קשר קוולנטי: כשאטומים חולקים
מים, אוויר, סוכר - כל המולקולות האלה נוצרות מאטומים שחולקים אלקטרונים
מבוא לקשר קוולנטי
איך נוצר קשר קוולנטי?
קשר קוולנטי (Covalent Bond), או קשר שיתופי, נוצר כאשר שני אטומי אל-מתכת משתפים ביניהם זוג אחד או יותר של אלקטרוני ערכיות כדי לאכלס את קליפתם החיצונית ולהגיע ליציבות אנרגטית מרבית.
תהליך יצירת קשר קוולנטי:
שלב 1: שתי אל-מתכות נפגשות
• שתיהן חסרות אלקטרונים להשלמת הקליפה
• אף אחת לא רוצה לוותר על אלקטרונים
שלב 2: שיתוף אלקטרונים
• כל אטום "מביא" אלקטרון אחד או יותר
• האלקטרונים נמצאים באזור משותף בין שני האטומים
• שני האטומים "סופרים" את האלקטרונים המשותפים כחלק מהקליפה שלהם!
שלב 3: יציבות לשניהם
• בזכות השיתוף, שני האטומים מרגישים שיש להם קליפה מלאה
• נוצרת מולקולה - יחידה של אטומים מקושרים
שימו לב:
בקשר קוולנטי, האטומים לא הופכים ליונים - הם נשארים נייטרליים!
אל-מתכת + אל-מתכת = שיתוף אלקטרונים → קשר קוולנטי
קשר קוולנטי = שיתוף אלקטרונים בין שני אטומים (בדרך כלל אל-מתכות)
דוגמה קלאסית: מולקולת מים (H₂O)
בואו נראה איך נוצרת מולקולת המים - החומר החשוב ביותר לחיים!
המשתתפים
- חמצן (O): 6 אלקטרוני ערכיות → צריך עוד 2 כדי להגיע ל-8
- מימן (H): 1 אלקטרון ערכיות → צריך עוד 1 כדי להגיע ל-2 (קליפה ראשונה מלאה)
מה קורה?
- אטום חמצן אחד פוגש שני אטומי מימן
- כל אטום מימן משתף את האלקטרון שלו עם החמצן
- החמצן משתף שני מהאלקטרונים שלו - אחד עם כל מימן
- נוצרים שני קשרים קוולנטיים:
H-O-H - תוצאה:
• חמצן: 6 + 2 (משותפים) = 8 ✓
• כל מימן: 1 + 1 (משותף) = 2 ✓
• כולם מרוצים!
התוצאה
H₂O = מולקולת מים
שתי קשרים קוולנטיים, מולקולה יציבה!
סוגי קשרים קוולנטיים
קשר בודד
זוג אחד של אלקטרונים משותפים
דוגמה: H-H (מימן)
H₂O (מים)
קשר כפול
שני זוגות של אלקטרונים משותפים
דוגמה: O=O (חמצן)
CO₂ (פחמן דו-חמצני)
קשר משולש
שלושה זוגות של אלקטרונים משותפים
דוגמה: N≡N (חנקן)
קשר חזק מאוד!
קשר יוני מול קשר קוולנטי
קשר יוני
העברה של אלקטרונים
• מתכת + אל-מתכת
• נוצרים יונים (חיוביים ושליליים)
• משיכה אלקטרוסטטית
• תרכובת יונית
• נקודת התכה גבוהה
• מבנה גבישי
דוגמה: NaCl - מלח שולחן
Na⁺ + Cl⁻
קשר קוולנטי
שיתוף של אלקטרונים
• אל-מתכת + אל-מתכת
• לא נוצרים יונים
• האלקטרונים משותפים
• מולקולה
• נקודת התכה נמוכה
• מולקולות נפרדות
דוגמה: H₂O - מים
H-O-H
הכלל: מתכת + אל-מתכת = יוני. אל-מתכת + אל-מתכת = קוולנטי.
מולקולות קוולנטיות בחיי היומיום
H₂O - מים
שני קשרים בודדים
H-O-H
המולקולה החשובה ביותר לחיים!
O₂ - חמצן
קשר כפול
O=O
הגז שאנחנו נושמים
CO₂ - פחמן דו-חמצני
שני קשרים כפולים
O=C=O
הגז שאנחנו נושפים
N₂ - חנקן
קשר משולש
N≡N
78% מהאוויר!
CH₄ - מתאן
ארבעה קשרים בודדים
C מקושר ל-4 H
גז טבעי
C₆H₁₂O₆ - גלוקוז
מולקולה מורכבת
עשרות קשרים קוולנטיים
סוכר - מקור אנרגיה
תכונות של תרכובות קוולנטיות
נקודת התכה נמוכה
נמסות בטמפרטורות נמוכות יחסית (לעומת תרכובות יוניות)
מולקולות נפרדות
קיימות כמולקולות בודדות, לא רשת גבישית
לא מוליכות חשמל
לא מוליכות חשמל (אין יונים חופשיים)
מסיסות משתנה
חלק מסיסות במים, חלק לא - תלוי במולקולה
גזים, נוזלים או מוצקים רכים
יכולות להיות גזים (O₂), נוזלים (H₂O) או מוצקים רכים (סוכר)
מבנה מולקולרי
צורה מוגדרת למולקולה (לא אקראית)
שאלה לחשיבה
למה יהלום (יהלום) קשה כל כך, למרות שהוא בנוי מקשרים קוולנטיים?
היהלום קשה במיוחד מאחר שהוא אינו מורכב ממולקולות בודדות, אלא יוצר סריג אטומרי ענק. כל אטום פחמן בו מחובר בעבותות לארבעה אטומי פחמן שכנים באמצעות קשרים קוולנטיים איתנים, ויוצר רשת תלת-ממדית חזקה ובלתי-חדירה שביירתה דורשת אנרגיה אדירה.
גרפיט (עפרונות) הוא גם פחמן טהור, אבל במבנה שונה - לכן הוא רך!
המילה "קוולנטי" (covalent) מגיעה מלטינית:
- Co- = יחד (כמו cooperate, coordinate)
- Valent = ערכיות (מספר הקשרים שאטום יכול ליצור)
אז "קוולנטי" = "ערכיות משותפת" - האלקטרונים שייכים יחד לשני האטומים!
בעברית, קוראים לזה גם "קשר שיתופי" - שם מאוד מתאים!
עובדה מעניינת
המדען גילברט לואיס (Gilbert Lewis) המציא את המונח "קשר קוולנטי" ב-1916.
הוא גם המציא את "מבנה לואיס" - דרך לצייר מולקולות עם נקודות שמייצגות אלקטרונים.
שאלה לחשיבה
מה ההבדל העיקרי בין קשר יוני לקשר קוולנטי, ואיך זה משפיע על תכונות החומר?
קשר יוני = העברת אלקטרונים (מתכת ← לא-מתכת), יוצר יונים ומשיכה אלקטרוסטטית. תכונות: גבישים קשים, נקודת התכה גבוהה, מוליכים במצב מומס. קשר קוולנטי = שיתוף אלקטרונים (לא-מתכת + לא-מתכת), יוצר מולקולות. תכונות: נקודות רתיחה נמוכות, לא מוליכים, לרוב גזים או נוזלים בטמפרטורת חדר.