נוסח השאלה המלא: מדוע ואיך יסודות מסוימים נקשרים לאחרים? אני מכיר את הטבלה המחזורית אבל אני לא ממש מבין איך האלקטרונים,שעל פי המודל כיום מופיעים ונעלמים להם מתחברים אל אלקטרונים של יסודות אחרים?
השאלה שנשאלה עוסקת בנושא מאוד נרחב (ומורכב), בתשובה זו אנסה להסביר רק את העקרונות הכלליים הקובעים יצירת קשר כימי לפי הראייה המודרנית של תורת הקוונטים, בלי להכנס לפרטים וחישובים.
ראשית – מומלץ מאוד לקרוא תחילה את התשובה לשאלה 'כיצד נראים מסלולי האלקטרונים באטום' - לחצו כאן לתשובה, וגם את התשובה לשאלה 'מה קובע איכלוס האלקטרונים באטום, ועל מה הוא משפיע' . כפי שמוסבר בתשובות (וגם נרמז בשאלה), תורת הקוונטים מצאה כי האלקטרונים נמצאים באטום באורביטלים-אטומיים (מעיין מסלולים) שונים, ושישנם משפחות שונות של אורביטלים אטומיים הנבדלים זה מזה בצורה החיצונית ובסימטריה, כאשר אין הכוונה לצורה ממש, אלא לצורה של 'ענן ההסתברות' בו נמצא האלקטרון בתוך האורביטל. איש אינו יודע איך באמת נעים האלקטרונים בתוך האורביטל / ענן, אם בכלל.
לפי אותו היגיון, כמו שיש לאלקטרונים באטומים 'אורביטלים אטומיים', אפשר לחשב 'אורביטלים מולקולרים' עבור אלקטרונים בתוך מולקולה! האורביטלים המולקולריים נוצרים מחפיפה (מבחינת אנרגיה, סימטריה ומיקום במרחב) של אורביטלים אטומיים (של האטומים המרכיבים את המולקולה). כפי שצויין בתשובות העבר, באטומים הנפוצים בעולמנו, מאוכלסים אורביטלים מסוג s, p, d ו-f. חפיפה בין סוגי אורביטלים אטומיים שונים יוצרת אורביטלים מולקולרים שונים.
למשל: אורביטל s שחופף לאורביטל s או pz אחר, או שני אורביטלי pz (אורביטלי pz הם אחד משלושת סוגי אורביטלי p שפשוט נמצאים במצב שוכב) יוצרים קשר מסוג s (סיגמא) כפי שניתן לראות בתמונה כאן:
קשרי סיגמא
כמו שרואים, הענן האלקטרוני של האורביטל המולקולרי, נמצא בין שני גרעיני האטומים – כידוע, האלקטרונים מטענם החשמלי שלילי, וגרעיני האטומים (המאוכלסים בפרוטונים) מטענם החשמלי חיובי, כיוון שמטענים חשמליים מנוגדים מושכים זה את זה, הענן שבין שני הגרעינים יגרום לשני הגרעינים להמשך אליו – וזה מה שגורם להיווצרות הקשר הכימי. עיקרון מאוד פשוט! בתוך הענן נמצאים האלקטרונים משני האטומים שיצרו אותו.
שני אורביטלי p יוצרים אורביטל מסוג P (פאי), קשר פאי, כפי שניתן לראות בתמונה הבאה:
קשר פאי הנוצר מחפיפה של שני אורביטלי p
שימו לב שכמו אורביטלי p, גם ענן P, מחולק לשני חלקים, מעל ומתחת מישור הקשר. קשר פאי נחשב חלש יותר מקשר סיגמא ופעיל יותר ממנו. כפי שציינתי בתשובות העבר איש אינו יודע איך האלקטרון 'מקפץ' בין שני חלקי הענן, למרות שמעולם לא נמצא באיזור שבין העננים (ההסתברות להמצאותו שם היא אפס מוחלט, זהו סוג של מנהור קוונטי, ראו קישור בתחתית התשובה).
קשר d (דלתא) נוצר מחפיפה של שני אורביטלי d, וכפי שניתן לראות – הענן האלקטרוני שבו מחולק ל 4 חלקים:
קשרי דלתא
(לא ידוע לי על אורביטלים מולקולרים מחפיפת אורביטלי f אחד עם השני).
אורביטלים מולקולרים, ובייחוד אורביטלים מסוג פאי, לא חייבים להיות בין 2 אטומים ויכולים להקיף מולקולה שלמה בעלת מספר אטומים רב, למשל בכל מולקולה בהם קיימים קשרים כפולים מצומדים (קשר יחיד וכפול לסירוגין) מה שקיים בפועל זה אורביטל מולקולרי שמקיף את כל האלקטרונים באורביטלי p שמשתתפים במולקולה, דוגמא לכך היא המולקולה בֶנְזֳן, כפי שניתן לראות כאן:
צורות שונות להצגת מולקולת בנזן, בכתום- קישרי סיגמא (sigma) ופאי (pi) במולקולה. כל התמונות נלקחו / עובדו מויקיפדיה
(ולכן נהוג לצייר את המולקולה כמשושה עם עיגול בתוכו, כי אין 'באמת' קשר יחיד וכפול לסירוגין, אלא ענן טבעתי שמשותף לכל ששת אטומי הפחמן של המולקולה).
בגרפיט – הבנוייה ממולקולות רבות של בנזן המחוברות אחת לשנייה (מבנה של משושים כמו בכוורת דבורים) כל אורביטלי p של אטומי הפחמן בשכבת גרפיט אחת משותפים, ולכן גרפיט מוליכה חשמל (אלקטרונים שנכנסים לענן בצד אחד יגרמו ליציאת אלקטרונים מהענן בצד השני).
צורת הענן הספציפית היא שקובעת את אופי הקשר הכימי, למשל ענן מאוד לא סימטרי יגרום לקשר יוני, ענן המשותף לגביש שלם של אטומים יגרום לקשר מתכתי וכו'.
בעזרת תשובה זו, נסביר בפירוט את אופי הקשר במולקולה CO (פחמן חד חמצני).
מאת: ד"ר אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
