ما مفهوم الروابط التساهمية

في الكيمياء عندما يتفاعل عنصر فلزي مع عنصر غير معدني يتكون لدينا المركب أيوني، أما عندما يتفاعل عنصر غير معدني مع عنصر غير معدني تتشكل الرابطة التساهمية، وفيما يلي سيتم توضيح مفهوم هذه الرابطة.

الروابط التساهمية

يمكن أن يتم تقسيم القوى الكهربائية أو ما يعرف باسم الروابط الكيميائية إلى خمسة أنواع، وهي الروابط الأيونية والروابط التساهمية والروابط المعدنية وروابط فان دير فال والروابط الهيدروجينية، إذ أن التصنيف بهذه الطريقة هو إلى حد كبير تصنيف نفعي، كما أنه قد تمتلك الروابط الكيميائية في معدن معين في الواقع خصائص أكثر من نوع واحد من الروابط، وعلى سبيل المثال تُظهر القوى التي تربط ذرات السيليكون والأكسجين في الكوارتز بنفس المقدار تقريبًا خصائص كلا من الروابط الأيونية والتساهمية.

كما هو مذكور أعلاه فإن التفاعل الكهربائي بين ذرات البلورة الواحدة يقوم بتحديد الخواص الفيزيائية والكيميائية، وبالتالي فإن تصنيف المعادن وفقًا لقوتها الكهربائية سيؤدي إلى تجميع تلك الأنواع ذات الخصائص المتشابهة معًا.

يشير الخط الفردي إلى وجود رابطة بين ذرتين (على سبيل المثال تتضمن زوجًا واحدًا فقط من الإلكترونات) بينما تشير الخطوط المزدوجة (=) إلى وجود رابطة مزدوجة أو ثنائية بين ذرتين (أي تتضمن زوجين من الإلكترونات) وتمثل الخطوط الثلاثية (≡) رابطة ثلاثية، وعلى سبيل المثال في أول أكسيد الكربون (C≡O)، تتكون الرابطة المفردة من رابطة سيجما واحدة (σ) بينما الرابطة المزدوجة تمتلك رابطة واحدة سيجما وواحدة باي (π) أما الرابطة الثلاثية فإنها تمتلك رابطة سيجما واحدة وتمتلك رابطتين اثنتين من باي.

الروابط التساهمية تتميز بأنها عبارة عن روابط متجهة، وذلك يعني أن الذرات التي ترتبط ببعضها البعض بقوة تفضل أن تتخذ اتجاهات وزوايا معينة بالنسبة لبعضها البعض، وهذا بدوره يعطي الجزيئات أشكالًا محددة، كما هو الحال في الهيكل الزاوي (المنحني) لجزيء الماء H2O، الروابط التساهمية بين الذرات المتطابقة (كما في H2) تعتبر روابط غير قطبية – أي موحدة كهربائيًا – بينما تلك الموجودة بين الذرات على عكس الذرات تكون قطبية – أي ذرة واحدة سالبة الشحنة والأخرى موجبة قليلاً، وتزداد هذه السمة الأيونية الجزئية للروابط التساهمية مع الاختلاف في زيادة الكهرسلبية الكهربية للذرتين.

عندما لا يكون أي من العناصر في المركب فلزًا، فلا توجد ذرات في المركب لديها طاقة تأين منخفضة بما يكفي لاحتمال فقد الإلكترون، وفي مثل هذه الحالة يسود التساهم، وكقاعدة عامة تتشكل الروابط التساهمية بين العناصر الواقعة باتجاه اليمين في الجدول الدوري (أي اللافلزات)، وجزيئات الذرات المتطابقة مثل H2 و (C60) ترتبط أيضًا ببعضها البعض بواسطة روابط تساهمية.

صياغة لويس للرابطة التساهمية

لقد تم تقديم فكرة أن إلكترونين يمكن مشاركتهما بين ذرتين ويعملان كحلقة، وصل بينهما لأول مرة في عام 1916 ميلادي من قبل الكيميائي الأمريكي ج. لويس الذي وصف تكوين مثل هذه الروابط بأنه ناتج عن ميول ذرات معينة للاندماج مع بعضها البعض من أجل أن يكون لكل منهما البنية الإلكترونية لذرة غاز نبيل مقابلة.

بمصطلحات لويس: الرابطة التساهمية هي عبارة عن زوج إلكترون مشترك، وتتم صياغة الرابطة بين ذرة الهيدروجين وذرة الكلور في كلوريد الهيدروجين على النحو التالي:

في بنية لويس للمركب التساهمي، يتم تمثيل زوج الإلكترون المشترك بين أيونات الهيدروجين والكلور بخط، وزوج الإلكترون يسمى زوج الترابط، وتسمى الأزواج الثلاثة الأخرى من الإلكترونات الموجودة على ذرة الكلور أزواجًا وحيدة أو منفردة وهي لا تلعب أي دور مباشر في تثبيت الذرتين معًا.

تصل كل ذرة في جزيء كلوريد الهيدروجين إلى ثماني بتات مغلقة من الإلكترونات من خلال المشاركة، وبالتالي تحقيق الحد الأقصى من خفض الطاقة، وبشكل عام تعني القشرة غير المكتملة أن بعض قوة جذب النواة قد تضيع وإضافة إلكترونات إلى ما بعد الغلاف المغلق قد يستلزم عيبًا نشطًا في بدء الغلاف التالي للذرة المعنية.

إن قاعدة لويس الثمانية قابلة للتطبيق مرة أخرى ويُنظر إليها على أنها تمثل الوسائل القصوى لتحقيق طاقة أقل بدلاً من أن تكون هدفًا في حد ذاتها، وتتشكل الرابطة التساهمية إذا كان للذرات المترابطة طاقة إجمالية أقل من الذرات المفصولة على نطاق واسع، وإن أبسط تفسير لانخفاض الطاقة الذي يحدث عند مشاركة الإلكترونات هو أن كلا الإلكترونين يقعان بين مركزي جذب (نواة الذرتين المرتبطين بالرابطة) وبالتالي يكونان أقل في الطاقة مما يحدث عندما يختبران جاذبية واحدة.

يمكن أن يتم بناء هياكل لويس للجزيئات الأكثر تعقيدًا ببساطة عن طريق توسيع العملية التي تم وصفها لكلوريد الهيدروجين، أولاً يتم حساب إلكترونات التكافؤ المتاحة للربط (2 × 1 + 6 = 8 في H2O على سبيل المثال و 4 + 4 × 7 = 32 في رابع كلوريد الكربون CCl4) ويتم وضع الرموز الكيميائية للعناصر في الترتيب الذي يعكس أي جيران

بعد ذلك ، تتم إضافة زوج ربط واحد بين كل زوج من الذرات المرتبطة:

ثم بعد ذلك تُضاف الإلكترونات المتبقية إلى الذرات بحيث يكون لكل ذرة حصة في ثمانية من الإلكترونات (هذا هو الجزء المكون من قاعدة الثماني من الإجراء):

في النهاية يتم تمثيل كل زوج رابط بخط:

في بعض الصيغ القديمة لمركبات وهياكل لويس تم المفارقة بين الروابط التي تكونت من الإلكترونات التي تم توفيرها بواسطة كلتا الذرتين (كما هو الحال في مركب HCl)، حيث يمكن أن يتم اعتبار إلكترون واحد مشتركًا على أنه مزود من ذرة الهيدروجين والآخر بواسطة ذرة الكلور) وروابط تساهمية تتشكل عندما يمكن اعتبار كلا الإلكترونين على أنهما مزودتان من ذرة واحدة كما هو الحال في تكوين OH من O2− و H +.

كانت تسمى هذه الرابطة رابطة تساهمية منسقة أو رابطة متداخلة وترمز إلى O → H−، ومع ذلك فإن الصعوبات التي تمت مواجهتها في محاولة تتبع أصل الإلكترونات الرابطة والاقتراح بأن الرابطة التساهمية المنسقة تختلف بطريقة ما عن الرابطة التساهمية وأدت إلى وقوع هذا الاستخدام في حالة من الاستياء.

تتشكل الرابطة التساهمية عندما تشترك ذرتان غير معدنيتين في زوج من الإلكترونات، الإلكترونات المعنية موجودة في الأغلفة الخارجية للذرات، والذرة التي تشترك في واحد أو أكثر من إلكتروناتها ستكمل غلافها الخارجي، والروابط التساهمية قوية  أي أنه هناك حاجة إلى الكثير من الطاقة لكسرها.

غالبًا ما تشكل المواد ذات الروابط التساهمية جزيئات ذات نقاط انصهار وغليان منخفضة مثل الهيدروجين والماء، وتحتوي هذه المواد على روابط تساهمية قوية داخل الجزيئات (بين الذرات) ولكن قوى بين الجزيئات ضعيفة بين الجزيئات، هذا يعني أنه لا يلزم سوى كمية صغيرة من الطاقة الحرارية لفصل الجزيئات عن بعضها البعض.