تشکیل و قدرت پیوند کووالانسی

پیوند کووالانسی (Covalent bond) یا پیوند اشتراکی یکی از انواع پیوندهای شیمیایی می باشد. این پیوند از مشارکت الکترونی به وجود می آید.

در واقع اتم هایی که برای رسیدن به آرایش الکترونی پایدار (آرایش الکترونی گاز نجیب یا آرایش هشتایی) نیاز به دریافت اکترون دارند، الکترون های لایه ظرفیت خود را با سایر اتم ها به اشتراک می گذارند. در این شرایط انتقال الکترون از اتمی به اتم دیگر انجام نمی گیرد، بلکه فقط یک جفت الکترون که به آن جفت الکترون پیوندی یا اشتراکی گفته می شود به هسته دو اتم تعلق می گیرد.

تعریف پیوند کووالانسی:
در پیوند کووالانسی اتم ها الکترون های منفرد در لایه ظرفیت خود را با هم به اشتراک می گذارند. کلمه کووالانسی به دلیل همین به اشتراک گذاشتن الکترون های لایه ظرفیت (لایه والانس) می باشد. در واقع پیشوند کو (co-) به معنای همکاری یا با هم است.

بنابراین کووالانس به معنای به اشتراک گذاشتن الکترون های لایه والانس می باشد. به الکترون های والانسی که در تشکیل پیوند شرکت می کنند، الکترون های پیوندی یا اشتراکی گفته می شود و به الکترون های والانسی که در تشکیل پیوند شرکت نمی کنند، الکترون های غیر پیوندی یا ناپیوندی می گویند.

از طرفی به تعداد الکترون هایی که هر اتم در گیر در پیوند به اشتراک می گذارد تا به ظرفیت هشت تایی برسد، ظرفیت کووالانسی آن اتم گفته می شود. به عنوان مثال مولکول HCl را در نظر بگیرید. تعداد الکترون های لایه والانس اتم کلر 7 می باشد، بنابراین کلر برای رسیدن به آرایش هشتایی تنها به یک الکترون نیاز دارد.

لازم به ذکر است که تعداد پیوند هایی که به طور مشخص به وسیله یک اتم خاص در ترکیبات کووالانسی تشکیل می شوند، برابر با ظرفیت آن اتم می باشد.

اهمیت پیوند کووالانسی:
پیوند های کووالانسی اهمیت بسیار زیادی دارند. همانطور که می دانید اتم کربن نقش مهم و محوری در موجودات زنده ایفا می کند. در واقع شیمی موجودات زنده حول و حوش اتم کربن سازماندهی شده است. از طرفی تمام ترکیبات عنصر کربن کووالانسی می باشد.

بنابراین بیشتر مولکول هایی که کربن دارند از طریق پیوند کووالانسی تشکیل می شوند. در حقیقت اتم های کربن با شرکت در پیوند های کووالانسی باعث تولید مولکول های مختلف با زنجیره های بلند (هیدروکربن ها) می شوند. اکثر بیومولکول های زیستی به عنوان مشتقات هیدروکربن ها در نظر گرفته می شوند که در زندگی انسان نقش حیاتی دارند.

تشکیل پیوند کووالانسی:
پیوند کووالانسی بین اتم های عناصر نزدیک به هم در جدول تناوبی تشکیل می شود. در این پیوند اتم ها نه الکترون های خود را از دست می دهند و نه الکترون می گیرند. در واقع تنها الکترون های لایه والانس خود را به اشتراک می گذارند. در این صورت هر یک از دو اتم دارای لایه الکترونی کامل می شوند.

برای اینکه یک عنصر بتواند در پیوند کووالانسی شرکت داشته باشد، باید حداقل لایه الکترونی ظرفیت آن نیمه پر باشد. به عنوان مثال، اکسیژن در مولکول آب دارای 6 الکترون در لایه ظرفیت خود می باشد و نیاز به 2 الکترون دیگر دارد تا لایه والانس خود را کامل کند.

هیدروژن نیز یک الکترون در لایه ظرفیت خود دارد. برای رسیدن به یک ساختار پایدار، یک اتم اکسیژن الکترون های دو اتم هیدروژن را به اشتراک می گیرد و از طرف دیگر اتم اکسیژن دو الکترون خود را با دو اتم هیدروژن برای تشکیل H2O به اشتراک می گذارد.

در این پیوند هیچ یونی تشکیل نمی شود. در واقع پیوندی قوی به واسطه جاذبه الکترون های به اشتراک گذاشته شده با هسته های مثبت تشکیل می شود. الکترون های به اشتراک گذاشته شده بین دو اتم، قبل از تشکیل پیوند کووالانسی تنها تحت تأثیر جاذبه هسته اتم خودشان قرار دارند، اما بعد از تشکیل پیوند، بین دو هسته قرار گرفته و جاذبه هر دو هسته را به طور همزمان احساس می کنند.

به طور کلی پیوند کووالانسی می تواند بین اتم های نا فلزات با یکدیگر (مانند مولکول HCl)، بین اتم های فلزات با یکدیگر (مانند مولکول Na2 در فاز بخار) و در نهایت بین اتم های فلزات و نا فلزات با یکدیگر (مانند پیوند بین اتم های کربن و آهن در مولکول Fe(CO)5) مشاهده شود.

لازم به ذکر است که اتم های فلزات با هم معمولا درگیر پیوند فلزی و همچنین اتم های فلزات و نا فلزات معمولا با هم پیوند یونی تشکیل می دهند. بنابراین پیوندهای کووالانسی معمولا بین دو غیر فلز تشکیل می شود.

در هر اتم غیر فلزی به طور معمول 4، 5، 6 یا 7 الکترون والانس وجود دارد. بنابراین تعداد الکترون های والانسی نافلزات آنقدر زیاد است که این اتم ها نمی توانند با از دست دادن الکترون به آرایش گاز نجیب دست یابند.

بنابراین در غیر فلزات انتقال الکترونی از اتمی به اتم دیگر انجام نمی شود، زیرا توانایی جذب الکترون دو اتم نسبت به یکدیگر مشابه و نزدیک به هم می باشد. در نتیجه نافلزات با جفت کردن الکترون های لایه والانس خود پیوند ایجادکرده و به آرایش پایدار می رسند.

انواع پیوند های کووالانسی:
در پیوند های کووالانسی می توان انواع مختلفی از به اشتراک گذاشتن الکترون ها را در نظر گرفت. دو اتم درگیر در پیوند می توانند یک جفت الکترون یا بیش از یک جفت الکترون به اشتراک بگذارند. از طرفی دیگر الکترون های پیوندی ممکن است به صورت مساوی به وسیله اتم های درگیر در پیوند تامین شده باشند و یا اینکه یکی از اتم ها در مقایسه با اتم های دیگر درگیر در پیوند تعداد الکترون های بیشتری به اشتراک گذاشته باشد (یا حتی ممکن است که تمام الکترون های به اشتراک گذاشته شده به وسیله تنها یک اتم تامین شده باشد). بر این اساس پیوند های کووالانسی به سه دسته تقسیم می شوند.

برای پیش بینی تعداد پیوند های کووالانسی که یک اتم در یک مولکول به وجود می آورد می توان به ساختار لوییس و همچنین تعداد الکترون های مورد نیاز برای پر شدن لایه ظرفیت آن اتم، رجوع کرد. در غیر فلزات، شماره گروه در جدول تناوبی با تعداد الکترون های والانس آن نافلز برابر می باشد.

بنابراین می توان پیش بینی کرد که عناصر گروه هالوژن ها با هفت الکترون والانس، برای رسیدن به هشتایی پایدار تنها یک پیوند کوالانسی، عناصر گروه اکسیژن با شش الکترون والانس، دو پیوند کوالانسی، عناصر گروه نیتروژن با پنج الکترون والانس، سه پیوند کوالانسی و در نهایت عناصر گروه کربن با چهار الکترون والانس، چهار پیوند کوالانسی تشکیل خواهند داد.

پیوند کووالانسی یگانه:
پیوند کووالانسی یگانه (Covalent Bond) از به اشتراک گذاری تنها یک جفت الکترون بین اتم های درگیر در پیوند، ایجاد می شود. به عنوان مثال مولکول F2 را در نظر بگیرید. هر اتم فلوئور هفت الکترون در لایه والانس خود دارد.

با تشکیل یک پیوند کووالانسی بین دو تا اتم فلور، هر اتم فلوئور به آرایش الکترونی پایدار گاز نجیب می رسد. مولکول فلوئور را می توان با نماد F:F یا F -F نشان داد. در ساختار اول، جفت الکترون اشتراکی را با دو نقطه و در ساختار دوم با یک خط کوتاه نشان می دهند. این جفت الکترون پیوندی در حقیقت متعلق به کل مولکول فلوئور می باشد.

پیوند کووالانسی چند گانه
بین دو اتم درگیر در پیوند ممکن است بیش از یک پیوند کووالانسی تشکیل شود. در این حالت می توان گفت که اتم ها با پیوند های چند گانه به یکدیگر متصل می باشند. دو جفت الکترون مشترک (4 الکترون پیوندی) را پیوند دو گانه (Double covalent bond) و سه جفت الکترون مشترک (6 الکترون پیوندی) را پیوند سه گانه (Triple covalent bond) می نامند. در موارد بسیار اندک پیوند های کووالانسی چهار گانه دیده شده است. توجه داشته باشید که پیوند های دو گانه را با دو خط کوتاه و پیوند های سه گانه را با سه خط کوتاه نشان می دهند.

پیوند داتیو:
پیوند داتیو (Dative bond) یا پیوند کئوردینانس (Coordinate covalent bond) پیوندی است که در آن، جفت الکترون پیوندی از یک اتم وارد اوربیتال خالی اتم دیگر می شود.

در واقع شرط تشکیل پیوند داتیو این است که، اتمی که الکترون به اشتراک می گذارد، در لایه ظرفیت خود حداقل یک جفت الکترون غیر پیوندی داشته باشد (به عنوان مثال اتم اکسیژن با دو جفت الکترون نا پیوندی و یا اتم نیتروژن با یک جفت الکترون آزاد) و از طرفی، اتم دیگر نیز حداقل دارای یک اوربیتال خالی در لایه والانس خود باشد.

به عنوان مثال از پیوند داتیو می توان به پیوند یافتن کاتیون هیدروژن با مولکول آمونیاک و تشکیل آمونیوم اشاره کرد. نکته مهم اینجاست که بعد از تشکیل پیوندهای کووالانسی، نمی توان گفت کدامیک از پیوند های N−H، در مولکول آمونیوم داتیو می باشد. در واقع یک پیوند داتیو، از یک پیوند کووالانسی معمولی قابل تشخیص نمی باشد. لازم به ذکر است که بسیاری از ترکیبات کمپلکس در شیمی معدنی نیز پیوند کئوردینانس دارند.

قطبیت پیوند های کووالانسی:
به طور کلی پیوندهای کووالانسی از نظر قطبیت به دو دسته پیوند های قطبی و ناقطبی تقسیم می شوند. اگر دو اتم نا فلزی شرکت کننده در پیوند های کووالانسی دارای مقادیر الکترونگاتیویته یکسان یا مشابه باشند، بنابراین الکترون های پیوندی به شکل متقارن بین دو هسته گردش می کنند.

در این حالت یک پیوند کووالانسی خالص تشکیل می شود (مانند پیوند تشکیل شده بین دو اتم هیدروژن در مولکول H2). به این نوع پیوند، پیوند کووالانسی ناقطبی گفته می شود.

اگر دو اتم نا فلزی متفاوت درگیر پیوند شوند، به دلیل اختلاف الکترونگاتیویته بین دو اتم، الکترون های اشتراکی زمان بیشتری را در نزدیکی هسته یکی از اتم های دو سر پیوند می گذرانند. در این صورت یک سمت پیوند تجمع بار منفی و سمت دیگر کمی از بار منفی خالی شده است. بنابراین یک پیوند کووالانسی قطبی ایجاد می شود (مانند پیوند تشکیل شده بین اتم های هیدروژن و کلر در مولکول HCl).

در پیوند داتیو، به دلیل اینکه دو الکترون پیوندی، از طرف یک اتم تامین می شود، قطبیت پیوند داتیو بیشتر از پیوند های کووالانسی دیگر می باشد. این پیوند یک پیوند یونی نیست اما می توان مولکول را به عنوان مولکولی که دارای کاتیون می باشد در نظر گرفت.

عوامل موثر بر قدرت پیوند کووالانسی:
به طور کلی می توان گفت که استحکام و قدرت یک پیوند کووالانسی، از جاذبه متقابل دو هسته مثبت و ابر منفی الکترون های اشتراکی می باشد. زمانیکه دو اتم به یکدیگر نزدیک شده و الکترون ها را به اشتراک می گذارند، همراه با افزایش جاذبه ها، سطح انرژی پتانسیل کاهش پیدا می کند که امری مطلوب خواهد بود.

به فاصله بین اتم های درگیر در پیوند، طول پیوند گفته می شود. هر چه طول پیوند کوتاه تر باشد، انرژی آن پیوند بیشتر است. با افزایش اندازه اتم های درگیر در پیوند، الکترون های پیوندی در فاصله دورتری از هسته اتم دیگر قرار می گیرند. بنابراین جاذبه کمتری احساس کرده و پیوند کووالانسی تشکیل شده ضعیف تر می باشد.

در واقع می توان گفت که انرژی پیوند و طول پیوند با یکدیگر رابطه معکوس دارند. توجه داشته باشید که این رابطه معکوس همیشه صادق نیست. به عنوان مثال انرژی پیوند در مولکول فلوئور به دلیل دافعه قابل توجه جفت الکترون های غیر پیوندی موجود بر روی اتم های مجاور، کمتر از انرژی پیوند در مولکول کلر می باشد. در حقیقت انتظار داشتیم که انرژی پیوند در مولکول کوچک تر فلوئور بیشتر از انرژی پیوند در مولکول بزرگ تر کلر باشد.

لازم به ذکر است که پیوند های کووالانسی چندگانه نسبت به پیوندهای کووالانسی یگانه، به دلیل افزایش تعداد الکترون های پیوندی، جاذبه الکترون ها با هسته ها افزایش می یابد. در نتیجه اتم های درگیر در پیوند بیشتر به یکدیگر نزدیک شده و طول پیوند کاهش پیدا می کند. در نتیجه می توان چنین گفت که با افزایش مرتبه پیوند، طول پیوند کمتر و انرژی پیوند افزایش می یابد.