קשר קוולנטי: כשאטומים חולקים
מים, אוויר, סוכר - כל המולקולות האלה נוצרות מאטומים שחולקים אלקטרונים
מבוא לקשר קוולנטי
איך נוצר קשר קוולנטי?
קשר קוולנטי נוצר כששני אטומים משתפים זוג אלקטרונים או יותר.
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!
קשר קוולנטי — שיתוף אלקטרונים ומבנה מרחבי
האטומים צפים במרחב. כל אטום מוצג עם אלקטרוני הערכיות שלו. לחץ על ״צור קשרים״ להתחלה.
גרור לסיבוב | גלגל לזום
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?
התשובה: לא כל התרכובות הקוולנטיות רכות!
רוב התרכובות הקוולנטיות הן מולקולות בודדות עם נקודת התכה נמוכה. אבל יש חריג מיוחד: יהלום!
מה מיוחד ביהלום?
• יהלום בנוי לחלוטין מאטומי פחמן
• כל אטום פחמן קשור בארבעה קשרים קוולנטיים לארבעה אטומי פחמן אחרים
• האטומים יוצרים רשת תלת-ממדית ענקית
• כל היהלום הוא בעצם מולקולה אחת ענקית!
למה זה עושה אותו קשה?
• הקשרים הקוולנטיים בין פחמן לפחמן חזקים מאוד
• הרשת התלת-ממדית קשיחה
• כדי לשבור יהלום, צריך לשבור מיליארדי קשרים קוולנטיים!
הבדל מתרכובות קוולנטיות רגילות:
• מים (H₂O): מולקולות בודדות, חיבור חלש ביניהן → נוזל
• יהלום (C): רשת רציפה של קשרים חזקים → מוצק קשה ביותר!
סיכום:
קשר קוולנטי עצמו יכול להיות חזק מאוד. המבנה של החומר (מולקולות בודדות מול רשת רציפה) הוא שקובע את התכונות הפיזיקליות!
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.