پیوند شیمیایی: نیروی نامرئی سازندهٔ جهان
پیوند شیمیایی چیست و چرا تشکیل میشود؟
همهٔ مواد اطراف ما، از هوایی که تنفس میکنیم تا غذایی که میخوریم، از ذرات ریزی به نام اتم۱ ساخته شدهاند. اما این اتمها چگونه به هم متصل میشوند تا این همه مادهٔ مختلف را بسازند؟ پاسخ در مفهوم پیوند شیمیایی نهفته است. پیوند شیمیایی نیروی جاذبهای است که اتمها یا یونها را در یک ترکیب در کنار هم نگه میدارد.
اتمها برای اینکه به حالت پایدار و با انرژی کمتر برسند، با یکدیگر پیوند برقرار میکنند. یک قانون ساده به نام قاعدهٔ اکتت۲ (هشتتایی) میگوید که بسیاری از اتمها تمایل دارند در لایهٔ آخر خود 8 الکترون داشته باشند (مانند گازهای نجیب). اتمها برای رسیدن به این آرایش پایدار، سه راه اصلی در پیش میگیرند: یا الکترون میدهند، یا الکترون میگیرند، یا الکترونها را با هم به اشتراک میگذارند. همین سه روش، اساس تشکیل سه نوع پیوند اصلی است.
سه نوع اصلی پیوند شیمیایی
پیوندهای شیمیایی را میتوان بر اساس نحوهٔ برقراری ارتباط بین اتمها به انواع مختلفی تقسیم کرد. در اینجا سه نوع اصلی و پرکاربرد را بررسی میکنیم که خواص کاملاً متفاوتی به مواد میبخشند.
| نوع پیوند | چگونگی تشکیل | بین چه اتمهایی؟ | مثال ملموس |
|---|---|---|---|
| پیوند یونی | انتقال کامل الکترون از یک اتم به اتم دیگر. اتم دهنده بار مثبت (+) و اتم گیرنده بار منفی (-) میگیرد و این بارهای مخالف یکدیگر را جذب میکنند. | معمولاً بین یک فلز (دهندهٔ الکترون) و یک نافلز (گیرندهٔ الکترون). | NaCl یا نمک خوراکی. سدیم (فلز) یک الکترون به کلر (نافلز) میدهد. |
| پیوند کووالانسی | اشتراکگذاری یک یا چند جفت الکترون بین دو اتم. هیچ انتقال کامل الکترونی رخ نمیدهد. | معمولاً بین دو نافلز. | H₂O یا آب. هر اتم هیدروژن یک الکترون را با اتم اکسیژن به اشتراک میگذارد. |
| پیوند فلزی | الکترونهای لایهٔ بیرونی اتمهای فلز، آزادانه در شبکهٔ منظمی از اتمهای مثبت حرکت میکنند. این "دریای الکترون" اتمها را به هم میچسباند. | فقط بین اتمهای یک فلز. | مس در سیم برق، آهن، طلا. این پیوند مسئول درخشش و رسانایی فلزات است. |
پیوندها چگونه خواص مواد را تعیین میکنند؟
نوع پیوند شیمیایی در یک ماده، مستقیماً بر ویژگیهای فیزیکی آن که ما در زندگی روزمره مشاهده میکنیم تأثیر میگذارد. درک این ارتباط، کلید فهم دنیای مواد است.
پیوند یونی، مانند پیوند در نمک خوراکی، معمولاً بسیار قوی و پایدار است. به همین دلیل مواد یونی نقطه ذوب و جوش بالایی دارند (نمک در دمای 801 درجه سانتیگراد ذوب میشود). این مواد در حالت جامد رسانای جریان برق نیستند، اما زمانی که در آب حل میشوند یا ذوب میگردند، یونهای آزاد میتوانند بار الکتریکی را منتقل کنند. همچنین این مواد معمولاً سخت اما شکننده هستند؛ یعنی اگر با چکش به بلور نمک ضربه بزنید، میشکند اما له نمیشود.
پیوند کووالانسی میتواند قوی باشد (مانند پیوند در الماس) اما مولکولهای کووالانسی مانند آب یا شکر، نیروی بین مولکولی ضعیفتری دارند. به همین دلیل بسیاری از مواد کووالانسی نقطه ذوب و جوش پایینتری دارند (آب در 100 درجه میجوشد). آنها معمولاً در حالت عادی رسانای برق نیستند (سیم برق را از مس میسازند، نه از شکر!). بسیاری از مواد کووالانسی مانند اکسیژن یا متان در دمای اتاق گاز هستند.
پیوند فلزی دلیل اصلی خواص منحصر به فرد فلزات است. الکترونهای آزاد و متحرک باعث میشوند فلزات رسانای بسیار خوبی برای گرما و الکتریسیته باشند. همچنین این ساختار باعث میشود لایههای اتمی فلز بتوانند بدون شکستن روی هم بلغزند؛ به همین خاطر بسیاری از فلزات چکشخوار (قابل تبدیل به ورقه) و مفتولپذیر (قابل تبدیل به سیم) هستند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: بله. وقتی نمک در آب حل میشود، مولکولهای قطبی آب با نیروی قوی خود، یونهای سدیم (+Na) و کلرید (-Cl) را از شبکهٔ بلوری جدا میکنند. به بیان دیگر، پیوند یونی بین این یونها در آب شکسته میشود و یونهای آزاد در آب پخش میشوند. به همین دلیل است که آب نمک میتواند جریان برق را عبور دهد.
پاسخ: اتم اکسیژن برای پایدار شدن نیاز دارد الکترونهایش را با اتم دیگری به اشتراک بگذارد و به آرایش پایدار برسد؛ بنابراین دو اتم اکسیژن با تشکیل یک پیوند کووالانسی دوگانه، مولکول O₂ را میسازند. اما اتم هلیوم از ابتدا در لایهٔ الکترونی خود 2 الکترون دارد که برای آن آرایشی پایدار است (مشابه گاز نجیب). بنابراین نیازی به تشکیل پیوند با اتم دیگری ندارد و به صورت تکاتمی پایدار است.
پاسخ: خیر. پیوند کووالانسی میتواند بین اتمهای مختلف نیز تشکیل شود. مانند پیوند بین اتمهای هیدروژن و اکسیژن در مولکول آب. اگر اتمها متفاوت باشند، معمولاً الکترونها به صورت مساوی به اشتراک گذاشته نمیشوند که به آن پیوند کووالانسی قطبی میگویند. در مولکول آب، الکترونها وقت بیشتری را نزد اتم اکسیژن میگذرانند.
پاورقی
۱. اتم (Atom): کوچکترین ذرهٔ یک عنصر شیمیایی که هویت آن عنصر را حفظ میکند.
۲. قاعدهٔ اکتت (Octet Rule): یک قاعدهٔ تجربی که بیان میدارد اتمها تمایل دارند با از دست دادن، گرفتن یا به اشتراک گذاشتن الکترون، لایهٔ ظرفیت خود را با هشت الکترون پر کنند تا به پایداری گازهای نجیب برسند.
۳. یون (Ion): یک اتم یا گروهی از اتمها که با از دست دادن یا گرفتن الکترون، دارای بار الکتریکی مثبت (کاتیون) یا منفی (آنیون) شدهاند.
۴. الکترونگاتیوی (Electronegativity): معیاری برای سنجش تمایل یک اتم برای جذب الکترونهای پیوندی به سمت خود.
۵. گاز نجیب (Noble Gas): عناصر گروه هجدهم جدول تناوبی که به دلیل پایداری بالا (لایهٔ ظرفیت کامل) واکنشپذیری بسیار کمی دارند، مانند هلیوم و نئون.
