מה מחזיק אטומים יחד? קשרים יוניים, קוולנטיים ומתכתיים

מדוע אטומים יוצרים קשרים

אטומים יוצרים קשרים כי זה מאפשר להם להגיע לסידור יציב יותר של האלקטרונים החיצוניים, לעיתים קרובות קליפה חיצונית מלאה כמו של גז אציל. רק האלקטרונים החיצוניים, אלקטרוני הערכיות, לוקחים חלק, ואטומים יכולים לתת אותם, לקחת אותם או לחלוק בהם. כל בחירה מובילה לסוג אחר של קשר.

קשרים יוניים: מתן ולקיחה של אלקטרונים

קשר יוני נוצר בדרך כלל בין מתכת לאל-מתכת. אטום המתכת מאבד אלקטרונים והופך ליון חיובי, ואטום האל-מתכת מקבל אותם והופך ליון שלילי. מטענים מנוגדים מושכים זה את זה בחוזקה, והמשיכה הזאת היא הקשר היוני.

מלח שולחן הוא הדוגמה הקלאסית. אטום נתרן נותן את האלקטרון החיצוני היחיד שלו לאטום כלור, ונוצרים Na⁺ ו-Cl⁻. בגביש מלח אין זוגות NaCl נפרדים. במקום זאת, כל Na⁺ מוקף בשישה יוני Cl⁻ וכל Cl⁻ בשישה יוני Na⁺, בדפוס חוזר בצורת קובייה הנקרא סריג גבישי.

תרכובות יוניות הן בדרך כלל מוצקים קשים ושבירים עם נקודות היתוך גבוהות: מלח נמס ב-801 °C. הן אינן מוליכות חשמל כמוצקים, אבל הן מוליכות כשהן מותכות או מומסות במים, כי היונים חופשיים אז לנוע.

קשרים קוולנטיים: שיתוף אלקטרונים

קשר קוולנטי נוצר בדרך כלל בין שני אטומים של אל-מתכות. אף אחד מהאטומים אינו מושך חזק מספיק כדי לקחת אלקטרונים מהאחר, ולכן הם חולקים במקום זאת זוג אלקטרונים. הזוג המשותף נמשך לשני הגרעינים, וזה מחזיק את האטומים יחד. קבוצת אטומים שמחוברים כך נקראת מולקולה.

במולקולת מים, H₂O, אטום החמצן חולק זוג אלקטרונים אחד עם כל אחד משני אטומי המימן. חמצן התחיל עם 6 אלקטרונים חיצוניים ועכשיו יש סביבו 8, ולכל מימן יש עכשיו 2, קליפה ראשונה מלאה. אטומים יכולים לחלוק גם שני זוגות ולהקים קשר כפול, כמו ב-O₂, או שלושה זוגות ולהקים קשר משולש, כמו ב-N₂.

לחומרים קוולנטיים רבים יש נקודות היתוך ורתיחה נמוכות, ולכן הם לעיתים קרובות גזים או נוזלים בטמפרטורת החדר; מים רותחים ב-100 °C. מעטים, כמו יהלום, יוצרים רשתות ענקיות של קשרים קוולנטיים והם קשים במיוחד.

קשרים מתכתיים: ים של אלקטרונים

במתכת, האטומים משחררים את האלקטרונים החיצוניים שלהם למאגר משותף הנע בחופשיות בכל המתכת. מה שנשאר הוא סידור סדיר של יוני מתכת חיוביים, המוחזקים יחד על ידי ה"ים" הזה של אלקטרונים. המשיכה בין היונים לאלקטרונים הנעים היא הקשר המתכתי.

האלקטרונים החופשיים נושאים זרם חשמלי, ולכן משתמשים בנחושת לחוטים, והם נושאים חום, ולכן כף מתכת במרק חם מתחממת במהירות. מכיוון שהקשרים אינם קבועים בין אטומים מסוימים, שכבות של יונים יכולות להחליק זו על פני זו, ולכן מתכות מתכופפות וניתן לפטש אותן ללוחות במקום שיתנפצו.

שימוש בשליליות חשמלית כדי לנבא את הקשר

שליליות חשמלית מודדת באיזו עוצמה אטום מושך אלקטרונים משותפים. כדי להשוות שני אטומים, מחסרים את הערך הקטן מהגדול. כמדריך גס, הפרש הקטן מכ-0.4 פירושו שהאלקטרונים משותפים כמעט שווה בשווה (קוולנטי לא-קוטבי), הפרש בין כ-0.4 לכ-1.7 פירושו שהם משותפים באופן לא שווה (קוולנטי קוטבי), והפרש הגדול מכ-1.7 פירושו בדרך כלל קשר יוני.

נתרן כלורי: 3.16 − 0.93 = 2.23, ולכן הקשר יוני. מים: חמצן (3.44) ומימן (2.20) נבדלים ב-1.24, ולכן קשרי O–H הם קוולנטיים קוטביים. חמצן מושך את האלקטרונים המשותפים קרוב יותר ונושא מטען שלילי קטן, ואילו אטומי המימן חיוביים במעט. גז כלור, Cl₂: 3.16 − 3.16 = 0, ולכן האלקטרונים משותפים שווה בשווה לחלוטין.

הגבולות האלה הם קווים מנחים גסים, וספרי לימוד משתמשים במספרים שונים במקצת, כי הקשר הכימי הוא באמת סולם רציף. קיצור דרך עובד ברוב המקרים: מתכת + אל-מתכת נותנת קשר יוני, אל-מתכת + אל-מתכת נותנת קשר קוולנטי, ומתכת + מתכת נותנת קשר מתכתי.