კოვალენტობის გაგება და მაგალითები
პენდაჰულუანი
ქიმიაში, ატომების შეერთების წესი ნივთიერების წარმოსაქმნელად დიდწილად განსაზღვრავს ამ ნივთიერების თვისებებს. ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი კონცეფცია, რომელიც ხსნის ატომების ბმის მიზეზს, არის კოვალენტურობა. კოვალენტური ბმები (კოვალენტურობა) ხშირად გვხვდება არამეტალური ელემენტებისგან შემდგარ ნაერთებში, მაგალითად, წყალში (H₂O), ნახშირორჟანგში (CO₂), მეთანში (CH₄) და სხვადასხვა ორგანულ ნაერთში, რომლებიც სიცოცხლის საფუძველია. კოვალენტობის მნიშვნელობისა და მაგალითების გაგება დაგვეხმარება გავიგოთ, თუ როგორ წარმოიქმნება მოლეკულური სტრუქტურები, რატომ აქვთ გარკვეულ ნივთიერებებს გარკვეული დუღილის წერტილები, რატომ არის ზოგიერთი ნაერთი ადვილად ხსნადი წყალში და როგორ ხდება ქიმიური რეაქტიულობა.
კოვალენტობის გაგება
კოვალენტობა არის კონცეფცია, რომელიც დაკავშირებულია კოვალენტური ბმების წარმოქმნასთან, რომლებიც ქიმიური ბმებია, რომლებიც წარმოიქმნება მაშინ, როდესაც ორი ატომს აქვს ელექტრონების საერთო წყვილი სტაბილურობის მისაღწევად. ზოგადად, ატომებს სურთ მიაღწიონ სტაბილურ ელექტრონულ კონფიგურაციას, როგორც კეთილშობილი აირების შემთხვევაში (ოქტეტის წესი), რაც გულისხმობს 8 ელექტრონის ქონას მათ გარეთა გარსში (თუმცა არსებობს გარკვეული გამონაკლისები). რადგან არამეტალის ატომებს, როგორც წესი, აქვთ შედარებით მაღალი ელექტროუარყოფითობა და „ადვილად არ კარგავენ“ ელექტრონებს, სტაბილურობის მიღწევის ყველაზე სავარაუდო გზაა ელექტრონების გაზიარება, ვიდრე მათი სრულად მიცემა ან მიღება, როგორც ეს იონური ბმების შემთხვევაშია.
სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, იონური ბმების დროს ელექტრონები ერთი ატომიდან მეორეში გადადის, კოვალენტურ ბმებში კი ელექტრონები საერთოა. საერთო ელექტრონები ქმნიან შემაკავშირებელ ელექტრონულ წყვილს, რომელიც „აკავშირებს“ ორ ატომურ ბირთვს ერთმანეთთან ერთი მოლეკულის ანუ კოვალენტური ბმის წარმოსაქმნელად.
რატომ წარმოიქმნება კოვალენტური ბმები?
კოვალენტური ბმები წარმოიქმნება უფრო დაბალი, უფრო სტაბილური ენერგეტიკული მდგომარეობის მიღწევის სურვილის გამო. როდესაც ორი ატომი ერთმანეთს უახლოვდება, მათი ვალენტური ელექტრონები შეიძლება გაზიარდეს, რაც ქმნის შთაბეჭდილებას, თითქოს თითოეულ ატომს „აქვს“ ელექტრონების საკმარისი რაოდენობა თავის გარე გარსში. ეს სისტემას უფრო სტაბილურს ხდის, ვიდრე მაშინ, როდესაც ატომები ცალ-ცალკე დგანან.
მაგალითად, წყალბადის ატომს (H) აქვს ერთი ელექტრონი და სურს სტაბილურობის მიღწევა, როგორც ჰელიუმს (He) ორი ელექტრონით. ორ წყალბადის ატომს შეუძლია ელექტრონების წყვილის გაზიარება, რაც ქმნის H₂ მოლეკულას. თითოეული H₂ ატომი ახლა „გრძნობას“ იძლევა, თითქოს მას პირველ შრეში ორი ელექტრონი აქვს, რითაც სტაბილურობას აღწევს.
კოვალენტური ბმების ტიპები
კოვალენტური ბმების გარჩევა შესაძლებელია ელექტრონული წყვილების საერთო რაოდენობისა და ატომებს შორის ელექტროუარყოფითობის სხვაობის მიხედვით.
1. გაზიარებული ელექტრონული წყვილების რაოდენობის მიხედვით
1. ერთკოვალენტური ბმა: ელექტრონების 1 საერთო წყვილი.
მაგალითი: H—H H₂-ში, ან C—H CH₄-ში.
2. ორმაგი კოვალენტური ბმა: ელექტრონების 2 წყვილის გაზიარება.
მაგალითი: O=O O₂-ში, ან C=O CO₂-ში.
3. სამმაგი კოვალენტური ბმა: ელექტრონების 3 წყვილის გაზიარება.
მაგალითი: N≡N N₂-ზე.
რაც უფრო მეტი ელექტრონული წყვილია საერთო, მით უფრო ძლიერია კავშირი და მით უფრო მოკლეა მანძილი ატომებს შორის.
2. პოლარობის მიხედვით
1. არაპოლარული კოვალენტური ბმები
ხდება მაშინ, როდესაც ორივე ატომს აქვს ერთნაირი ან ძალიან მსგავსი ელექტროუარყოფითობა, რის გამოც ელექტრონული წყვილი შედარებით თანაბრად არის განაწილებული.
მაგალითი: H₂, O₂, N₂, Cl₂.
2. პოლარული კოვალენტური ბმები
ეს მაშინ ხდება, როდესაც ელექტროუარყოფითობის სხვაობა იმდენად მნიშვნელოვანია, რომ ელექტრონული წყვილი ერთ-ერთი ატომისკენ უფრო მეტად მიიზიდება. ეს იწვევს ნაწილობრივ მუხტებს (δ⁺ და δ⁻).
მაგალითები: H—Cl HCl-ში, O—H H₂O-ში.
მნიშვნელოვანია განვასხვავოთ, რომ პოლარული ბმა ყოველთვის არ ნიშნავს, რომ მოლეკულა პოლარულია; მოლეკულის პოლარობაზე ასევე გავლენას ახდენს მოლეკულის ფორმა (გეომეტრია).
კოვალენტურობის მაგალითები ყოველდღიურ ნაერთებში
აქ მოცემულია რამდენიმე მაგალითი, რომელთა პოვნაც ყოველდღიურ ცხოვრებაში მარტივია:
1. წყალი (H₂O)
წყალი პოლარული კოვალენტური ბმების მქონე ნაერთის მნიშვნელოვანი მაგალითია. ჟანგბადის ატომი უფრო ელექტროუარყოფითია, ვიდრე წყალბადის, ამიტომ მარტოხელა წყვილი უფრო მეტად იზიდავს ჟანგბადს. ეს წყალს ანიჭებს უნიკალურ თვისებებს, როგორიცაა მრავალი ნივთიერების გახსნის უნარი, მაღალი ზედაპირული დაჭიმულობა და შედარებით მაღალი დუღილის წერტილი სხვა პატარა მოლეკულებთან შედარებით.
H₂O-ში არსებობს ორი პოლარული O—H ბმა. გარდა ამისა, წყლის მოლეკულების „მოხრილი“ (არა წრფივი) ფორმა ნიშნავს, რომ მათი დიპოლური მომენტები ერთმანეთს არ აბათილებს, ამიტომ წყლის მოლეკულები, როგორც მთლიანობა, პოლარულია.
2. ნახშირორჟანგი (CO₂)
CO₂-ს C-სა და O-ს შორის ორი ორმაგი კოვალენტური ბმა აქვს (O=C=O). C=O ბმა პოლარულია, მაგრამ CO₂ წრფივია, ამიტომ მისი ორი დიპოლური მომენტი ერთმანეთს აბათილებს. შედეგად, CO₂ მოლეკულა სრულიად არაპოლარულია. ეს არის ერთ-ერთი მიზეზი, რის გამოც CO₂ შედარებით ნაკლებად იხსნება წყალში, ვიდრე სუფთა პოლარული ნივთიერებები, თუმცა გარკვეულ პირობებში მას მაინც შეუძლია რეაქციაში შეყვანა ნახშირბადის მჟავას წარმოქმნით.
3. მეთანი (CH₄)
მეთანი არის მარტივი ორგანული ნაერთი, რომელიც შედგება C-სა და H-ს შორის ერთჯერადი კოვალენტური ბმებისგან. ზოგადად, CH₄ არაპოლარულია, რადგან მისი ფორმა ტეტრაედრული სიმეტრიულია და C-სა და H-ს შორის ელექტროუარყოფითობის სხვაობა არც ისე დიდია. მეთანი ბუნებრივი აირის მთავარი კომპონენტია და ფართოდ გამოიყენება საწვავად.
4. ჟანგბადი (O₂) და აზოტი (N₂)
O₂-ს აქვს ორმაგი კოვალენტური ბმა (O=O), ხოლო N₂-ს - სამმაგი კოვალენტური ბმა (N≡N). N₂-ში არსებული სამმაგი ბმა ძალიან ძლიერია, რაც აზოტს შედარებით ინერტულს (რეაქციაში ადვილად არ შედის) ჩვეულებრივ პირობებში. სწორედ ამიტომ, აზოტი დომინირებს დედამიწის ატმოსფეროში, მაგრამ რეაქციაში არ შედის ადვილად სპეციალური პირობების ან კატალიზატორის დახმარების გარეშე.
5. წყალბადის ქლორიდი (HCl)
პოლარული კოვალენტური ბმის მაგალითია HCl. ქლორი (Cl) უფრო ელექტროუარყოფითია, ვიდრე წყალბადი, ამიტომ მისი ელექტრონები უფრო მეტად იზიდავს Cl-ს, რაც იწვევს ნაწილობრივ მუხტს. წყალში გახსნისას HCl იონიზდება H⁺-სა და Cl⁻-ს წარმოქმნით, რაც მას ძლიერ მჟავად აქცევს. ეს აჩვენებს, რომ ნაერთს შეიძლება ჰქონდეს კოვალენტური ბმა, მაგრამ ხსნარში წარმოქმნას იონები.
6. ამიაკი (NH₃)
ამიაკს N-სა და H-ს შორის კოვალენტური ბმაა. NH₃ მოლეკულას სამკუთხა პირამიდული ფორმა აქვს და პოლარულია. ამიაკი ფართოდ გამოიყენება სასუქების ინდუსტრიაში, დასუფთავებასა და სხვადასხვა ქიმიურ პროცესებში. ამიაკის პოლარობა საშუალებას აძლევს მას ძლიერად ურთიერთქმედებდეს წყალთან.
კოვალენტური ნაერთების ზოგადი მახასიათებლები
ზოგადად, კოვალენტურ ნაერთებს აქვთ შემდეგი მახასიათებლები (თუმცა არსებობს გამონაკლისები):
1. ბევრი მათგანი არამეტალური ელემენტებისგან წარმოიქმნება.
2. როგორც წესი, მათ უფრო დაბალი დნობის და დუღილის წერტილები აქვთ, ვიდრე იონურ ნაერთებს, განსაკუთრებით მცირე მოლეკულებს.
3. არაპოლარული კოვალენტური ნაერთები, როგორც წესი, წყალში უხსნადია, მაგრამ არაპოლარულ გამხსნელებში ხსნადია.
4. მყარ მდგომარეობაში არ ატარებენ ელექტროენერგიას; ზოგიერთ მათგანს შეუძლია ელექტროენერგიის გატარება ხსნარში იონიზაციის შემთხვევაში (მაგ. HCl წყალში).
5. გვხვდება მრავალ ორგანულ ნაერთში, როგორიცაა ნახშირწყალბადები, სპირტები, ორგანული მჟავები და ცილები.
დახურვა
კოვალენტობა ფუნდამენტური კონცეფციაა, რომელიც ხსნის, თუ როგორ ქმნიან ატომები, განსაკუთრებით არამეტალები, ბმებს ელექტრონული წყვილების გაზიარებით. კოვალენტური ბმები შეიძლება იყოს ერთჯერადი, ორმაგი ან სამმაგი და შეიძლება იყოს პოლარული ან არაპოლარული. მაგალითები, როგორიცაა წყალი (H₂O), ნახშირორჟანგი (CO₂), მეთანი (CH₄), ჟანგბადი (O₂), აზოტი (N₂) და წყალბადის ქლორიდი (HCl), კარგად არის ცნობილი ყოველდღიური ცხოვრებისთვის. კოვალენტობის განმარტებისა და მაგალითების გაგებით, ჩვენ შეგვიძლია უფრო ადვილად დავუკავშიროთ მოლეკულური სტრუქტურა ნივთიერების ფიზიკურ და ქიმიურ თვისებებს.
თუ გსურთ, შემიძლია სტატიის უფრო სამეცნიერო ვერსია დავამატო (ლუისის სტრუქტურების, ოქტეტის წესისა და მოლეკულური გეომეტრიის განხილვით) ან უფრო მარტივი ვერსია უმცროსი სკოლის მოსწავლეებისთვის.
