კოვალენტური ბმა

ცოდნა სინათლეა - Knowledge is light - Знание свет -  

                        კოვალენტური ბმა

კოვალენტური ბმა, რომელიც ქმნის წყალბადის მოლეკულას H2 (მარჯვნივ), სადაც წყალბადის ორი ატომი იზიარებს ორ ელექტრონს

კოვალენტური ბმა (ლათინურიდან co - "ერთად" და vales - "ძალის მქონე") არის ქიმიური ბმა, რომელიც წარმოიქმნება წყვილი ვალენტური (ატომის გარე გარსზე) ელექტრონული ღრუბლების გადაფარვით (გაზიარებით). ელექტრონულ ღრუბლებს (ელექტრონებს), რომლებიც უზრუნველყოფენ კავშირს, ეწოდება საერთო ელექტრონული წყვილი.

კოვალენტური კავშირი მოიცავს მრავალი სახის ურთიერთქმედებას, მათ შორის σ შემაკავშირებელს, π შემაკავშირებელს, მეტალის შემაკავშირებელს, ბანანის შემაკავშირებელს და ორ ელექტრონულ სამცენტრიან შეკავშირებას.

M. Born-ის ტალღური ფუნქციის სტატისტიკური ინტერპრეტაციის გათვალისწინებით, დამაკავშირებელი ელექტრონების პოვნის ალბათობის სიმკვრივე კონცენტრირებულია მოლეკულის ბირთვებს შორის სივრცეში (ნახ. 1). ელექტრონული წყვილების მოგერიების თეორიაში განიხილება ამ წყვილების გეომეტრიული ზომები. ამრიგად, თითოეული პერიოდის ელემენტებისთვის არის ელექტრონული წყვილის გარკვეული საშუალო რადიუსი (Å): 0,6 ნეონამდე ელემენტებისთვის; 0,75 ელემენტები არგონამდე - 0,75 ელემენტები კრიპტონამდე და 0,8 ელემენტები ქსენონამდე.

ნახ.1. ერთი კოვალენტური ბმის მოდელი (ელექტრონის სიმკვრივე მონიშნულია წითლად)

კოვალენტური ბმების დამახასიათებელი თვისებები

კოვალენტური ბმის დამახასიათებელი თვისებები - მიმართულება, გაჯერება, პოლარობა, პოლარიზება - განსაზღვრავს ნაერთების ქიმიურ და ფიზიკურ თვისებებს.

კავშირის მიმართულება განისაზღვრება ნივთიერების მოლეკულური სტრუქტურით და მისი მოლეკულის გეომეტრიული ფორმით.

ორ კავშირს შორის კუთხეებს ვალენტურობის კუთხეებს უწოდებენ.

გაჯერება არის ატომების უნარი შექმნან შეზღუდული რაოდენობის კოვალენტური ბმები. ატომის მიერ წარმოქმნილი ბმების რაოდენობა შემოიფარგლება მისი გარე ატომური ორბიტალების რაოდენობით.

ბმის პოლარობა განპირობებულია ელექტრონის სიმკვრივის არათანაბარი განაწილებით ატომების ელექტრონეგატიურობის განსხვავებების გამო.

ამ მახასიათებლის მიხედვით, კოვალენტური ბმები იყოფა არაპოლარულად და პოლარად (არაპოლარული - დიატომიური მოლეკულა შედგება იდენტური ატომებისგან (H2, Cl2, N2) და თითოეული ატომის ელექტრონული ღრუბლები განაწილებულია ამ ატომებთან სიმეტრიულად; მოლეკულაში ელექტრული მუხტის განაწილების ასიმეტრია, რომელიც წარმოქმნის მოლეკულის დიპოლურ მომენტს).

ბმის პოლარიზებადობა გამოიხატება ბმის ელექტრონების გადაადგილებაში გარე ელექტრული ველის გავლენის ქვეშ, მათ შორის სხვა რეაქციაში მყოფი ნაწილაკის ჩათვლით. პოლარიზება განისაზღვრება ელექტრონების მობილურობით. კოვალენტური ბმების პოლარობა და პოლარიზება განსაზღვრავს მოლეკულების რეაქტიულობას პოლარული რეაგენტების მიმართ.

რაც უფრო მეტია ელექტრონები ბირთვებიდან, მით უფრო მოძრავია ისინი.

თუმცა, ორგზის ნობელის პრემიის ლაურეატი ლ. პაულინგმა აღნიშნა, რომ „ზოგიერთ მოლეკულაში არის კოვალენტური ბმები, რომლებიც გამოწვეულია ერთი ან სამი ელექტრონით, საერთო წყვილის ნაცვლად“. ერთელექტრონული ქიმიური ბმა რეალიზებულია მოლეკულურ წყალბადის იონში H2+.

მოლეკულური წყალბადის იონი H2+ შეიცავს ორ პროტონს და ერთ ელექტრონს. მოლეკულური სისტემის ერთი ელექტრონი ანაზღაურებს ორი პროტონის ელექტროსტატიკურ მოგერიებას და ინარჩუნებს მათ 1,06 Å მანძილზე (H2+ ქიმიური ბმის სიგრძე). მოლეკულური სისტემის ელექტრონული ღრუბლის ელექტრონის სიმკვრივის ცენტრი ორივე პროტონისგან თანაბრად არის დაშორებული ბორის რადიუსით α0 = 0,53 A და წარმოადგენს მოლეკულური წყალბადის იონის H2+ სიმეტრიის ცენტრს.

ტერმინის ისტორია

ირვინგ ლანგმუარი.

ტერმინი „კოვალენტური ბმა“ პირველად შემოიღო ნობელის პრემიის ლაურეატმა ირვინგ ლანგმუირმა 1919 წელს. ეს ტერმინი აღნიშნავდა ქიმიურ კავშირს, რომელიც გამოწვეულია ელექტრონების გაზიარებით, განსხვავებით მეტალის ბმისგან, რომელშიც ელექტრონები თავისუფალი იყო, ან იონურ კავშირს, რომელშიც ერთმა ატომმა დათმო ელექტრონი და იქცა კატიონად, ხოლო მეორე ატომმა მიიღო ელექტრონი და იქცა ანიონად.

მოგვიანებით (1927) ფ. ლონდონმა და ვ. ჰაიტლერმა წყალბადის მოლეკულის მაგალითის გამოყენებით, მოგვცეს კოვალენტური ბმის პირველი აღწერა კვანტური მექანიკის თვალსაზრისით.

კავშირის ფორმირება

კოვალენტური ბმა წარმოიქმნება წყვილი ელექტრონების მიერ, რომლებიც განაწილებულია ორ ატომს შორის და ამ ელექტრონებს უნდა დაიკავონ ორი სტაბილური ორბიტალი, თითო თითოეული ატომიდან.

A + B → A: B

სოციალიზაციის შედეგად ელექტრონები ქმნიან შევსებულ ენერგეტიკულ დონეს. ბმა იქმნება, თუ მათი ჯამური ენერგია ამ დონეზე ნაკლებია, ვიდრე თავდაპირველ მდგომარეობაში (და ენერგიის განსხვავება სხვა არაფერი იქნება, თუ არა ბმის ენერგია).

ატომური (კიდეებზე) და მოლეკულური (ცენტრში) ორბიტალების შევსება ელექტრონებით H2 მოლეკულაში. ვერტიკალური ღერძი შეესაბამება ენერგიის დონეს, ელექტრონები მითითებულია ისრებით, რომლებიც ასახავს მათ სპინებს.

მოლეკულური ორბიტალის თეორიის მიხედვით, ორი ატომური ორბიტალის გადახურვა უმარტივეს შემთხვევაში იწვევს ორი მოლეკულური ორბიტალის (MO) წარმოქმნას: შემაკავშირებელ MO და ანტიბმაკავშირის MO. საერთო ელექტრონები განლაგებულია ქვედა ენერგეტიკული კავშირის MO-ზე.
ბმის წარმოქმნა ატომების რეკომბინაციის დროს

ატომები და თავისუფალი რადიკალები მიდრეკილნი არიან რეკომბინაციისკენ - კოვალენტური ბმის წარმოქმნას ორი დაუწყვილებელი ელექტრონის გაზიარებით, რომლებიც მიეკუთვნებიან სხვადასხვა ნაწილაკებს.

${\displaystyle \mathsf{C}{\mathsf{H}}_{\mathsf{3}}\cdot \mathsf{+}\mathsf{C}{\mathsf{H}}_{\mathsf{3}}\cdot \to \mathsf{C}{\mathsf{H}}_{\mathsf{3}}\mathsf{\text{-}}\mathsf{C}{\mathsf{H}}_{\mathsf{3}}}$

რეკომბინაციის დროს ბმის წარმოქმნას თან ახლავს ენერგიის გამოყოფა. ამრიგად, წყალბადის ატომების ურთიერთქმედებისას გამოიყოფა ენერგია 436 კჯ/მოლი ოდენობით. ეს ეფექტი გამოიყენება ატომური წყალბადის შედუღების ტექნოლოგიაში. წყალბადის ნაკადი გადის ელექტრულ რკალში, სადაც წარმოიქმნება წყალბადის ატომების ნაკადი. შემდეგ ატომები ხელახლა გაერთიანდებიან ლითონის ზედაპირზე, რომელიც მოთავსებულია რკალიდან მცირე მანძილზე. ლითონის გაცხელება შესაძლებელია ამ გზით 3500 °C-ზე ზემოთ. "ატომური წყალბადის ალის" დიდი უპირატესობაა გათბობის ერთგვაროვნება, რაც იძლევა ძალიან თხელი ლითონის ნაწილების შედუღების საშუალებას[7].

თუმცა, არაკოვალენტური ინტერატომური და ინტერმოლეკულური ურთიერთქმედების მექანიზმი დიდი ხნის განმავლობაში უცნობი რჩებოდა. მხოლოდ 1930 წელს F. London-მა შემოიღო დისპერსიული მიზიდულობის კონცეფცია - ურთიერთქმედება მყისიერ და ინდუცირებულ დიპოლებს შორის. ამჟამად მიზიდულობის ძალებს, რომლებიც გამოწვეულია ატომებისა და მოლეკულების ცვალებად ელექტრულ დიპოლებს შორის ურთიერთქმედებით, ეწოდება დისპერსიულ ძალებს ან ლონდონის ძალებს.

ასეთი ურთიერთქმედების ენერგია პირდაპირპროპორციულია ელექტრონის პოლარიზებადობის კვადრატის α და უკუპროპორციულია ორ ატომს ან მოლეკულას შორის მანძილის მეექვსე ხარისხამდე[8].

ბმის ფორმირება დონორ-აქცეპტორი მექანიზმით

იხ.ვიდეო - იონური, კოვალენტური და მეტალური ბმები