پیوند کووالانسی چیست ؟ تعریف، تشکیل و قدرت پیوند کووالانسی

پیوند كووالانسی (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 (آرايش الکترونی گاز نجيب یا آرايش هشتايی) نیاز به دریافت اکترون دارند، الکترون های لایه ظرفیت خود را با سایر اتم ها به اشتراک می گذارند. در این شرایط انتقال الكترون از اتمي به اتم ديگر 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. در ادامه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک درباره پیوند های کووالانسی توضیح خواهیم داد. لطفا همراهی بفرمایید.

تعریف پيوند کووالانسی

در پيوند 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 ۷ 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 پيوند 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 پيوند 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 ۶ الکترون در لایه ظرفیت خود می باشد و نیاز به ۲ 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 H_۲O 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. الكترون هاي به اشتراك گذاشته شده بين دو اتم، قبل از تشكيل پيوند كووالانسی تنها تحت تاثیر جاذبه هسته اتم خودشان قرار دارند، اما بعد از تشکیل پیوند، بين دو هسته قرار گرفته و جاذبه هر دو هسته را به طور همزمان احساس می كنند.

به طور کلی پيوند كووالانسی می تواند بين اتم هاي نا فلزات با یکدیگر (مانند مولکول HCl)، بين اتم هاي فلزات با یکدیگر (مانند مولکول Na_۲ در فاز بخار) و در نهایت بين اتم هاي فلزات و نا فلزات با یکدیگر (مانند پیوند بین اتم های کربن و آهن در مولکول Fe(CO)_۵) مشاهده شود. لازم به ذکر است که اتم هاي فلزات با هم معمولا درگیر پیوند فلزی و همچنین اتم هاي فلزات و نا فلزات معمولا با هم پيوند يونی تشکیل می دهند. بنابراین پیوندهای کووالانسی معمولا بین دو غیر فلز تشکیل می شود.

در هر اتم غیر فلزی به طور معمول ۴، ۵، ۶ یا ۷ 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 الكترونی از اتمی به اتم ديگر انجام نمی شود، زيرا توانايي جذب الكترون 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 مي توان انواع مختلفی از به اشتراك گذاشتن الكترون 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 الكترون هاي پیوندی ممكن است به صورت مساوي به وسیله اتم های درگیر در پیوند تامين شده باشند و یا اینکه يكي از اتم ها در مقايسه با اتم هاي ديگر درگیر در پیوند تعداد الكترون هاي بيشتري به اشتراك گذاشته باشد (يا حتي ممکن است که تمام الكترون هاي به اشتراك گذاشته شده به وسیله تنها يك اتم تامين شده باشد). بر این اساس پیوند های کووالانسی به سه دسته تقسیم می شوند.

برای پیش بینی تعداد پیوند های کووالانسی كه يك اتم در يك مولكول بوجود مي ‌آورد می توان به ساختار لوییس و همچنین تعداد الكترون های مورد نياز براي پر شدن لایه ظرفیت آن اتم، رجوع کرد. در غیر فلزات، شماره گروه در جدول تناوبی با تعداد الكترون هاي والانس آن نافلز برابر می باشد. بنابراین مي‌توان پيش ‌بينی كرد كه عناصر گروه هالوژن ها با هفت الكترون والانس، براي رسيدن به هشتايي پايدار تنها يك پيوند كوالانسی، عناصر گروه اکسیژن با شش الكترون والانس، دو پيوند كوالانسی، عناصر گروه نیتروژن با پنج الكترون والانس، سه پيوند كوالانسی و در نهایت عناصر گروه کربن با چهار الكترون والانس، چهار پيوند كوالانسی 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 F_۲ 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 می‌رسد. مولكول فلوئور را مي‌توان با نماد  F:F یا F -F نشان داد. در ساختار اول، جفت الكترون اشتراکی را با دو نقطه و در ساختار دوم با يك خط كوتاه 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 (۴ الکترون پیوندی) را پیوند دو گانه (Double covalent bond) و سه جفت الکترون مشترک (۶ 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 می‌گذارد، 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، نمی‌توان 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 پيوند های كووالانسي دارای مقادیر الکترونگاتیویته یکسان یا مشابه باشند، بنابراین الکترون‌های 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 H_۲). 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 افزايش جاذبه ها، سطح انرژي پتانسيل كاهش پیدا می کند که امري 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 کوچکتر فلوئور بیشتر از انرژی پیوند در مولکول بزرگتر 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. در جدول زیر مقایسه طول پیوندها را مشاهده می کنید.

تفاوت پیوند کووالانسی و واندروالسی

نیروهای جاذبه ای که بین اتم ها در یک مولکول وجود دارد که آنها را در کنار هم نگه می دارد به عنوان پیوند شناخته می شوند. نیروهای جاذبه در برخی مولکول ها ضعیف و در برخی قوی تر هستند. برای شکستن پیوندهای قوی تر به نیروی بیشتری نیاز است. پیوندهای هیدروژنی، پیوندهای کووالانسی، پیوندهای یونی و برهمکنش های واندروالس مهمترین پیوندهای شیمیایی هستند.

تفاوت عمده بین پیوند کووالانسی و واندروالس این است که پیوند کووالانسی بسیار قوی است و در مقایسه با واندروالس برای شکستن انرژی بسیار بیشتری نیاز دارد. پیوندهای کووالانسی از جذب یون‌ های مثبت و الکترون ‌هایی که آزادانه حرکت می ‌کنند تشکیل می ‌شوند، در حالی که نیروهای واندروالس باعث جذب بین مولکول‌ های غیرقطبی می ‌شوند. شعاع کووالانسی به اندازه نیمی از پیوند بین هسته های دو اتم تک پیوندی از یک گونه است. در حالی که شعاع واندروالس نیمی از فاصله بین نزدیکترین نزدیکترین دو اتم غیر پیوندی یک عنصر معین است.

پیوند ایجاد شده بین دو نافلز برای تشکیل یک مولکول به عنوان پیوند کووالانسی شناخته می شود. هنگامی که یک پیوند کووالانسی بین دو اتم تشکیل می شود، اشتراک یکسانی از الکترون ها توسط هر دو اتم انجام می شود. پیوند کووالانسی از همپوشانی اوربیتال های دو اتم تشکیل می شود. پیوند واندروالس به دلیل تعداد الکترون های موجود در یک اتم و اندازه آن است. برهمکنش های واندروالسی مجموع نیروهای جاذبه و دافعه بین اتم ها و مولکول ها است. ترتیب قوی ترین پیوندها به ضعیف ترین به شرح زیر است:

پیوندهای یونی > پیوندهای کووالانسی > پیوندهای هیدروژنی > برهمکنش های واندروالس.

پیوندهای هیدروژنی قوی تر از پیوندهای کووالانسی هستند و برهمکنش های واندروالسی ضعیف ترین هستند. راه آسان‌تر برای تعیین استحکام پیوندها، تعیین انرژی مورد نیاز برای شکستن پیوندها است. این انرژی به عنوان انرژی تفکیک پیوند شناخته می شود. هر چه انرژی تفکیک پیوند قوی تر باشد، پیوند قوی تر است.