ทำไมอะตอมถึงรวมกันเป็นโมเลกุลได้? อะไรคือสาเหตุของการมีอยู่ของสารซึ่งรวมถึงอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง? สิ่งเหล่านี้เป็นปัญหาระดับโลกที่ส่งผลต่อแนวคิดพื้นฐานของวิทยาศาสตร์กายภาพและเคมีสมัยใหม่ คุณสามารถตอบคำถามเหล่านี้ได้ โดยมีแนวคิดเกี่ยวกับโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอม และรู้ลักษณะของพันธะโควาเลนต์ ซึ่งเป็นพื้นฐานพื้นฐานสำหรับสารประกอบประเภทต่างๆ ส่วนใหญ่ จุดประสงค์ของบทความของเราคือเพื่อทำความคุ้นเคยกับกลไกการก่อตัวของพันธะเคมีประเภทต่างๆ และคุณสมบัติของสารประกอบที่อยู่ในโมเลกุลของพวกมัน
โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอม
อนุภาคไฟฟ้าของสสารซึ่งเป็นองค์ประกอบโครงสร้างของมัน มีโครงสร้างที่สะท้อนโครงสร้างของระบบสุริยะ ในขณะที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดาวฤกษ์ที่อยู่ตรงกลาง - ดวงอาทิตย์ อิเล็กตรอนในอะตอมจึงเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสที่มีประจุบวก เพื่อกำหนดลักษณะในพันธะโควาเลนต์ อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานสุดท้ายและอยู่ห่างจากนิวเคลียสมากที่สุดจะมีนัยสำคัญ เนื่องจากการเชื่อมต่อกับจุดศูนย์กลางของอะตอมของตัวเองนั้นน้อยมาก นิวเคลียสของอะตอมอื่นจึงสามารถดึงดูดพวกมันได้ง่าย นี่เป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับการเกิดขึ้นของปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของโมเลกุล เหตุใดรูปแบบโมเลกุลจึงเป็นชนิดหลักของการดำรงอยู่ของสสารบนโลกของเรา มาดูกัน
คุณสมบัติพื้นฐานของอะตอม
ความสามารถของอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าในการโต้ตอบ นำไปสู่การได้รับพลังงาน เป็นคุณลักษณะที่สำคัญที่สุดของพวกมัน ภายใต้สภาวะปกติ สถานะโมเลกุลของสสารจะเสถียรกว่าสถานะอะตอม บทบัญญัติหลักของทฤษฎีอะตอมและโมเลกุลสมัยใหม่อธิบายทั้งหลักการของการก่อตัวของโมเลกุลและลักษณะของพันธะโควาเลนต์ โปรดจำไว้ว่าระดับพลังงานภายนอกของอะตอมสามารถบรรจุได้ตั้งแต่ 1 ถึง 8 อิเล็กตรอน ในกรณีหลังชั้นจะสมบูรณ์ ซึ่งหมายความว่าจะมีความเสถียรมาก อะตอมของก๊าซมีตระกูลมีโครงสร้างระดับภายนอกเช่น: อาร์กอน, คริปทอน, ซีนอน - องค์ประกอบเฉื่อยที่ทำให้แต่ละช่วงเวลาเสร็จสมบูรณ์ในระบบของ D. I. Mendeleev ข้อยกเว้นที่นี่คือฮีเลียมซึ่งไม่มี 8 แต่มีอิเล็กตรอนเพียง 2 ตัวในระดับสุดท้าย เหตุผลง่ายๆ คือ ในช่วงแรกมีเพียงสององค์ประกอบที่อะตอมมีชั้นอิเล็กตรอนเดียว องค์ประกอบทางเคมีอื่น ๆ ทั้งหมดมีอิเลคตรอน 1 ถึง 7 ตัวในชั้นสุดท้ายที่ไม่สมบูรณ์ ในกระบวนการปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน อะตอมจะพยายามเติมอิเลคตรอนจนถึงออคเต็ตและฟื้นฟูโครงสร้างของอะตอมของธาตุเฉื่อย สถานะดังกล่าวสามารถทำได้สองวิธี: โดยการสูญเสียของตัวเองหรือโดยการยอมรับอนุภาคที่มีประจุลบจากต่างประเทศ รูปแบบของปฏิสัมพันธ์เหล่านี้จะอธิบายวิธีการตรวจสอบว่าพันธะไอออนิกหรือโควาเลนต์จะเกิดขึ้นระหว่างอะตอมที่ทำปฏิกิริยาหรือไม่
กลไกสำหรับการสร้างการกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์ที่เสถียร
ลองนึกภาพว่าสารธรรมดาสองชนิดเข้าสู่ปฏิกิริยาของสารประกอบ: โซเดียมโลหะและคลอรีนในก๊าซ สารในกลุ่มเกลือจะเกิดขึ้น - โซเดียมคลอไรด์ มีพันธะเคมีประเภทไอออนิก ทำไมและมันเกิดขึ้นได้อย่างไร? ให้เรากลับมาที่โครงสร้างของอะตอมของสารตั้งต้นอีกครั้ง โซเดียมมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวในชั้นสุดท้าย ซึ่งจับกับนิวเคลียสอย่างอ่อนเนื่องจากรัศมีขนาดใหญ่ของอะตอม พลังงานไอออไนเซชันของโลหะอัลคาไลทั้งหมด ซึ่งรวมถึงโซเดียม อยู่ในระดับต่ำ ดังนั้นอิเล็กตรอนของระดับชั้นนอกจะออกจากระดับพลังงานซึ่งถูกดึงดูดโดยนิวเคลียสของอะตอมคลอรีนและยังคงอยู่ในอวกาศ สิ่งนี้สร้างแบบอย่างสำหรับการเปลี่ยนแปลงของอะตอม Cl ให้อยู่ในรูปของไอออนที่มีประจุลบ ตอนนี้เราไม่ได้จัดการกับอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้าแล้ว แต่กับโซเดียมไอออนบวกและคลอรีนแอนไอออนที่มีประจุ ตามกฎของฟิสิกส์ แรงดึงดูดของไฟฟ้าสถิตเกิดขึ้นระหว่างพวกเขา และสารประกอบนี้จะสร้างโครงผลึกไอออนิก กลไกการก่อตัวของพันธะเคมีประเภทไอออนิกที่เราพิจารณาจะช่วยชี้แจงลักษณะเฉพาะและลักษณะสำคัญของพันธะโควาเลนต์ให้ชัดเจนยิ่งขึ้น
คู่อิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกัน
หากพันธะไอออนิกเกิดขึ้นระหว่างอะตอมของธาตุที่แตกต่างกันมากในด้านอิเล็กโตรเนกาติวีตี เช่น โลหะและอโลหะ ชนิดโควาเลนต์จะปรากฏขึ้นเมื่ออะตอมของธาตุที่ไม่ใช่โลหะที่เหมือนกันหรือต่างกันมีปฏิสัมพันธ์กัน ในกรณีแรก เป็นเรื่องปกติที่จะพูดถึงเรื่องที่ไม่มีขั้ว และในอีกกรณีหนึ่ง เกี่ยวกับรูปแบบขั้วของพันธะโควาเลนต์ กลไกการก่อตัวเป็นเรื่องปกติ: อะตอมแต่ละส่วนให้อิเล็กตรอนบางส่วนสำหรับการใช้งานทั่วไปซึ่งรวมกันเป็นคู่ แต่การจัดเรียงเชิงพื้นที่ของคู่อิเล็กตรอนสัมพันธ์กับนิวเคลียสของอะตอมจะแตกต่างกัน บนพื้นฐานนี้ ประเภทของพันธะโควาเลนต์มีความโดดเด่น - ไม่มีขั้วและขั้ว ส่วนใหญ่แล้วในสารประกอบทางเคมีที่ประกอบด้วยอะตอมขององค์ประกอบที่ไม่ใช่โลหะมีคู่ที่ประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีสปินตรงกันข้ามนั่นคือหมุนรอบนิวเคลียสในทิศทางตรงกันข้าม เนื่องจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุลบในอวกาศทำให้เกิดเมฆอิเล็กตรอน ซึ่งท้ายที่สุดก็จบลงด้วยการทับซ้อนกันของพวกมัน อะไรคือผลของกระบวนการนี้สำหรับอะตอมและนำไปสู่อะไร
คุณสมบัติทางกายภาพของพันธะโควาเลนต์
ปรากฎว่าระหว่างจุดศูนย์กลางของอะตอมที่มีปฏิสัมพันธ์กันสองอะตอม จะมีเมฆอิเล็กตรอนสองตัวที่มีความหนาแน่นสูง แรงดึงดูดของไฟฟ้าสถิตระหว่างก้อนเมฆที่มีประจุลบและนิวเคลียสของอะตอมเพิ่มขึ้น ส่วนหนึ่งของพลังงานถูกปลดปล่อยออกมาและระยะห่างระหว่างศูนย์อะตอมจะลดลง ตัวอย่างเช่น ที่จุดเริ่มต้นของการก่อตัวของโมเลกุล H2 ระยะห่างระหว่างนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนคือ 1.06 A หลังจากการทับซ้อนกันของเมฆและการก่อตัวของคู่อิเล็กตรอนทั่วไป - 0.74 A ตัวอย่างของพันธะโควาเลนต์ที่เกิดขึ้นตามกลไกข้างต้นสามารถพบได้ทั้งในสารอนินทรีย์แบบธรรมดาและแบบซับซ้อน ลักษณะเด่นของมันคือการปรากฏตัวของคู่อิเล็กตรอนทั่วไป เป็นผลให้หลังจากการเกิดขึ้นของพันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอม เช่น ไฮโดรเจน แต่ละอะตอมจะได้รับการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ของฮีเลียมเฉื่อย และโมเลกุลที่ได้จะมีโครงสร้างที่มั่นคง
รูปร่างเชิงพื้นที่ของโมเลกุล
คุณสมบัติทางกายภาพที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งของพันธะโควาเลนต์คือทิศทาง ขึ้นอยู่กับการกำหนดค่าเชิงพื้นที่ของโมเลกุลของสาร ตัวอย่างเช่น เมื่ออิเล็กตรอนสองตัวทับซ้อนกันกับเมฆทรงกลม ลักษณะของโมเลกุลจะเป็นเส้นตรง (ไฮโดรเจนคลอไรด์หรือไฮโดรเจนโบรไมด์) รูปร่างของโมเลกุลของน้ำ ซึ่งเมฆ s และ p ผสมกันเป็นเชิงมุม และอนุภาคที่แรงมากของไนโตรเจนในก๊าซจะดูเหมือนปิรามิด
โครงสร้างของสารอย่างง่าย - อโลหะ
เมื่อค้นพบว่าพันธะชนิดใดที่เรียกว่าโควาเลนต์ มีสัญญาณอะไรบ้าง ถึงเวลาจัดการกับความหลากหลายของมัน หากอะตอมของอโลหะเช่นคลอรีน, ไนโตรเจน, ออกซิเจน, โบรมีน ฯลฯ โต้ตอบกันจะเกิดสารง่าย ๆ ขึ้น คู่อิเล็กตรอนทั่วไปของพวกเขาอยู่ห่างจากจุดศูนย์กลางของอะตอมเท่ากันโดยไม่มีการขยับ สำหรับสารประกอบที่มีพันธะโควาเลนต์ชนิดไม่มีขั้ว จะมีลักษณะเฉพาะดังต่อไปนี้: จุดเดือดต่ำและการหลอมละลาย, ความสามารถในการละลายในน้ำ, คุณสมบัติของไดอิเล็กตริก ต่อไป เราจะหาว่าสารใดมีลักษณะพันธะโควาเลนต์ ซึ่งจะมีการเลื่อนของคู่อิเล็กตรอนทั่วไป
อิเล็กโทรเนกาติวีตี้กับผลกระทบของพันธะเคมี
คุณสมบัติของธาตุเฉพาะในการดึงดูดอิเล็กตรอนจากอะตอมของธาตุอื่นในวิชาเคมีเรียกว่าอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ ขนาดของค่าสำหรับพารามิเตอร์นี้ เสนอโดย L. Pauling สามารถพบได้ในตำราเรียนทั้งหมดเกี่ยวกับเคมีอนินทรีย์และเคมีทั่วไป ค่าสูงสุดของมันคือ - 4.1 eV - มีฟลูออรีน ค่าที่เล็กกว่า - อโลหะอื่นๆ ที่ทำงานอยู่ และตัวบ่งชี้ที่ต่ำที่สุดคือค่าปกติสำหรับโลหะอัลคาไล หากองค์ประกอบที่แตกต่างกันในอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ของพวกมันทำปฏิกิริยาซึ่งกันและกัน ย่อมจะดึงดูดอนุภาคที่มีประจุลบของอะตอมขององค์ประกอบแบบพาสซีฟมากกว่าไปยังนิวเคลียสอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ดังนั้นคุณสมบัติทางกายภาพของพันธะโควาเลนต์ขึ้นอยู่กับความสามารถขององค์ประกอบในการบริจาคอิเล็กตรอนเพื่อการใช้งานทั่วไปโดยตรง คู่สามัญที่ได้จะไม่อยู่ในตำแหน่งสมมาตรเมื่อเทียบกับนิวเคลียสอีกต่อไป แต่จะถูกเลื่อนไปยังองค์ประกอบที่เคลื่อนไหวมากขึ้น
คุณสมบัติของสารประกอบที่มีพันธะมีขั้ว
สารในโมเลกุลที่อิเล็กตรอนคู่ร่วมกันไม่สมมาตรเมื่อเทียบกับนิวเคลียสของอะตอม ได้แก่ ไฮโดรเจนเฮไลด์ กรด สารประกอบของ chalcogen ที่มีไฮโดรเจนและกรดออกไซด์ เหล่านี้คือกรดซัลเฟตและไนเตรต ออกไซด์ของซัลเฟอร์และฟอสฟอรัส ไฮโดรเจนซัลไฟด์ ฯลฯ ตัวอย่างเช่น โมเลกุลของไฮโดรเจนคลอไรด์ประกอบด้วยอิเล็กตรอนคู่หนึ่งคู่เกิดจากอิเล็กตรอนและคลอรีนที่ไม่คู่กัน มันถูกเลื่อนเข้าใกล้ศูนย์กลางของอะตอม Cl ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่มีอิเล็กโตรเนกาติฟมากกว่า สารทั้งหมดที่มีพันธะขั้วในสารละลายที่เป็นน้ำจะแยกตัวออกเป็นไอออนและนำกระแสไฟฟ้า สารประกอบที่มีพันธะโควาเลนต์แบบมีขั้ว ตัวอย่างที่เราให้ไว้ก็มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดที่สูงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับสารที่ไม่ใช่โลหะอย่างง่าย
วิธีการทำลายพันธะเคมี
ในเคมีอินทรีย์ ปฏิกิริยาการแทนที่ของไฮโดรคาร์บอนอิ่มตัวด้วยฮาโลเจนเป็นไปตามกลไกที่รุนแรง ส่วนผสมของมีเทนและคลอรีนในแสงและที่อุณหภูมิปกติทำปฏิกิริยาในลักษณะที่โมเลกุลของคลอรีนเริ่มแตกตัวเป็นอนุภาคที่มีอิเลคตรอนที่ไม่มีคู่ กล่าวอีกนัยหนึ่งจะสังเกตเห็นการทำลายของคู่อิเล็กตรอนทั่วไปและการก่อตัวของอนุมูลอิสระ -Cl ที่แอคทีฟมาก พวกมันสามารถมีอิทธิพลต่อโมเลกุลมีเทนในลักษณะที่ทำลายพันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมของคาร์บอนและไฮโดรเจน อนุภาคแอคทีฟ –H ก่อตัวขึ้น และวาเลนซีอิสระของอะตอมคาร์บอนรับสารคลอรีนจากอนุมูลอิสระ และคลอโรมีเทนกลายเป็นผลิตภัณฑ์แรกของปฏิกิริยา กลไกการแตกตัวของโมเลกุลดังกล่าวเรียกว่าโฮโมไลติก หากคู่ของอิเล็กตรอนทั่วไปผ่านเข้าไปในความครอบครองของอะตอมตัวใดตัวหนึ่งแล้วพวกเขาก็พูดถึงลักษณะกลไกการแตกตัวของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในสารละลายที่เป็นน้ำ ในกรณีนี้ โมเลกุลของน้ำขั้วโลกจะเพิ่มอัตราการทำลายพันธะเคมีของสารประกอบที่ละลายได้
สองเท่าและสามเท่าลิงค์
สารอินทรีย์ส่วนใหญ่และสารประกอบอนินทรีย์บางชนิดไม่มีอยู่ในโมเลกุลของพวกมัน แต่มีอิเล็กตรอนคู่ทั่วไปหลายคู่ พันธะโควาเลนต์หลายหลากช่วยลดระยะห่างระหว่างอะตอมและเพิ่มความเสถียรของสารประกอบ พวกเขามักจะเรียกว่าทนต่อสารเคมี ตัวอย่างเช่นในโมเลกุลไนโตรเจนมีอิเล็กตรอนสามคู่ซึ่งระบุไว้ในสูตรโครงสร้างด้วยขีดกลางสามขีดและกำหนดความแรงของอิเล็กตรอน ไนโตรเจนของสารอย่างง่ายนั้นเฉื่อยทางเคมีและสามารถทำปฏิกิริยากับสารประกอบอื่นๆ เช่น ไฮโดรเจน ออกซิเจน หรือโลหะ เฉพาะเมื่อถูกความร้อนหรือที่ความดันสูงเท่านั้น เช่นเดียวกับในที่ที่มีตัวเร่งปฏิกิริยา
พันธะคู่และสามมีอยู่ในกลุ่มของสารประกอบอินทรีย์เช่นไดอีนไฮโดรคาร์บอนที่ไม่อิ่มตัวเช่นเดียวกับสารของชุดเอทิลีนหรืออะเซทิลีน พันธะหลายตัวกำหนดคุณสมบัติทางเคมีหลัก: การเติมและปฏิกิริยาโพลีเมอไรเซชันที่เกิดขึ้นที่จุดแตกหัก
ในบทความของเรา เราได้ให้คำอธิบายทั่วไปของพันธะโควาเลนต์และตรวจสอบประเภทหลักแล้ว