دکتر ریموند رخشانی *
مقاله و فایل صوتی بیست و یکم:
بهمپیوستگی یا پیوند شیمیایی[۱]
اتم ها اَغلب با اتُم هایی دیگر بهم پیوسته می شوند تا مَوادِ دنیایِ فیزیکی را بوجود آورند[۲]. عملکردِ پیوند یا بهم پیوستگی اتم ها برای رسیدن به چیدمان هایِ بسیار پایدارِ مداریِ[۳] ۲، ۱۰، ۱۸، ۳۶، ۵۴ یا ۸۶ الکترونی است.[۴]
کلیدِ درکِ چنین پیوندها یا بهم پیوستگی ها را در انرژی میتوان جستجو کرد: یعنی تمامِ سیستم هایِ طبیعی گرایش به ثبات در حالت پایین ترین تراز انرژی[۵] دارند.
- شاید مثالِ زیر برایِ توضیحِ این نکته به ما یاری دهد. کوهی پرشیب با دره ای عمیق را فرض کنیم که سنگ های بزرگی[۶] در آن داریم. مسلما پایدارترین و باثبات ترینِ این سنگ‌ها در کفّ و عمقِ آن دره اند؛ و برای حرکتِ آنها به انرژی نیاز داریم.
- سنگ هایی هم در سراشیبی آن دره قرار دارند که انرژیِ پتانسیلِ گرانشی یا جاذبه ای[۷] بیشتری دارند. هرچه سنگ ها در ارتفاعی بالاتر، انرژیِ پتانسیل آنها بیشتر است. یک زمین لرزه ی کوچک به راحتی می تواند آنها را به عمقِ دره سرازیر کند؛ و در آن فرآیند انرژیِ پتانسیلِ آنها به گرما تبدیل می شود.
چیدمانِ الکترون ها در هر اتم شبیه به موقعیتِ سنگ هایِ آن دره هستند.
- چیدمانِ الکترونی ای که مدارِ بیرونی اتم را کامل کرده باشد (آن شماره هایِ جادویی را داشته باشد، برای نمونه گاز‌های خنثی[۸]) پایین ترین انرژیِ پتانسیلِ شیمیایی را داراست و مانند سنگ هایِ در عمق یا در کفِّ آن دره است.
- چیدمانِ مدارِ بیرونی ای که ناکامل است انرژیِ پتانسیلِ شیمیایی بالاتری دارد. هرگونه گذار به چیدمانی که مدارِ بیرونی را کامل کند با رهاکردن آن انرژی[۹] همراه است.
- تعدادِ متفاوتِ الکترون ها در مدارِ بیرونی اتم را می توان به ارتفاع هایِ متفاوتِ سنگ ها در آن دره تشبیه کرد.
- اگر چیدمان‌های مشخصی از الکترون ها در مدارِ بیرونی ناپایدار نبودند، نیازی نبود تا اتم ها به یکدیگر بهم پیوسته شوند. ناپایداری دلیلِ بهم پیوستگی یا پیوند اتمی است.
اتم‌ها سه استراتژی و رویکردِ متفاوت برای اتصال و بهم پیوستگی (پیوند) به یکدیگر دارند: بهم پیوستگیِ یونی، بهم پیوستگیِ فلزی و بهم پیوستگی (پیوندِ) اشتراکی یا کووالانسی[۱۰] .
پیوندِ یونی یکی از سه نوع بهم پیوستگی‌هایِ شیمیایی اتم هاست. اتم ها یا مولکول هایی که در مدارِ بیرونی آن شماره ی جادویی از الکترون را دارند، بسیار پایدارند. اتم هایی که یک یا دو الکترون از آن شماره ها کمتر دارند ناپایدار‌ترینِ[۱۱] اتم ها هستند.
- کلر (عنصرِ با شماره ی اتمی ۱۷) یکی از خطرناک ترین واکنش ها را دارد زیرا برای کامل کردنِ مدارِ بیرونیِ خود (و کسبِ حالتِ ۱۸ الکترونی – عددِ جادویی) با هر عنصرِ دیگری فعل و انفعال دارد. سدیم هم که ۱۱ الکترونی است، برای ازدست دادنِ ۱ الکترون و برای باثبات شدن به آب و حتی به هوا هم واکنش نشان می دهد. پیوند‌هایِ یونی که اغلب موادی سخت چون سنگ، شیشه و یا سرامیک می سازند از هر دو نوعِ فرآیند‌هایِ برشمرده استفاده می کنند.
- وقتی اتمِ کلر و اتمِ سدیم بهم نزدیک می شوند واکنشی سریع و شدید[۱۲] دارند و اغلب شعله ی داغ و پرحرارتی هم که نشانه ی آزاد شدنِ انرژی است تولید می کنند . در این فرآیند، کلر یک الکترون از سدیم گرفته و هر دو اتم به حالتِ پایدار الکترونی می رسند.
- هر دو اتم در این فرآیند به یون هایِ باردار[۱۳] تبدیل می شوند. کلر به یونی با بارِ منفیِ ۱ و سدیم به یونی با بارِ مثبتِ ۱ تبدیل میشود و بارهای مثبت و منفی یکدیگر را جذب کرده و پیوندِ شیمیایی ای که پیوندِ یونی نامیده می شود بوجود می آورند.
- نمونه های بسیار زیادی از پیوند‌هایِ (بهم پیوستگیهای) یونی در اطرافِ ماست. همه ی عناصری که در ستونِ عمودیِ اولِ دستِ چپِ جدولِ عناصرِ مندلیف هستند (فلز‌هایِ قلیایی[۱۴]) با عناصرِ ستون (دوم یا) یکی مانده به آخر از دستِ راستِ آن جدول (هالوژن ها[۱۵]) پیوند‌های یونی که نسبتِ ترکیباتِ آنها ۱:۱ است می سازند و انواعِ نمک ها را بوجود می آورند (مانند نمک معمولی یا کلرید سدیم.)
- همه ی عناصری که در ستونِ عمودیِ اولِ دستِ چپِ جدول عناصر مندلیف هستند (فلز‌های قلیایی) با عناصرِ ستون سوم یا با عناصرِ دو ستون مانده به آخر از دست راست آن جدول پیوند‌های یونی می سازند اما نسبتِ ترکیباتِ آنها ۱:۲ است.
- یکی از فراوان ترین نمونه های پیوندِ یونی بینِ سیلیکن (عنصر ۱۴) و اکسیژن (عنصر ۸ جدول) صورت می پذیرد که فرمولِ شیمیایی آن SiO۲ است و کوارتز[۱۶] نامیده می شود و همان شن هایِ ساحلی و بسیاری دیگر موادِ معدنی ای هستند که شیشه، چینی و سرامیک را می سازند. همچنین ماده معدنی کوروندوم که در یاقوتِ سرخ و یاقوتِ سیاه است[۱۷] و بسیار سخت است پیوندی یونی دارد. اگر به خاطر داشته باشید مطابق با قانونِ کولومب [۱۸] نیرویِ الکتریسیته ی ساکنِ بینِ دو ذره، ارتباطی مستقیم با بارهای آنها دارد.
پیوند‌های یونی ویژگی‌‌های بارز زیر را دارند.
- نیرویِ قویِ بین یون های مثبت و منفی در پیوند‌های یونی موادی بسیار سخت اما ترد و شکننده[۱۹] می سازند، مانند چینی، شیشه و سنگ ها.
- امواجِ نور به سادگی با برخورد به الکترون ها دچارِ انکسار و پراکندگی و پخششدگی میشوند و چون در پیوند‌هایِ یونی الکترون ها در مدار‌های کامل شده و پایدار هستند، نور به سادگی از آنها عبور می کند.
- چون الکترون ها در ترکیباتِ یونیِ بسیار محکمی در مدار‌هایِ خود جا دارند آن مواد بهترینِ نارسانا‌ها [۲۰]یا عایق ها هم هستند.
دومین نوع پیوند شیمیایی بهم پیوستگی‌هایِ فلزی نام دارد که اتم ها در آن پیوندها الکترون ها را شریک می شوند.
- در فلزِ سدیم، هر اتمی یک الکترون را رها می‌کند و دریایی از الکترون های ناپیوسته[۲۱] با باری منفی را بوجود می آورد. یون هایِ سدیم مانندِ جزایری با بار مثبت[۲۲] در دریایی از الکترون هستند.
- بیش از دو سومِ عناصرِ جدولِ مندلیف پیوند‌هایِ فلزی بوجود می آورند.
- تمامِ عناصری که در مدارِ بیرونیِ خود الکترون هایی کمتر از مداری نیمه کامل و نیمه پرشده[۲۳] دارند پیوند‌هایِ فلزی می سازند.
- بیشتر ترکیباتِ عناصرِ فلزی هم که آلیاژ نامیده می شوند پیوندِ فلزی دارند. شناخته شده ترینِ آلیاژ‌ها برنج (آمیزه ی مِس و روی،) برنز (ترکیب مس و قلع) و پیوتر (آمیزه ی قلع و آنتیموان و یا ترکیب قلع و سرب) هستند.
- فولاد‌هایِ مدرن آلیاژِ آهن و کربن و اغلب چند فلزِ دیگر هستند و هریک ویژگیِ مختصِ خود را دارند.
- استفاده از فلزاتِ سبک تر (از قبیل آلومینوم و تیتانیوم) در صنایعِ حمل و نقل و همچنین در هواپیماسازی با قانونِ دومِ نیوتن همخوانی دارد که فرمولِ آن اینگونه بیان شد:
F=m x a و یا a=F/m
که a برای شتاب و m برای جرم است و نشان می دهد که با اعمال نیرویی ثابت با سبک تر کردن و کاهشِ جرم می توان شتاب هایِ بالاتری را بدست آورد.[۲۴]
پیوند‌هایِ فلزی هم خواص یا خصوصیاتِ ویژه ی خود را دارند.
- پیوند‌های فلزی بین اتم هایی با بارِ مثبت در دریایی از الکترون هایی با بار منفی، تواناییِ چکش پذیری[۲۵] دارند و شکنندگیِ پیوند‌های یونی را ندارند . نتیجتاً بیشترِ فلز‌ها را می توان خم کرد.
- الکترون های در گردش در پیوند‌های فلزی نور را منعکس می کنند و بهمین دلیل اکثرِ فلز‌ها سطحی درخشنده دارند.
- چون الکترون ها در پیوند‌های فلزی آزاد هستند فلزات اغلب رسانا[۲۶] هستند.
سومین نوعِ بهم پیوستگی های شیمیایی پیوند‌هایِ کووالانسی هستند که الکترون ها را به شیوه ی دیگری سهیم می شوند.
- هنگامیکه دو اتمِ هیدروژن بهم نزدیک میشوند هریک از آنها یک الکترون و یک پروتون دارد و چون اتم‌ها برای پایداری نیاز به مدارِ بیرونیِ کاملی دارند، آن دو اتم به شکلِ ملکول H۲ (که گاز است) الکترون هایِ خود را با یکدیگر سهیم می شوند که پیوندی کووالانسی است.
- این نوعِ پیوند از پیوندِ H-H که بین یونی با بار ۱+ و یونی دیگر با بار ۱ -است متفاوت است.
- این نوعِ پیوند از پیوندِ فلزی هم، که همانگونه که پیشتر گفته شد گویی در آن پیوند پروتون ها در دریایی از الکترون ها هستند، متفاوت است.
بیشتر پیوند‌هایِ غیرفلزها کووالانسی هستند.
- مولکول گاز‌هایِ بسیاری از قبیل اکسیژن O۲ و نیتروژن N۲ کووالانسی اند.
- در آب هم، دو اتم هیدروژن الکترون هایِ خود را کووالانسی با اتم اکسیژن سهیم می شوند تا اکسیژن به ثبات ۱۰ الکترونی یعنی به آن عدد جادویی برسد.
- منعطف ترین[۲۷] عنصری که پیوندِ کوالانسی می سازد عنصرِ شماره ی ۶ یعنی کربن C است که بدلیل اهمیت بی اندازه ی آن عنصر در دنیای فیزیکی و شیمیایی ما هم بدان می پردازیم.
——————————-
Chemical Bonding
Rakhshani, Raymond. Origins of Modernity. Even Development in the Evolution of Science and Technology. South Carolina: CreateSpace, A Division of Amazon Publishing, 2011.
stable arrangements
Snyder, C.H. The Extraordinary Chemistry of Ordinary Things. New York: Wiley, 1992.
state of lowest energy
boulders
gravitational potential energy
inert gases
release of energy
Ionic bonding, metallic bonding, and covalent bonding
the most unstable
violent
charged ions
alkali metals
halogens
quartz
Corundum or Al2O3 in ruby and sapphire
Coulomb’s Law
Hard but brittle
insulators
unbounded electrons
positively charged islands
less than half full
Hoffmann, R. The Same and Not the Same. New York: Columbia University Press, 1995.
malleability
conductor
versatile
————————————————————–
—————–
* دکتر ریموند رخشانی در باره خودش:
من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی سیستم‌ها است، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراورده‌های نوین می‌‌باشد. در این سلسله از مقالات و فایل‌های صوتی کوشش می‌‌کنم که علم مدرن را از پایه به دوستان معرفی کنم.
به کانال تلگرام سایت ملیون ایران بپیوندید