک مول مولکول. پیوندهای چندگانه قوی تر از پیوندهای منفرد بین اتم های یکسان هستند. آنتالپی های واکنش را می توان بر اساس انرژی ورودی مورد نیاز برای شکستن پیوندها و انرژی آزاد شده هنگام تشکیل پیوندهای جدید تخمین زد. برای پیوندهای یونی، انرژی شبکه انرژی مورد نیاز برای جدا کردن یک مول از یک ترکیب به یونهای فاز گازی آن است.
- 4.6: اتهامات رسمی و رزونانس
- در یک ساختار لوئیس، بارهای رسمی را می توان با برخورد با هر پیوند به طوری که نیمی از الکترون ها به هر اتم اختصاص داده شده است، به هر اتم اختصاص داد. این بارهای صوری فرضی راهنمایی برای تعیین مناسبترین ساختار لوئیس هستند. ساختاری که در آن بارهای رسمی تا حد ممکن نزدیک به صفر باشند ترجیح داده می شود. تشدید در مواردی رخ میدهد که دو یا چند ساختار لوئیس با چیدمانهای یکسان از اتمها اما توزیعهای متفاوتی از الکترونها را میتوان نوشت. د واقعی
- 4.7: ساختار مولکولی و قطبیت
- نظریه VSEPR آرایش سه بعدی اتم ها را در یک مولکول پیش بینی می کند. بیان می کند که الکترون های ظرفیت یک هندسه جفت الکترون را در نظر می گیرند که دافعه های بین مناطق با چگالی الکترون بالا (پیوندها و/یا جفت های تنها) را به حداقل می رساند. ساختار مولکولی، که فقط به قرار دادن اتم ها در یک مولکول و نه الکترون ها اشاره دارد، معادل هندسه جفت الکترون تنها زمانی است که هیچ جفت الکترون تنها در اطراف اتم مرکزی وجود نداشته باشد.
- 4.11: تمرینات
- اینها تمرینات مشق شب برای همراهی با TEXTMAP است که برای «شیمی» توسط OpenStax ایجاد شده است. بانک های پرسش و پاسخ شیمی عمومی تکمیلی را می توان برای سایر نقشه های متنی یافت و می توان در اینجا مشاهده کرد. علاوه بر این سوالات در دسترس عموم، دسترسی به بانک مشکلات خصوصی برای استفاده در امتحانات و تکالیف تنها به صورت فردی در دسترس است؛ لطفا با Delmar Larsen برای یک حساب کاربری با مجوز دسترسی تماس بگیرید.