קשר קוולנטי

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

קשר קוולנטי או קשר משותף הינו סוג של קשר כימי בין יסודות ותרכובות על בסיס של שיתוף אלקטרונים.

הבסיס ליצירת קשר קוולנטי הוא הנטייה של אטומים מסוימים להגיע למצב נייטרלי של אטום גז אציל על ידי הוספת אלקטרונים. נטייה זו מתאפיינת בתכונתם של האלקטרונים סביב האטום להתפרס באורביטלים (מסלולים), בהם עשויים להיות עד שני אלקטרונים. ברמת האנרגיה הגבוהה ביותר בכל אטום (מלבד מימן והליום) נמצאים ארבעה אורביטלים, מתוכם עשויים להתקיים אורביטלים בהם זוגות של אלקטרונים, ואורביטלים בהם אלקטרונים חופשיים.
דוגמה: באטום חמצן (O) נייטרלי, ששה אלקטרונים ברמת האנרגיה הגבוהה ביותר, ועל כן ישנם שני זוגות אלקטרונים (בשני אורביטלים), ושני אלקטרונים חופשיים (בשני אורביטלים).

אלקטרונים אלו מסומנים בנקודות סביב האטום.
לדוגמה, אטום חמצן יסומן כך:

 ..
: 0 .
  .

בקשר קוולנטי, 'משתפים' שני אטומים את האלקטרונים החופשיים שלהם ברמת האנרגיה הגבוהה ביותר, ליצירת אורביטלים משותפים (בהם זוגות אלקטרונים) המצויים בין שני האטומים. קשרים קוולנטים אותם יוצר אטום עם אטומים אחרים משלימים את מצבו האלקטרוני של האטום למצב הדומה למצבו הנייטרלי של אטום גז אציל (8 אלקטרונים מסודרים בארבעה זוגות, מלבד הליום שבו זוג אלקטרונים). יש יוצאים מהכלל הזה לדוגמת מתכות ביונים מרוכבים או במצב שבו האלקטרונים מהרמות הפנימיות משתתפות בקשר.

בין שני אטומים עשוי להיווצר קשר קוולנטי יחיד (זוג אלקטרונים משותף), כפול (שני זוגות אלקטרונים משותפים) או משולש (שלושה זוגות). בין שני אטומים מסוימים לא מתקיים לעולם קשר קוולנטי מרובע.

קשר קוולנטי מסומן בקווים בין שני האטומים.
דוגמה (בדוגמאות להלן לא צויינו האלקטרונים שאינם בקשר):

קשר קוולנטי יחיד בין אטום זרחן לאטום חנקן:

  P-N  

קשר קוולנטי כפול בין אטום זרחן לאטום חנקן:

  P=N

קשר קוולנטי משולש בין אטום זרחן לאטום חנקן:

  P≡N

צורתה המרחבית של המולקולה הנוצרת בזכות יצירתו של קשר קוולנטי נקבע על-פי נטייתם של זוגות האלקטרונים להיות רחוקים זה מזה ככל הניתן בשל מטענם החשמלי השלילי.לכן המרחק הרצוי הוא המרבי ובכל מבנה מספר המעלות בין האטומים הוא שווה. סביב כל אטום במולקולה כזו (מלבד מימן והליום) מצויים ארבעה אורביטלים (בלעדיים לאטום או משותפים בקשר קוולנטי) המסודרים לפיכך בפינותיו של ארבעון משוכלל (פירמידה בעלת בסיס משולש שבה כל הפאות שוות זו לזו).

כוח הדחייה של זוגות אלקטרונים שאינם קשרים קוולנטים אלא נמצאים סביב אטום אחד גדול במעט משל הזוגות היוצרים את הקשר, שכן הראשונים קרובים יותר לגרעין האטום. כמו כן, כוח הדחייה של קשר קוולנטי כפול גדול משל יחיד, וכוח הדחייה של קשר משולש גדול משל קשר כפול.

דוגמאות לסידור הזוגות במרחב:

מולקולת מתאן, שבה אטום פחמן מקושר לארבעה אטומי מימן, לכל אחד בקשר קוולנטי יחיד:

H H H
 /|\
  C    
  |
  H

• צורת תאור זו היא מישורית, אך מציינת פיזור ארבעוני של הקשרים במרחב.

מולקולת אמוניה, שבה אטום חנקן, לו זוג אלקטרונים אחד ברמת האנרגיה האחרונה, מקושר לשלושה אטומי מימן, לכל אחד בקשר קוולנטי יחיד:

  ..
  N 
 \|/
H H H  

• גם במקרה זה התאור הגרפי מציין פיזור מרחבי בצורת פירמידה. הזווית שבין כל שני קשרים קבועה, אך הזווית בין זוג האלטרונים 'השייך' לאטום (שתי הנקודות) גדולה מעט מהזווית בין כל שני קשרים.

מולקולת מים, שבה אטום חמצן, לו שני זוגות אלקטרונים ברמת האנרגיה האחרונה, מקושר לשני אטומי מימן, לכל אחד בקשר קוולנטי יחיד:

 ..
 :H - O
  |
  H

• שלושת האטומים יוצרים צורה מישורית, אך כל זוגות האלקטרונים מפוזרים במרחב בצורת ארבעון. הזווית בין הקשרים היא זווית קהה, שכן כוח הדחייה של זוגות האלטרונים גדול יותר משל הקשר הקוולנטי.

מולקולת ציאניד, שבה אטום פחמן מקושר בקשר יחיד לאטום מימן ובקשר משולש לאטום חנקן:

 :H-C≡N  

• למולקולה זו סידור מישורי של קו ישר.

עוצמת הקשר בין שני האטומים גדלה ככל שיש ביניהם יותר קשרים קוולנטיים. כמו כן, ככל שהאלקטרושליליות (יכולת המשיכה של אלקטרונים) של אטום מסוים גבוהה יותר, גדלה עוצמת הקשרים אותם הוא יוצר.

מכיוון שהאלקטרושליליות של היסודות השונים שונה זו מזו, בכל קשר בין אטומים (מלבד מקרים בהם המולקולה היא סימטרית לחלוטין בציר זה) לאחד האטומים כוח משיכה גדול יותר, והאלקטרונים של הקשר הקוולנטי ייטו להיות בקרבתו. כך נוצרים הבדלים יחסיים של מטען בין שני האטומים. הבדלים יחסיים אלו עשויים להשפיע על שאר הקשרים של האטומים.
לדוגמה, במולקולת הציאניד (בדוגמה לעיל), לאטום הפחמן (C) אלקטרושליליות גבוהה משל המימן (H), ולכן מטענו היחסי של המימן חיובי ושל הפחמן שלילי. כמו כן, לחנקן (N) אלקטרושליליות גבוהה משל הפחמן (C), ולכן מטענו היחסי של החנקן שלילי. מכיוון שמטענו של הפחמן שלילי בשל הקשר עם המימן, וחיובי בשל הקשר עם החנקן, מטענו הכולל הוא בקירוב נייטרלי.