دانلود مقاله علم شیمی

شاخه‌ای از علوم تجربی است که از یک سو درباره شناخت خواص ، ساختار و ارتباط بین خواص و ساختار مواد و قوانین مربوط به آنها بحث می‌کند.

از سوی دیگر ، راههای تهیه ، استخراج مواد خالص از منابع طبیعی ، تبدیل مواد به یکدیگر و یا سنتز آنها به روشی که به صرفه مقرون باشد، مورد بحث و بررسی قرار می‌د‌هند.

این علم با ترکیب و ساختار و نیروهایی که این ساختارها را برپا نگه داشته است، سروکار دارد.

شرح تفصیلی درباره چگونگی واکنش‌ها و سرعت پیشرفت آنها ، شرایط لازم برای فراهم آوردن تغییرات مطلوب و جلوگیری از تغییرات نامطلوب ، تغییرات انرژی که با واکنش‌های شیمیایی همراه است، سنتز موادی که در طبیعت صورت می‌گیرد و آنهایی که مشابه طبیعی ندارند و بالاخره روابط کمی جرمی بین مواد در تغییرات شیمیایی در علم شیمی مورد مطالعه قرار می‌گیرد.

پیدایش دانش شیمی (Chemistry science) انسان از بدو خلقت که بناچار پیوسته با اشیای محیط زیست خود سرو کار پیدا کرد، با شناخت تدریجی نیازهای زندگی خویش و کسب اطلاعات بیشتری درباره خواص آنها ، آموخت که برای ادامه حیات خود به ناچار باید از آنها استفاده کند.

با گذشت زمان دریافت که برای استفاده هر چه بیشتر و بهتر از این مواد ، باید در وضعیت و کیفیت آنها تغییراتی وارد کند.

این کار با استفاده از گرما و بویژه کشف آتش بصورت عملی در آمده بود.

آغاز دانش بشری را در واقع می‌توان همان آغاز استفاده از آتش دانست.

زیرا گرم کردن و پختن مواد و … ، تغییراتی شیمیایی می‌باشد و این خود نشان دهنده این واقعیت است که شیمی ، علمی است که در ارتباط با اولین و حیاتی‌ترین نیازهای جامعه بشری بوجود آمده و برای برآورده کردن هر چه بیشتر این نیازها که روز به روز تنوع حاصل می‌کرد، توسعه و تکام یافته است.

از آنجایی که شیمی ، علم تجربی است و بشر اولیه قبل از هر نوع تفکر و نظریه پردازی ساختار و چگونگی پیدایش مواد موجود در محیط زیست خود ، در اندیشه حفظ خود از سرما و آزمایش‌های مربوط به گرما ، رفع گرسنگی و احتمالا دفاع از هستی خویش بوده و در راه دسترسی به چگونگی تغییر و تبدیل آنها به منظور استفاده هر چه بهتر و بیشتر از آنها قدم برمی‌داشت، بر همین اساس بود که بخش شیمی نظری خیلی دیرتر از بخش کاربردی آن آغاز شد و پیشرفت کرد.

سیر تکامی و رشد اولین نظریه درباره ساختار مواد ، حدود 400 سال قبل از میلاد توسط فلاسفه یونان بیان شد، در صورتی که شاخه کاربردی شیمی چندین هزار سال قبل از میلاد رواج داشت و قابلیت توجیه پیدا کرده بود.

به چند مورد اشاره می‌کنیم.

• طلا ، اولین فلزی بود که توسط بشر کشف شد و نقره پس از طلا کشف شد و در زندگی بشر کاربرد پیدا کرد.

مس سومین فلزی بود که کشف شد.

سرب ، قلع و جیوه بعد از مس و قبل از آهن کشف شدند.

آهن به علت دشواریهایی که در استخراج آن وجود داشت، دیرتر از فلزات فوق کشف و مورد استفاده قرار گرفت.

• ساختن شیشه رنگی (سبز و آبی) و شیشه بی‌رنگ در مصر و بین‌النهرین و در کشورهای مجاور دریای اژه و دریای سیاه و تهیه بطری‌های شیشه‌ای در بین‌النهرین متداول شد.

• کوزه‌گری ، سفالگری و استفاده از لوحه‌های سفالی و تهیه لعاب و لعاب دادن ظروف سفالی در مصر و بین‌النهرین متداول شد.

• تهیه پارچه‌های نخی ، ابریشمی و پشمی و رنگرزی آنها با رنگهای نیلی ارغوانی و قرمز و … رواج یافت.

رنگ قرمز از حشره‌ای به نام قرمزدانه ، رنگ نیلی از گیاهی بنام ایندیگو و رنگ بنفش از جانور دریایی بدست آمد.

• دباغی پوست با استفاده از زاجها ، تهیه الکل ، سرکه ، روغن ، مومیا و استخراج نمک از آب دریا انجام گرفت.

طبقه‌بندی علم شیمی شیمی محض یا شیمی نظری درباره شناخت خواص و ساختار و ارتباط خواص و ساختار مواد و قوانین مربوط به آنها بحث می‌کند.

شیمی عملی یا شیمی کاربردی راههای تهیه ، استخراج مواد خالص از منابع طبیعی ، تبدیل مواد به یکدیگر و یا سنتز آنها را مورد بررسی قرار می‌دهد.

دامنه علم شیمی بدین ترتیب دامنه علم شیمی در زمینه‌های نظری و عملی فوق‌العاده گسترش حاصل کرد و نقشهای حساس را در زندگی انسان به عهده گرفت.

بطوری که امروزه میزان برخورداری هر جامعه از تکنولوژی شیمیایی ، معیار قدرت و ثروت و رفاه آن جامعه محسوب شده و بصورت جزئی از فلسفه زندگی در آمده است پیوند شیمیایی و انواع آن اتمهای گازهای بی‌اثر میل ندارند با عنصرهای دیگر پیوند تشکیل دهند یا با اتمهای دیگری از نوع خود به یکدیگر بپیوندند، ولی عنصرهای دیگر به جز گازهای بی‌اثر نمی‌توانند به تنهایی و بدون پیوستن به اتمهای عنصرهای دیگر یا اتمهای دیگری از نوع خود به بقای خود ادامه دهند و حتما باید با اتم یا اتمهای دیگر پیوند تشکیل دهند.

به هم پیوستن دو اتم را معمولا تشکیل پیوند می‌گویند.

دید کلی بررسی مواد ساده و مرکب در طبیعت نشان می‌دهد که اکثریت قریب به اتفاق اتمها در طبیعت به حالت آزاد وجود ندارند.

مواد ساده‌ای که در طبیعت به حالت آزاد وجود دارند، بندرت بصورت مولکول تک اتمی‌هستند.

بیشتر مواد ساده بصورت مولکولهای دو یا چند اتمی در ‌طبیعت پیدا می‌شوند.

برای مثال گاز هیدروژنی که از اثر اسیدها بر فلزها یا از تجزیه الکتریکی آب یا از هر راه دیگری بدست می‌آید، بصورت مولکول دو اتمی است.

اکسیژن نیز در اغلب موارد بصورت مولکول دو اتمی و گاهی نیز بصورت مولکول سه اتمی اوزون یافت می‌شود.

فسفر سفید بصورت مولکول چهار اتمی و گوگرد بصورت مولکول هشت اتمی است.

تنها گازهای بی‌اثر در طبیعت بصورت تک اتمی یافت می‌شوند.

پیوند شیمیایی در هیدروژن وقتی دو اتم هیدروژن به یکدیگر نزدیک می‌شوند، اوربیتالهای اتمی آنها به یک اوربیتال مولکولی تبدیل می‌شود.

در اوربیتال مولکولی ابر الکترونی تحت تاثیر جاذبه دو هسته قرار دارد.

در حالی که در اوربیتال اتمی ابر الکترونی تحت تاثیر جاذبه یک هسته است.

چون نیروی جاذبه هسته‌ها در فضای بین دو هسته از جاهای دیگر بیشتر است، در نتیجه تراکم ابر الکترونی در فاصله دو هسته از جاهای دیگر بیشتر خواهد بود.

انرژی پیوند انرژی پیوند ، عبارت است از مقدار انرژی آزاد شده به هنگام تشکیل پیوند بین یک مول اتمهای گازی شکل یک عنصر با یک مول اتمهای گازی شکل همان عنصر یا عنصر دیگر.

انواع پیوند شیمیایی یوند کووالانسی در مولکول هیدروژن ، اتمها ، الکترون به اشتراک می‌گذارند و با استفاده از مدل بور ، الکترونهای مشترک بر روی مدار خارجی هر دو اتم گردش می‌کنند.

به بیان دیگر ، ابر الکترونی تحت تاثیر جاذبه دو هسته قرار دارد و تراکم ابر الکترونی در فاصله دو هسته از جاهای دیگر بیشتر است.

چنین پیوندی پیوند کووالانسی نامیده می‌شود.

پیوند کووالانسی بین دو اتم هیدروژن از همپوشانی اوربیتال s بوجود می‌آید و مولکول حاصل بیضوی است که هسته‌های دو اتم در دو کانون آن قرار دارند و تراکم ابر الکترونی در بین دو هسته زیاد و در اطراف هسته‌ها کمتر است.

در نتیجه تشکیل پیوند ، اوربیتالهای اتمی به اوربیتال مولکولی تبدیل می‌شوند.

اوربیتالهای مولکولی حاصل از تشکیل پیوند میان دو اتم هیدروژن بیضوی است که تراکم ابر الکترونی بر روی خط واصل بین هسته‌های آن از جاهای دیگر بیشتر است.

این شکل اوربیتال مولکولی اوربیتال مولکولی سیگما یا پیوند سیگما نامیده می‌شود.

در نوع دیگر از اوربیتال های مولکولی ، نه تنها سطح انرژی پائین نمی‌آید و انرژی آزاد نمی‌شود، بلکه سطح انرژی از اتم های اولیه نیز بالاتر است، این اوربیتال را نمی‌توان اوربیتال پیوندی نامید، بلکه یک اوربیتالی ضد پیوندی است و بصورت نشان داده می‌شود.

در نوع دیگر از اوربیتالهای مولکولی ، نه تنها سطح انرژی پائین نمی‌آید و انرژی آزاد نمی‌شود، بلکه سطح انرژی از اتمهای اولیه نیز بالاتر است، این اوربیتال را نمی‌توان اوربیتال پیوندی نامید، بلکه یک اوربیتالی ضد پیوندی است و بصورت نشان داده می‌شود.

هرچه در یک مولکول ، تعداد اوربیتالهای پیوندی اشغال شده بیشتر باشد، مولکول پایدارتر است، ولی هر گاه تعداد اوربیتالهای پیوندی و ضد پیوندی برابر باشد، دو اتم از یکدیگر جدا می‌مانند و بین آنها پیوندی تشکیل نمی‌شود.

تعداد پیوند میان دو اتم برابر نصف تعداد الکترونهای موجود در اوربیتالهای پیوندی منهای نصف تعداد الکترونهای موجود در اوربیتالهای ضد پیوندی است.

پیوند اکسیژن با هیدروژن : اکسیژن ، دو اوربیتال تک الکترونی دارد.

هر گاه یک اتم اکسیژن و یک اتم هیدروژن به یکدیگر نزدیک شوند، امکان جاذبه بر دافعه وجود دارد و در این صورت پیوند تشکیل می‌شود.

در این مجموعه ، هیدروژن به آرایش گاز بی‌اثر هلیم رسیده است، ولی اکسیژن در خارجی‌ترین سطح انرژی خود دارای هفت الکترون شده و هنوز به آرایش گاز بی‌اثر نرسیده است.

آرایش الکترونی اکسیژن پس از تشکیل یک پیوند با یک هیدروژن مشابه آرایش الکترونی فلوئور شده است.

بنابراین این مجموعه می‌تواند به همان راههایی که فلوئور آرایش الکترونی خود را به آرایش الکترونی گاز بی‌اثر رساند، آرایش الکترونی خود را کامل کند.

یکی از راههای رسیدن به آرایش الکترونی گاز بی‌اثر آن است که با یک اتم هیدروژن دیگر پیوند برقرار کند و مولکول O را پدید آورد.

پیوند داتیو اتم نیتروژن با سه اتم هیدروژن ، پیوند کووالانسی معمولی تشکیل می‌دهد و به آرایش الکترونی گاز بی‌اثر می‌رسد.

پس از این عمل ، برای نیتروژن یک جفت الکترون غیر پیوندی باقی می‌ماند که می‌تواند آن را بصورت داتیو در اختیار اتمهایی که به آن نیاز دارند، قرار دهد.

از سوی دیگر ، اتم هیدروژن که یک اتم الکترون در اوربیتال آن موجود است، هر گاه این الکترون را از دست بدهد، به یون تبدیل می‌شود که اوربیتال آن خالی است.

حال هرگاه این یون به مولکول آمونیاک نزدیک شود، با آن پیوند داتیو برقرار می‌کند و خود را به آرایش الکترونی گاز بی‌اثر می‌رساند: این مجموعه که یون آمونیوم نامیده می‌شود، در بسیاری از ترکیبات مانند کلرید آمونیوم و هیدروکسید آمونیوم وجود دارد.

اندازه گیری‌های انجام شده نشان می‌دهد که انرژی و طول هر چهار پیوند نیتروژن _ هیدروژن در یون آمونیوم کاملا یکسان است.

این امر منطقی نیز به نظر می‌رسد، زیرا پیوند داتیو نیز مانند پیوند کووالانسی معمولی یک جفت الکترون است که بین هسته اتم نیتروژن و هسته اتم هیدروژن قرار گرفته است.

هچنین می‌تواند با یون یون تشکیل دهد که در آن هر چهار پیوند از نظر طول و انرژی یکسان هستند.

کلرید آلومینیوم نیز با یون ترکیب می‌شود و یون تولید می‌کند که در آن هر چهار پیوند AL - Cl از نظر طول و انرژی یکسان هستند.

یوند الکترووالانسی (یونی) در اتم لیتیم ، 2 الکترون وجود دارد که یک الکترون ، در لایه والانس آن قرار دارد.

به هنگام تشکیل پیوند ، چون این اتم در دومین سطح انرژی دارای جفت الکترون غیر پیوندی نیست و تفاوت سطح انرژی اول و دوم نیز بسیار زیاد است، نمی‌تواند الکترون خود را برانگیخته کند.

بنابراین در خارجی‌ترین سطح انرژی ، تنها یک الکترون خواهد داشت.

هرگاه این اتم بخواهد پیوند کووالانسی تشکیل دهد، باید یک اتم تک الکترونی دیگر مانند فلوئور پیوند تشکیل دهد و را تولید کند.

واقعیت آن است که از پیوند بین لیتیم و فلوئور ، فلورید لیتیم پدید می‌آید، ولی هرگاه بخواهیم این دو اتم را از نظر آرایش الکترونی بررسی کنیم، مشاهده خواهیم کرد که اتم فلوئور با اشتراک گذاشتن الکترون ، ممکن است به آرایش الکترونی گاز بی‌اثر برسد، ولی لیتیم آرایش الکترونی گاز بی‌اثر پیدا نکرده است.

لیتیم هر گاه بخواهد به آرایش الکترونی گاز بی‌اثر بعد از خود برسد، باید روی هم رفته هفت الکترون بگیرد که اگر بخواهد این هفت الکترون را با پیوند کووالانسی بدست آورد، خود نیز باید هفت الکترون در خارجی‌ترین سطح انرژی خود داشته باشد که این کار به هیچ وجه امکان پذیر نیست.

ولی هر گاه این عنصر بخواهد آرایش الکترونی گاز بی‌اثر قبل خود را پیدا کند، کافی است که یک الکترون موجود در اوربیتال خود را از دست بدهد تا آرایش الکترونی آن به صورت در آید و آرایش الکترونی گاز بی‌اثر هلیم پیدا کند.

یعنی اتم لیتیم به یون تبدیل می‌شود و به آرایش گاز هلیم می‌رسد.

اتم فلوئور نیز می‌تواند با گرفتن یک الکترون و تبدیل شدن به یون خود را به آرایش الکترونی گاز بی اثر نئون برساند.

یعنی به هنگام تشکیل پیوند بین لیتیم و فلوئور ، لیتیم یک الکترون به فلوئور می‌دهد و با این عمل هر دو به آرایش الکترونی گاز بی‌اثر می‌رسند.

به این ترتیب اتم فلوئور به یون منفی (آنیون) و اتم لیتیم به یون مثبت (کاتیون) تبدیل می‌شود.

این نوع پیوند را پیوند الکترووالانسی یا یونی می‌نامند که بین یک فلز و یک غیرفلز رخ می‌دهد.

پیوند فلزی بین اتمهای فلز در شبکه بلور پیوند ویژه‌ای وجود دارد که در اصطلاح پیوند فلزی نامیده می‌شود.

دید کلی خواص ویژه فلزات و اعداد کوئوردیناسیون به نسبت بالای شبکه بلور فلزها ، نشان می‌دهد که پیوند بین اتمهای فلز در شبکه بلور با سایر پیوندهای شیمیایی تفاوت دارد.

پیوند درشبکه بلور فلزی نمی‌تواند از نوع یونی باشد زیرا تمام ذره‌ها در شبکه بلور فلزی یکسان‌اند.

فلزها درحالت جامد و مذاب جریان الکتریکی را ازخود عبور می‌دهند درمقابل ضربه و فشار مقاوم‌اند.

توجیه پیوند فلزی انرژی یونش فلزات نسبت به غیر فلزات ، به نسبت کمتر و تعداد اوربیتالهای خالی لایه ظرفیت اتم آنها نسبت به تعداد الکترونهای لایه ظرفیت نیز کم است.

از این رو ، تعدادی از الکترونهای سست لایه ظرفیت اتم فلز که در اصطلاح دریای الکترون فلزی نیز نامیده می‌شوند، باقیمانده اتمهای فلز را که دارای بارمثبت خواهند بود، فرا می‌گیرد.

جاذبه الکتروستاتیک حاصل بین این ذره‌های مثبت فلزی و بار منفی توده ابر الکترونی آزاد فلزی که سرتاسر شبکه بلور فلز را گرفته است.

عامل پیوند بین ذره‌های فلز محسوب می‌شود و اتصال ذره‌های فلز را در شبکه و انسجام بلور فلزی را تأمین می‌کند.

چون چنین پیوندی دارای جهت خاصی نیست و ذره‌های فلز نیز جابجا شدن در داخل توده ابر الکترون آزاد فلزی را در شبکه بلور دارند، از این رو ، بروشنی می‌توان بسیاری ازخواص ویژه مکانیکی فلزها ، مانند قابلیت چکش خواری ، مفتول شدن ، تورق و غیره را توجیه کرد.

توجیه خواص فلزات با پیوند فلزی • رسانایی الکتریکی : جریان برق نتیجه جابجایی الکترون است.

وقتی دو سر سیم برق را به یک تکه فلز متصل کنیم، از قطب مثبت ، جریان تعدادی الکترون از فلز خارج می‌شود، این کمبود الکترونی بر الکترونهای غیرمستقر در فلزات اثر گذاشته به نوبه خود آنها را به سمت خود می‌کشند.

این امر باعث می‌شود که همان تعداد الکترون که از یک طرف خارج شده بود از طرف دیگر وارد شود و به این وسیله جریان الکتریسته انتقال یابد.

• رسانایی گرمایی : بر اثر گرم کردن فلز ، جنبش الکترونهای غیر مستقر افزایش می‌یابد و این جنبش از یک گوشه فلز به سایر قسمتهای آن منتقل می‌شود.

• درخشندگی و جلای فلزات :تابش نور به سطح فلز باعث می‌شود که الکترونهای غیر مستقر در سطح فلز برانگیخته شده و به ترازهای بالاتر انرژی بروند.

بازگشت این الکترونها باعث می‌شود که امواج نور مرئی از سطح فلز بازتابیده شود.

در مورد فلزات رنگین بازگشت الکترونها تنها طول موج معینی را که مربوط به رنگ فلز است بازتاب می‌کند.

• پدیده‌های فوتوالکتریک و ترموالکتریک : وقتی انرژی کافی (نورانی یا گرمایی) به فلز داده شود، برانگیخته شدن الکترون بدان حد می‌رسد که الکترون از فلز جدا شود.

هرگاه دستگاه مناسبی فراهم کنیم، می‌توانیم الکنرون جدا شده را درمدار به جریان در آورده الکتریسته تولید کنیم.

• چکش خواری : وقتی ضربه‌ای به فلز وارد می‌شود، یونهای مثبت در دریای الکترون منفی جابجا می‌شوند ولی دریای بار منفی پیوستگی تکه فلز را حفظ می‌کند.

طول و شعاع پیوند فلزی در مورد فلزها ، اصطلاح طول پیوند فلزی به فاصله تعادلی بین هسته دو اتم مجاور در شبکه بلور فلزها اطلاق می‌شود.

بر حسب قرار داد نصف طول پیوند فلزی را ، شعاع فلزی می‌نامند که گاهی شعاع اتمی فلز نیز نامیده می‌شود.

باید توجه داشت که شعاع فلزی به سیستم بلوری فلز وابستگی دارد.

یعنی اگر فلزی در چند سیستم متمایز متبلور شود، شعاع فلزی آن در سیستمهای گوناگون یکسان نخواهد بود.

بررسی‌ها و محاسبه‌ها نشان داده است که هرچند عدد کوئوردیناسیون اتم فلز در شبکه بلور بزرگتر باشد، طول شعاع فلزی آن افزایش می‌یابد.

با توجه به اینکه در پیوند فلزی بر خلاف پیوند کوالانسی همپوشانی بین اوربیتالهای دو اتم صورت نمی‌گیرد، انتظار می‌رود که طول پیوند کوالانسی آن بیشتر باشد که تجربه نیز چنین رویدادی را تأیید می‌کند.

بدیهی است که شعاع فلزی نیز از شعاع کوالانسی بزرگتر است.

شعاع اتمی فلز قلیایی در هر دوره نسبت به شعاع اتمی عنصرهای دیگر آن دوره به نسبت بزرگتر است و پس از فلزات قلیایی خاکی در هر دوره بویژه از دوره چهارم به بعد اندازه شعاع اتمی بشدت کاهش می‌یابد.

این کاهش شدید اندازه شعاع را باید از یک طرف به بالا بودن سطح تراز S لایه ظرفیت اتم عنصرهای قلیایی خاکی و قلیایی و پایین بودن سطح تراز d لایه ظرفیت فلزات واسطه و گسترده بودن اوربیتالهای d در این عنصر نسبت داد.

زیرا به دلیل عمقی و گسترده بودن اوربیتالهای d ، ابر بار الکترونها در آنها گسترده است و اثر پوششی ناچیزی در مقابل تأثیر بار هسته اتم برلایه خارجی اتم اعمال می‌کنند.

از این رو ، بر اثر بالا رفتن بیش ازحد انتظار مقدار بار مؤثر هسته اتم فلزهای واسطه ، اندازه شعاع آنها بشدت کاهش می‌یابد.

روند تغییر اندازه شعاع‌ها در مورد فلزهای واسطه هر دوره جالب توجه و برخلاف روند عادی آن در مورد تغییر شعاع عنصرهای اصلی در دوره‌ هاست.

البته این روند به وضعیت الکترونی ویژه آنها بستگی دارد.

با توجه به قابلیت انعطاف و تغییر شکل ناپذیری که نتیجه قابلیت تحرک پیوند فلزی است انتظار می‌رود که قدرت پیوند بین دو اتم فلز در بلور فلزی از قدرت پیوند کوالانسی بین دو اتم آن در حالت گازی کمتر باشد.

انرژی پیوند فلزی اندازه گیری گرمای تفکیک نشان می‌دهد که انرژی مولی پیوند فلزی در شبکه بلوری از انرژی مولی تفکیک پیوند کوالانسی آن بصورت مولکول دو اتمی بیشتر است.

این رویداد را این طور می‌توان توجیه کرد که پیوند فلزی به تعداد نامحدود در تمام راستا در شبکه بلور فلزی تشکیل می‌شود، در صورتی که چنین وضعیتی در حالت گازی فلزها وجود ندارد.

از این رو با وجود اینکه بلور فلزی پیوستگی و پایداری زیادی دارد، پیوند فلزی در مجموع پیوندی قوی محسوب می‌شود.

بدیهی است در هر گروه با افزایش عدد اتمی و بزرگتر شدن طول پیوند فلزی انرژی پیوند و گرمای تفکیک مولی فلز کاهش می‌یابد.

پیوند سیگما اطلاعات اولیه اوربیتال S به شکل کره است و مرکز آن در هسته اتم قرار دارد.

برای تشکیل پیوند ، دو هسته باید به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک شوند تا همپوشانی مولکولهای اوربیتال‌های اتمی صورت پذیرد.

نشان دادن اوربیتال‌های اتمی با حروف (P , S , ...) مرسوم است.

اوبیتال‌های مولکولی نیز با حروف یونانی σ (سیگما) ، п (پی) و غیره نشانه‌گذاری می‌شوند.

تشکیل پیوند سیگما اوربیتال‌های مولکولی (H2)، از همپوشانی دو اوربیتال (S) از دو اتم هیدروژن حاصل شده‌اند.

اگر همپوشانی طوری بین دو اوربیتال صورت پذیرد که ابر الکترونی بین دو هسته ، همدیگر را تقویت کنند، چگالی الکترونی در ناحیه بین دو هسته زیاد خواهد بود.

جاذبه دو هسته با بار مثبت نسبت به ابر الکترونی اضافه با بار منفی ، مولکول را به هم نگه می‌دارد و مولکول پایدارتر از اتم‌های هیدروژن می‌شود.

اوربیتال‌های پیوندی یا اوربیتال مولکولی حاصل را ، اوربیتال‌های سیگما و این پیوندها را پیوندهای سیگما می‌نامند و با نماد (σ) نشان داده می‌شوند.

تشکیل اوربیتال ضد پیوندی سیگما چون دو اوربیتال اتمی با یکدیگر ترکیب شده‌اند، باید دو اوربیتال مولکولی بدست آید.

اوربیتال مولکولی دیگر حاصل از ترکیب که در آن ابر الکترونی بین دو هسته ، همدیگر را تضعیف کنند.

در این حالت چگالی الکترونی در ناحیه بین دو هسته خیلی کم است.

چون دو هسته مثبت همدیگر را دفع می‌کنند و در فاصله بین آنها چگالی کم الکترونی قادر به جبران این دافعه با ایجاد جاذبه‌ای قوی نیست، لذا نزدیک نگاه داشتن دو هسته در این حالت نیازمند انرژی است.

این اوربیتال مولکولی را اوربیتال ضد پیوندی سیگما ( با نشان (*σ) می‌نامند.

چون نه تنها در به هم نگه داشتن دو اتم کمک نمی‌کند، بلکه عمل آن در جهت دور کردن دو اتم از یکدیگر است.

تقارن اوربیتال‌های سیگما اوربیتال‌های سیگما ( σ و *σ هر دو)، به دور محوری که دو هسته را به یکدیگر متصل می‌کند، تقارن استوانه‌ای دارند و چرخش مولکول دور این محور ، تغییر قابل مشاهده‌ای در شکل اوربیتال به وجود نمی‌آورد.

انرژی اوربیتال‌های سیگما انرژی اوربیتال پیوندی (σ) از انرژی هر یک از اوبیتال‌های اتمی که آن را بوجود آورده‌اند کمتر است، در حالی که انرژی اوربیتال ضد پیوندی (*σ) بالاتر است.

وقتی دو اوربیتال اتمی ترکیب می‌شوند، اوربیتال مولکولی پیوندی نشان دهنده کاهش انرژی سیستم و اوربیتال مولکولی ضد پیوندی نشان دهنده افزایش انرژی سیستم است.

مرتبه پیوند هر اوربیتال ( اتمی یا مولکولی ) می‌تواند دو الکترون با اسپین مخالف را در خود جای دهد.

در مولکول هیدروژن دو الکترون ( با اسپین‌های جفت شده ) اوربیتال ( σ1S) را که اوربیتالی در دسترس با حداقل انرژی است اشغال می‌کنند.

اوربیتال (1S *σ) اشغال شده است.

تعداد پیوند یا مرتبه پیوند ، در هر مولکول عبارت است از نصف الکترون های ضد پیوندی از الکترون های پیوندی است که برای (H2) مرتبه پیوند 1 و برای (He) صفر است .

بررسی اوربیتال (2S) ترکیب دو اوربیتال (2S) ، اوربیتال‌های مولکولی (2S σ) و( *σ 2S ) را بوجود می‌آورد که با اوربیتال‌های (σ) و (*σ) ناشی از ترکیب دو اوربیتال (1S) مشابه‌اند پیوند هیدروژنی هرگاه هیدروژن به اتمی با الکترونگاتیوی زیاد مثل فلوئور ، اکسیژن یا نیتروژن متصل گردد، شرایطی برای بوجود آمدن نوع بسیاری مهمی جاذبه بین مولکولی مثبت ـ منفی که آن را پیوند هیدروژنی می‌گویند حاصل می‌شود.

به عبارت دیگر ، اتم هیدروژن یک مولکول و زوج الکترون غیر مشترک مولکول دیگر متقابلا همدیگر را جذب می‌کنند و پیوندی تشکیل می‌شود که به پیوند هیدروژنی ، Hydrogen Bond مرسوم است.

اطلاعات اولیه جاذبه بین مولکولی دربرخی از ترکیبات هیدروژن‌دار بطور غیرعادی قوی است.

این جاذبه در ترکیباتی مشاهده می‌شود که درآنها بین هیدروژن و عناصری که اندازه کوچک و الکترونگاتیویته زیاد دارند، پیوند هیدروژنی وجود دارد.

پیوند هیدروژنی نه تنها بین مولکولهای یک نوع ماده ، بلکه بین مولکولهای دو ماده متفاوت که توانایی تشکیل پیوند هیدروژنی را دارند نیز برقرار می‌شود.

نحوه تشکیل پیوند هیدروژنی پیوند هیدروژنی بر اثر جاذبه اتم هیدروژن اندک مثبت موجود در یک مولکول و اتم بسیار الکترونگاتیو موجود در مولکول دیگر (یا در محل دیگر همان مولکول اگر مولکول به قدر کافی بزرگ باشد که بتواند روی خود خم شود) تولید می‌گردد.

جا به جا شدن یک جفت الکترون به سمت عنصر بسیار الکترونگاتیو نیتروژن ، اکسیژن یا فلوئور موجب می‌شود که این اتمها دارای بار منفی جزئی شوند.

در این صورت پیوند هیدروژنی پلی است میان دو اتم شدیدا الکترونگاتیو با یک اتم هیدروژن که از طرفی بطور کووالانسی با یکی از اتمهای الکترونگاتیو و از طرف دیگر بطور الکترواستاتیکی (جاذبه مثبت به منفی) با اتم الکترونگاتیو دیگر پیوند یافته است.

استحکام پیوند هیدروژنی یک‌دهم تا یک‌پنجاهم قدرت یک پیوند کوالانسی متوسط است.

شرایط تشکیل پیوند هیدروژنی • بالا بودن الکترونگاتیوی اتمهای متصل به هیدروژن: برهمین اساس است که فلوئور (الکترونگاتیوترین عنصر) ، قویترین پیوند هیدروژنی و اکسیژن (الکترونگاتیوتر از نیتروژن) ، پیوند هیدروژنی قویتری درمقایسه با نیتروژن تشکیل می‌دهد.

همچنین بار مثبت زیاد بر روی اتم هیدروژن ، زوج الکترون مولکول دیگر را بشدت جذب می‌کند و کوچک بودن اندازه اتم هیدروژن سبب می‌شود که ملکول دوم بتواند به آن نزدیک شود.

• کوچک بودن اتمهای متصل به هیدروژن : پیوند هیدروژنی واقعا مؤثر فقط در ترکیبات فلوئور ، اکسیژن و نیتروژن تشکیل می‌شود.

با وجود اینکه دو اتم نیتروژن و کلر ، الکترونگاتیوی برابر دارند، چون اتم کلر از اتم نیتروژن بزرگتر است بر خلاف نیتروژن ، کلر پیوند هیدروژنی ضعیفی تشکیل می‌دهد.

توجیه خواص غیرعادی برخی از مواد وجود خواص غیرعادی برخی از مواد در حالت جامد یا مایع از جمله بالا بودن دماهای ذوب و جوش ، نشان می‌دهد که نیروهای جاذبه بین مولکولی در آنها به اندازه‌ای زیاد است که نمی‌توان آن را به تأثیرهای متقابل ضعیف بین مولکولی نسبت داد.

آشناترین این نوع مواد ، فلوئورید هیدروژن ، آب و آمونیاک است که بسیاری از خواص آنها از جمله دماهای جوش و ذوب آنها از دماهای جوش و ذوب ترکیبهای مشابه خود ، برای مثال بطور غیرمنتظره‌ای بالاتر است.

شاید تصور شود که علت این وضعیت غیر عادی ، قطبیت به نسبت زیاد این مولکولهاست.

البته تا اندازه‌ای همین طور است.

اما بررسی دقیق این پدیده غیر عادی نشان می‌دهد که باید نیروی جاذبه قویتر از نیروهای جاذبه دوقطبی _ دوقطبی بین مولکولهای آنها برقرار باشد.

اگر به ساختار الکترونی مولکولهای توجه شود، می‌توان به موردهای مشترک بین آنها پی برد.

این وجه اشتراک ، وجود دست کم یک پیوند کوالانسی با اتم هیدروژن و یک اوربیتال هیبریدی ناپیوندی دو الکترونی اتم مرکزی بسیار الکترونگاتیو در هر یک از آنهاست.

اتمهای الکترونگاتیوی بالایی دارند با هیدروژن پیوند کوالانسی بشدت قطبی بوجود می‌آورند، بطوری که هیدروژن به میزان قابل توجهی خصلت یک پروتون را پیدا می‌کند.

جفت الکترون ناپیوندی و قابل واگذاری روی اتم الکترونگاتیو H ، این امکان را پدید می‌آورد که اتم هیدروژن در نقش پل ، اتم‌های الکترونگاتیو دو مولکول را به یکدیگر متصل کند و نیروی جاذبه‌ بین مولکولی بوجود می‌آید که به پیوند هیدروژنی مرسوم است.

خواص ترکیبات دارای پیوند کووالانسی ترکیباتی که مولکولهای آنها از طریق پیوند هیدروژنی به همدیگر پیوسته‌اند، علاوه بر دارا بودن نقاط جوش بالا ، بطور غیرعادی در دمای بالا ذوب می‌شوند و آنتالپی تبخیر ، آنتالپی ذوب و گرانروی آنها زیاد است.

علت شناور بودن یخ یخ روی آب شناور می‌ماند، زیرا به هنگام انجماد ، منبسط می‌شود.

سبب این انبساط پیوند هیدروژنی میان مولکول‌های خمیده آب است ساختار خمیده یا زاویه‌ای مولکول آب ناشی از آرایش چهار وجهی چهار جفت الکترون در لایه ظرفیت یک اتم است.

ساختار زاویه‌ای مولکول آب و پیوند هیدروژنی میان مولکولهای آب به آن معنی است که هر مولکول آب می‌تواند حداکثر با چهار مولکول آب دیگر پیوند هیدروژنی داشته باشد.

پس آب مایع را می‌توان به صورت خوشه‌هایی از مولکولهای آب تصورکرد، خوشه‌هایی که با پیوند هیدروژنی از مولکولهای آب ساخته شده‌اند و دائم در حال حرکتند.

شمار مولکولها در هر خوشه و سرعت حرکت خوشه‌ها به دما بستگی دارد.

با سرد شدن آب ، مجموعه‌هایی از مولکولهای آب که بسرعت در حرکت‌اند، کند می‌شوند و در نقطه انجماد به یکدیگر قلاب شده ساختمان سه بعدی منبسط شده‌ای را بوجود می‌آورند.

این ساختمان گسترده‌تر موجب می‌شود که تراکم یخ کمتر از آب باشد.

ذوب شدن یخ در حدود 15% انرژی پیوند‌های هیدروژنی را می‌شکند و این امر سبب فرو ریختن ساختار می‌شود.

در نتیجه مایعی متراکم حاصل می گردد.

چرا نقطه جوش آب بالا است؟

خاصیت عجیب دیگر آب ، نقطه جوش نسبتا زیاد آن است.

تقریبا تمام ترکیبات هیدروژن‌دار مجاور اکسیژن و اعضای خانواده آن یعنی در دمای اتاق به حالت گازی هستند.

اما آب مایع است.

برای آنکه یک مولکول به حالت بخار در آید، باید انرژی جذب کند تا بتواند خود را از قید مولکولهای دیگر آزاد کند.

چون آب مایع با پیوند هیدروژنی به صورت خوشه‌هایی از مولکول‌ها در می‌آید، برای شکسته شدن پیوند‌های هیدروژنی آن ، انرژی زیادی لازم است.

اما همه پیوندهای هیدروژنی شکسته نمی‌شوند و خوشه‌هایی از مولکولهای آب حتی در نزدیکی 1000 درجه سانتیگراد هنوز وجود دارند.

وقتی آب گرم می‌شود، آشفتگی گرمایی پیوند هیدروژنی را می‌گسلد تا آنکه در بخار آب ، فقط جزء کوچکی از شمار پیوندهای هیدروژنی موجود در آب مایع یا جامد باقی می‌ماند.

اگر پیوند محکم میان مولکولی از قبیل پیوند هیدروژنی وجود نداشته باشد، مواد معمولا بنا به جرم مولکولی خود به جوش می‌آیند.

جرم‌های مولکولی بزرگتر برای جوش آمدن به دمای زیادتری نیازمندند.

عمدتا به این دلیل که ابرهای الکترونی بزرگتر آسانتر و پیچیده می‌شوند و این امر ، منجر به نیروهای لاندن بین مولکولی قویتر می‌شود.

کاربردهای پیوند هیدروژنی پیوندهای هیدروژنی در بسیاری از مواد یافت می‌شوند.

پدیده‌هایی از قبیل چسبناک شدن آب‌نبات سفت ، دیرتر خشک شدن الیاف پنبه‌ای از الیاف نایلونی‌ ، نرم شدن پوست با نایلون ، ناهنجارهای ظاهری در ماهیت آب ، همگی ناشی از همین پیوندهای هیدروژنی است.

پیوند هیدروژنی در تعیین ساختار و خواص مولکولهای سیستم‌های زنده نقش اساسی دارد.

اجزای مارپیچ آلفا در ساختار پروتئین‌ها و اجزای مارپیچ دوگانه در ساختار DNA توسط پیوند هیدروژنی بهم می‌پیوندند.

تشکیل و گسسته شدن پیوندهای هیدروژنی در تقسیم یافتن و سنتز پروتئین‌ها توسط آن دارای اهمیت اساسی است.

پیوند هیدروژنی و نقش آن در زندگی مقدمه وقتی اتم هیدروژن به دو یا چند اتم دیگر پیوند شده باشد، یک پیوند هیدروژنی وجود دارد.

این تعریف اشاره بر این دارد که پیوند هیدروژنی نمی‌تواند یک پیوند کووالانسی عادی باشد، زیرا اتم هیدروژن تنها یک اوربیتال (1S) در سطح انرژی به قدر کافی پایین دارد که درگیر تشکیل پیوند کووالانسی شود.

جاذبه بین مولکولی و پیوند هیدروژنی جاذبه بین مولکولی در برخی از ترکیبات هیدروژن‌دار بطور غیر عادی قوی است.

این جاذبه در ترکیباتی مشاهده می‌شود که در آنها بین هیدروژن و عناصری که اندازه کوچک و الکترونگاتیوی زیاد دارند، پیوند هیدروژنی وجود دارد.

در این ترکیبات ، اتم عنصر الکترونگاتیو چنان جاذبه شدیدی بر الکترونهای پیوندی اعمال می‌کند که در نتیجه آن ، هیدروژن دارای بار مثبت قابل ملاحظه +δ می‌گردد.

هیدروژن در این حالت ، تقریبا به صورت یک پروتون بی‌حفاظ است، زیرا این عنصر فاقد الکترون پوششی است.

اتم هیدروژن یک مولکول و زوج الکترون غیر مشترک مولکول دیگر ، متقابلا همدیگر را جذب می‌کنند و پیوندی تشکیل می‌شود که به پیوند هیدروژنی مرسوم است.

هر اتم هیدروژن قادر است تنها یک پیوند هیدروژنی تشکیل دهد.

نقطه جوش و پیوند هیدروژنی ترکیباتی که پیوند هیدروژنی دارند، خواص غیر عادی از خود نشان می‌دهند.

تغییرات نقاط جوش در مجموعه ترکیبات SnH4 , GeH4 , SiH4 , CH4 مطابق روال پیش بینی شده برای ترکیبات است نیروهای بین مولکولی آنها منحصر به نبروهای لاندن است.

نقطه جوش در این مجموعه با افزایش اندازه مولکولی ، زیاد می‌شود.

ترکیبات هیدروژنی عناصر گروه چهار اصلی ، مولکولهای ناقطبی هستند.

اتم مرکزی هر مولکول فاقد زوج الکترون غیر مشترک است.

در گروههای پنج ، شش و هفت اصلی نیروهای دو قطبی - دوقطبی به نیروهای لاندن در چسباندن مولکولها به یکدیگر کمک می‌کند.

ولی نقطه جوش نخستین عنصر هر مجموعه (NH3,H2O , HF) بطور غیر عادی بالاتر از نقاط جوش سایر اعضای آن مجموعه است.

پیوند هیدروژنی در هر یک از این سه ترکیب ، جدا شدن مولکولها را از مایع مشکلتر می‌کند.

سایر خواص غیر عادی مربوط به پیوند هیدروژنی ترکیباتی که مولکولهای آنها از طریق پیوند هیدروژنی به همدیگر پیوسته‌اند، علاوه بر دارا بودن نقاط جوش بالا ، بطور غیرعادی در دمای بالا ذوب می‌شوند و آنتالپی تبخیر ، آنتالپی ذوب و گرانروی آنها زیاد است.