پیوند اشتراکی (کووالانسی): نیروی جاذبهای ناشی از به اشتراک گذاشتن الکترون میان اتمها
از اتم تنها تا مولکول پایدار: چرا اشتراک ضروری است؟
همهی مواد اطراف ما از اتمها ساخته شدهاند. اما اتمها به تنهایی، به جز در موارد نادری مانند گازهای نجیب، تمایلی به تنها ماندن ندارند. دلیل این امر به تعداد الکترونهای لایهی آخر یا همان الکترونهای والانس برمیگردد. قاعدهی اکتت6 میگوید که اتمها تمایل دارند لایهی والانس خود را با 8 الکترون پر کنند (یا در مورد هیدروژن و هلیوم، 2 الکترون) تا به آرایش پایدار گاز نجیب برسند.
یک راه برای رسیدن به این آرایش پایدار، به اشتراک گذاشتن الکترون با اتم دیگری است. وقتی دو اتم غیرفلز7 به هم نزدیک میشوند، اوربیتالهای والانس آنها بر همپوشانی میکنند و یک جفت الکترون مشترک شکل میگیرد. این جفت الکترون مشترک مانند یک چسب نامرئی، هر دو اتم را با نیروی جاذبهی الکترواستاتیکی8 به هم متصل میکند. به این نیرو و پدیده، پیوند اشتراکی میگویند. نتیجهی این اتصال، تشکیل یک ذرهی جدید به نام مولکول9 است.
انواع و دستهبندی پیوندهای اشتراکی
پیوندهای اشتراکی را میتوان بر اساس تعداد جفت الکترونهای مشترک و همچنین توزیع الکترونها بین اتمها دستهبندی کرد. این دستهبندی به درک خواص مختلف مواد کمک شایانی میکند.
| نوع پیوند | تعداد جفت الکترون مشترک | نماد خطی | مثال معروف | استحکام نسبی |
|---|---|---|---|---|
| پیوند یگانه10 | 1 جفت | $A-B$ یا $A \singlebond B$ | اتان ($H_3C-CH_3$) | ضعیفتر |
| پیوند دوگانه11 | 2 جفت | $A=B$ یا $A \doublebond B$ | اکسیژن ($O=O$)، اتیلن ($H_2C=CH_2$) | قویتر |
| پیوند سهگانه12 | 3 جفت | $A \equiv B$ یا $A \triplebond B$ | نیتروژن ($N \equiv N$)، استیلن ($HC \equiv CH$) | قویترین |
دستهبندی دیگر بر اساس چگالی الکترونی و الکترونگاتیوی13 است. الکترونگاتیوی، توانایی یک اتم برای جذب الکترونهای پیوندی به سمت خود است.
- پیوند اشتراکی ناقطبی14: زمانی رخ میدهد که دو اتم یکسان (مانند $Cl_2$) یا اتمهایی با الکترونگاتیوی بسیار نزدیک به هم، الکترونها را بهطور مساوی به اشتراک بگذارند. چگالی الکترونهای مشترک بهطور متقارن توزیع شده است.
- پیوند اشتراکی قطبی15: زمانی تشکیل میشود که دو اتم متفاوت با اختلاف الکترونگاتیوی قابلتوجه (ولی نه خیلی زیاد) الکترونها را به اشتراک بگذارند. در این حالت، جفت الکترون مشترک بیشتر وقت خود را نزدیک اتم با الکترونگاتیوی بالاتر میگذراند. این امر باعث ایجاد یک انتهای جزئی منفی ($\delta^-$) روی اتم الکترونگاتیوتر و یک انتهای جزئی مثبت ($\delta^+$) روی اتم دیگر میشود. مثال کلاسیک آن، مولکول آب است که در آن اکسیژن بار $\delta^-$ و هیدروژنها بار $\delta^+$ دارند.
پیوند اشتراکی در عمل: از مولکول آب تا DNA
برای درک عینی اهمیت پیوند اشتراکی، کافی است به بدن خود و محیط اطراف نگاه کنید. تقریباً تمام مولکولهای تشکیلدهندهی موجودات زنده، توسط این نوع پیوند ساخته شدهاند.
مثال ۱: آب، مایهی حیات. هر مولکول آب ($H_2O$) از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن تشکیل شده است. اکسیژن، 6 الکترون والانس دارد و برای پر کردن لایهی خود به 2 الکترون دیگر نیاز دارد. هر هیدروژن 1 الکترون والانس دارد و به 1 الکترون دیگر نیازمند است. بنابراین، اکسیژن با هر هیدروژن یک جفت الکترون به اشتراک میگذارد: یک جفت از اکسیژن و دیگری از هیدروژن. نتیجه، تشکیل دو پیوند اشتراکی قطبی است که مولکول آب را میسازند. همین قطبی بودن، دلیل حل شدن نمک در آب و جذب مولکولهای آب به یکدیگر است.
مثال ۲: سوخت و غذا. گاز متان ($CH_4$) که اصلیترین جزء گاز طبیعی است، از پیوندهای اشتراکی بین یک اتم کربن و چهار اتم هیدروژن تشکیل شده است. مولکول گلوکز یا قند خون ($C_6H_{12}O_6$) یک شبکهی پیچیده از پیوندهای اشتراکی یگانه و دوگانه بین اتمهای کربن، هیدروژن و اکسیژن است. انرژی ذخیره شده در این پیوندها هنگام شکسته شدن در سلولهای بدن، آزاد میشود و به ما نیرو میدهد.
مثال ۳: مادهی وراثتی. نردبان مارپیچ DNA از دو رشته تشکیل شده که توسط تعداد بیشماری پیوند اشتراکی درون هر رشته و پیوندهای ضعیفتر بین دو رشته در کنار هم نگه داشته شدهاند. ستون فقرات این نردبان، زنجیرهای از اتمها است که با پیوندهای اشتراکی به هم متصل شدهاند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پیوند اشتراکی، نیروی بنیادی است که دنیای مولکولها را میسازد. از هوایی که تنفس میکنیم ($O_2$, $N_2$) تا آبی که مینوشیم ($H_2O$) و مولکولهای پیچیدهای که وجود ما را تعریف میکنند (پروتئینها، DNA)، همه و همه محصول این اتحاد هوشمندانهی اتمها از طریق به اشتراک گذاری الکترون هستند. درک این مفهوم نه تنها کلید فهم شیمی، بلکه دریچهای به شناخت سازوکار حیات و مواد اطرافمان است.
پاورقی
1 پیوند (Bond)
2 آرایش پایدار (Stable Configuration)
3 گاز نجیب (Noble Gas)
4 جفت الکترون (Electron Pair)
5 الکترون والانس (Valence Electron)
6 قاعده اکتت (Octet Rule)
7 غیرفلز (Nonmetal)
8 نیروی الکترواستاتیکی (Electrostatic Force)
9 مولکول (Molecule)
10 پیوند یگانه (Single Bond)
11 پیوند دوگانه (Double Bond)
12 پیوند سهگانه (Triple Bond)
13 الکترونگاتیوی (Electronegativity)
14 پیوند اشتراکی ناقطبی (Nonpolar Covalent Bond)
15 پیوند اشتراکی قطبی (Polar Covalent Bond)
16 پیوند یونی (Ionic Bond)
