9.1: أنواع الروابط الكيميائية

ابتكر الكيميائي الأمريكي جيلبرت إن.لويس نظريات الترابط الكيميائي. طور نموذجاً يسمى نموذج لويس لشرح نوع وتشكيل الروابط المختلفة. يعتبر الترابط الكيميائي أمراً أساسياً للكيمياء؛ فهو يشرح كيفية ارتباط الذرات أو الأيونات معاً لتكوين جزيئات. إنه يفسر سبب قوة بعض الروابط وضعف بعضها الآخر، أو  لماذا يرتبط كربون واحد مع اثنين من الأكسجين وليس ثلاثة ؛ لماذا الماء هو H₂O وليس H₄O. 

الروابط الأيونية

الأيونات هي ذرات أو جزيئات تحمل شحنة كهربائية. يتكون الكاتيون (أيون موجب) عندما تفقد ذرة محايدة إلكتروناً واحداً أو أكثر من غلاف التكافؤ، ويتشكل الأنيون (أيون سالب) عندما تكتسب الذرة المحايدة إلكتروناً واحداً أو أكثر في غلاف التكافؤ الخاص بها. المركبات المكونة من الأيونات تسمى المركبات الأيونية (أو الأملاح) ، وتترابط الأيونات المكونة لها معاً بواسطة روابط أيونية: قوى الجذب الكهروستاتيكية بين الكاتيونات والأنيونات ذات الشحنة المعاكسة.

تلقي خصائص المركبات الأيونية بعض الضوء على طبيعة الروابط الأيونية. تظهر المواد الصلبة الأيونية بنية بلورية وتميل إلى أن تكون صلبة وهشة؛ تميل أيضًا إلى الحصول على نقاط انصهار وغليان عالية، مما يشير إلى أن الروابط الأيونية قوية جداً. المواد الصلبة الأيونية هي أيضاً موصلات رديئة للكهرباء لنفس السبب— تمنع قوة الروابط الأيونية الأيونات من التحرك بحرية في الحالة الصلبة. ومع ذلك، فإن معظم المواد الصلبة الأيونية تذوب بسهولة في الماء. بمجرد أن تذوب أو تنصهر، تعتبر المركبات الأيونية موصلات ممتازة للكهرباء والحرارة لأن الأيونات يمكن أن تتحرك بحرية.

الروابط التساهمية

غالباً ما تشكل الذرات اللامعدنية روابط تساهمية مع ذرات غير معدنية أخرى. تتشكل الروابط التساهمية عندما تشترك الإلكترونات بين الذرات وتنجذب بواسطة نوى كلتا الذرتين. إذا كانت الذرات التي تشكل الرابطة التساهمية متطابقة ، كما في H₂, Cl₂ وجزيئات ثنائية الذرة أخرى، فيجب مشاركة الإلكترونات في الرابطة بالتساوي. يشار إلى هذا على أنه رابطة تساهمية نقية. عندما تختلف الذرات المرتبطة برابطة تساهمية، تتم مشاركة إلكترونات الرابطة، ولكن لم تعد متساوية. بدلاً من ذلك، تنجذب إلكترونات الرابطة إلى ذرة واحدة أكثر من الأخرى، مما يؤدي إلى تحول كثافة الإلكترون نحو تلك الذرة. يُعرف هذا التوزيع غير المتكافئ للإلكترونات بالرابطة التساهمية القطبية.

تظهر المركبات التي تحتوي على روابط تساهمية خصائص فيزيائية مختلفة عن المركبات الأيونية. نظراً لأن التجاذب بين الجزيئات المحايدة كهربائياً أضعف من التجاذب بين الأيونات المشحونة كهربائياً، فإن المركبات التساهمية لها عموماً نقاط انصهار وغليان أقل بكثير من المركبات الأيونية. علاوة على ذلك، في حين أن المركبات الأيونية هي موصلات جيدة للكهرباء عند إذابتها في الماء، فإن معظم المركبات التساهمية تكون غير قابلة للذوبان في الماء؛ نظراً لكونها محايدة كهربائيا ، فهي موصلة رديئة للكهرباء في أي حالة.

روابط معدنية

تتكون الروابط المعدنية بين ذرتين معدنيتين. تم تطوير نموذج مبسط لوصف الترابط المعدني بواسطة باول Drüde يسمى 'موديل بحر الالكترونات' . استناداً إلى طاقات التأين المنخفضة للمعادن، ينص النموذج على أن ذرات المعادن تفقد إلكترونات التكافؤ بسهولة وتصبح كاتيونات. تخلق إلكترونات التكافؤ هذه مجموعة من الإلكترونات غير الموضعية تحيط بالكاتيونات فوق المعدن بأكمله.  

المواد الصلبة المعدنية، مثل بلورات النحاس والألومنيوم والحديد. تتكون من ذرات معدنية، و كلها تظهر موصلية حرارية وكهربائية عالية، وبريق معدني، وقابلية للتطويع. العديد منها صلب جداً وقوي للغاية. بسبب قابليتها للطرق (القدرة على التشوه تحت الضغط أو الطرق)، فإنها لا تتحطم، وبالتالي، فإنها تصنع مواد بناء مفيدة. تختلف نقاط انصهار المعادن على نطاق واسع. الزئبق سائل في درجة حرارة الغرفة، وتذوب المعادن القلوية في درجات أقل من 200 °C. العديد من معادن ما بعد التحول لها أيضاً نقاط انصهار منخفضة، بينما تذوب المعادن الانتقالية عند درجات حرارة أعلى من 1000 °C. هذه الاختلافات تعكس الاختلافات في قوة الترابط المعدني بين المعادن.  

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 7.1: Ionic Bonding, Openstax, Chemistry 2e, Section 7.2: Covalent Bonding, and Openstax, Chemistry 2e, Section 10.5: The Solid State of Matter.

الروابط الكيميائية ضرورية للذرات لتشكيل مجموعة متنوعة من المركبات،مثل الملح،الماء،أو السبائك. فهم تكوين الرابطة الكيميائية،أو بشكل أكثر تحديدًا الجاذبية بين الذرات،سوف يساعد على فهم السلوك الجزيئي والتنبؤ به. تتكون نواة الذرة من نيوترونات والبروتونات موجبة الشحنة،والتي تكون محاط بالإلكترونات سالبة الشحنة.

عندما تقترب ذرتان من بعضهما البعض،تنجذب الإلكترونات من ذرة واحدة إلى نواة الذرة الأخرى والعكس صحيح. في نفس الوقت،نوى كلتا الذرتين تتنافر،كما تفعل إلكترونات كلتا الذرتين. عندما تؤدي هذه التفاعلات إلى صافي التخفيض للطاقة الكامنة،تتكوين رابطة كيميائية.

هناك ثلاثة أنواع من الروابط الكيميائية. معدن ولا فلز،مثل الصوديوم والكلور،تشكل رابطة أيونية. المعادن لها طاقات تأين منخفضة مما يسمح بإزالة الإلكترونات بسهولة من الذرة.

تُقبل هذه الإلكترونات بسهولة بواسطة اللافلزات،بالنظر إلى تقاربها الإلكتروني العالي والحرص على تحقيق التكافؤ المكتمل. لذلك،ينقل المعدن الإلكترونات إلى اللافلزات لتشكيل كاتيون وأنيون. هذه الجسيمات المشحونة تجذب بعضها البعض لإنشاء رابطة أيونية.

النوع الثاني هو الروابط التساهمية تتكون بين مادتين من اللا فلزات،مثل ذرة كربون واثنين من ذرات الأكسجين،لتكوين ثاني أكسيد الكربون. اللافلزات لها طاقات تأين عالية مما يجعل من الصعب إزالتة ونقل إلكترونات التكافؤ من ذرة إلى أخرى،ومن ثم،يتم تشارك الإلكترونات بين الذرات. تتفاعل هذه الإلكترونات المشتركة مع نواتي الذرات المترابطة وتنخفض الطاقة الكامنة.

النوع الأخير هو الترابط المعدني و يتكون بين ذرات معدنين. تفقد ذرات المعادن إلكترونات التكافؤ بسهولة،مكونة تجمع من الإلكترونات،وفقا لنموذج أبسط بحر الكترون. تصبح إلكترونات التكافؤ غير محددة على المعدن بأكمله،وذرات المعدن موجبة الشحنة تنجذب إلى هذه المجموعة من الإلكترونات مما يربط الذرات معًا.