طول پیوند هسته

طول پیوند هسته:
طول پیوند (Bond Length) یا فاصله پیوند (Bond Distance) به فاصله میانگین بین دو هسته دو اتم پیوندی در یک مولکول گفته می شود. طول پیوند در فاز گازی به کمک طیف سنجی ریز موج و در فاز جامد به کمک پراش اشعه ایکس به صورت تقریبی اندازه گیری شده است.

توجه داشته باشید که پیوند بین دو اتم می تواند در مولکول های مختلف با یکدیگر متفاوت باشند. مثلا، پیوند بین اتم های کربن و هیدروژن در مولکول های متان و متیل کلرید با هم تفاوت دارند. لازم به ذکر است که طول پیوند با انرژی پیوند و همچنین مرتبه پیوند مرتبط می باشد. 

نحوه محاسبه فاصله پیوند:
پیوند های یونی و کووالانسی دو پیوند متداول بین اتم های مولکول ها می باشند. به عنوان مثال پیوند کووالانسی را در نظر بگیرید. این پیوند از مشارکت الکترون ها به وجود می آید. در واقع اتم هایی که برای رسیدن به آرایش الکترونی پایدار (آرایش اکتت) نیاز به الکترون دارند، الکترون های لایه والانس خود را با سایر اتم ها به اشتراک می گذارند.

دو اتم شرکت کننده در پیوند کووالانسی، تمایل دارند که به پایین ترین سطح انرژی ممکن دست یابند. بنابراین این دو اتم در فاصله ای از یکدیگر که متناظر با کمترین سطح انرژی ممکن است قرار می گیرند. به این فاصله طول پیوند کووالانسی گفته می شود.

لازم به ذکر است که طول پیوند در گذشته بر اساس واحد آنگستروم تعریف می شد، اما امروزه به صورت پیکومتر (pm) بیان می شود. فاصله پیوند های کووالانسی در اغلب پیوند های تشکیل شده در مولکول ها در محدوده 70 تا 300 پیکومتر قرار دارد.

به عنوان نمونه، طول پیوند های کووالانسی در مولکول های جور هسته مانند هیدروژن و کلر که پیوند کووالانسی یگانه تشکیل می دهند، به ترتیب برابر با 74 و 199 پیکومتر می باشد.

در پیوند های کووالانسی که بین دو اتم ناجور هسته تشکیل می شود، مجموع شعاع های کووالانسی دو اتم درگیر در پیوند کووالانسی، طول پیوند را به طور تقریبی بیان می کند. به عنوان مثال طول پیوند کووالانسی در مولکول هیدروژن کلرید برابر با 127 پیکومتر است.

شعاع کووالانسی در حقیقت به نصف طول پیوند کوالانسی پیوند تشکیل شده بین دو اتم یکسان به شرط داشتن دو الکترون پیوندی گفته می شود. لازم به ذکر است که علاوه بر شعاع کووالانسی، شعاع اتمی، شعاع یونی، شعاع فلزی و شعاع وان دروالسی نیز مهم می باشند.

روند تغییرات طول پیوند در جدول تناوبی:
طول پیوند با همان الگوی شعاع اتمی در جدول تناوبی افزایش می یابد. بنابراین روند تناوبی طول پیوند در جدول تناوبی، مشابه روند تناوبی شعاع اتمی می باشد.

در واقع با افزایش اندازه اتم ها و بیشتر شدن فاصله بین دو هسته، فاصله پیوند کووالانسی نیز افزایش پیدا می کند. با توجه به جدول تناوبی مشخص می شود که در هر دوره از سمت چپ به سمت راست، طول پیوند کاهش و در هر گروه از سمت بالا به سمت پایین، طول پیوند افزایش پیدا می کند.

ارتباط بین طول پیوند و انرژی پیوند:
انرژی پیوند، انرژی لازم برای شکستن پیوند کووالانسی به اتم های مجزا می باشد. علاوه بر آن به همان انرژی که در هنگام تشکیل پیوند از اتم های مجزا آزاد می شود نیز انرژی پیوند گفته می شود. در واقع انرژی پیوند کووالانسی به اختلاف پایین ترین سطح انرژی تشکیل دهنده پیوند با سطح انرژی آن دو اتم در حالت دور از یکدیگر نیز گفته می شود. انرژی بیشتر پیوند های کووالانسی در محدوده 100 تا 1000 قرار kJ/mol دارد.

با افزایش اندازه اتم های درگیر در پیوند، الکترون های اشتراکی در فاصله دورتر از هسته اتم دیگر قرار می گیرند، بنابراین جاذبه کمتری را احساس می کنند. از این رو انرژی پیوند با اندازه اتم ها رابطه ای معکوس دارد. همانطور که در بخش قبل بیان شد، طول پیوند کووالانسی با افزایش اندازه اتم ها افزایش پیدا می کند. بنابراین می توان نتیجه گیری کرد که انرژی پیوند و طول پیوند با یکدیگر رابطه معکوس دارند.

توجه داشته باشید که در تمام موارد، با کاهش شعاع اتمی و در نتیجه کاهش فاصله پیوند، انرژی پیوند افزایش پیدا نمی کند. به عنوان مثال با توجه به جدول مشخص می شود که انرژی پیوند F−F کمتر از انرژی پیوند Cl−Cl می باشد.

در حقیقت به دلیل اندازه بسیار کوچک مولکول فلوئور، دافعه قابل توجه ای بر روی جفت الکترون های غیر پیوندی موجود بر روی اتم های فلوئور وجود دارد. بنابراین سبب می شود پیوند مولکول فلر نسبت به مولکول کلر ناپایدار تر و در نتیجه ضعیف تر باشد.

ارتباط بین طول پیوند و مرتبه پیوند:
به تعداد پیوند های شیمیایی که بین دو اتم درگیر در پیوند کووالانسی تشکیل می شود، مرتبه پیوند می گویند. مرتبه پیوند در حقیقت نشان دهنده میزان پایداری یک پیوند می باشد. در واقع بین دو اتم درگیر در پیوند کووالانسی ممکن است بیش از یک پیوند تشکیل شود.

در این حالت می توان گفت که اتم ها با پیوند های چند گانه به یکدیگر متصل شده اند. با رسم ساختار لوئیس می توان مرتبه پیوند را به دست آورد.

طول پیوند و مرتبه پیوند با یکدیگر رابطه معکوس دارند. در واقع با افزایش مرتبه پیوند، تعداد الکترون های اشتراکی و در نتیجه جاذبه الکترون ها با هسته ها افزایش یافته است. بنابراین اتم ها بیشتر به یکدیگر نزدیک می شوند و در نتیجه فاصله پیوند کاهش می یابد.

فاصله پیوند در ترکیبات آلی:
ترکیب آلی به گونه ای از ماده که در مولکول های خود دارای اتم های کربن می باشد گفته می شود. اتم های کربن معمولا با پیوند یگانه با یکدیگر پیوند می دهند. در پیوند سیگما، اتم کربن با اوربیتال هیبریدی sp3 در پیوند درگیر می شود.

توجه داشته باشید که در پیوند کربن با دیگر اتم ها، اوربیتال های sp یا sp2 نیز می توانند در پیوند شرکت کنند. در واقع اتم های کربن در آلکن ها و آلکین ها به ترتیب پیوند های دوگانه و سه گانه برقرار می کنند. با تغییر اوربیتال های هیبریدی، طول پیوند کربن - کربن تغییر می کند.