ኬሚካዊ ቦንዲንግና ኤሌክትሮኔጋቲቪቲ፦ ከተጋሩ ጥንዶች እስከ አዮናዊ ላቲሶች

ቦንድ ለምን ይፈጠራል፦ ኃይል ከርቀት አንጻር

እርስ በርስ የተራራቁ ሁለት የሃይድሮጂን አቶሞች አይገናኙም። ሲቀራረቡ እያንዳንዱ ኤሌክትሮን ወደ ሁለቱም ኒውክሊየሶች ይሳባል፤ ኃይሉም ይወርዳል። ይበልጥ ሲቀራረቡ ሁለቱ ኒውክሊየሶች እርስ በርስ በጠንካራ ሁኔታ ይገፋፋሉ፤ ኃይሉም ይጨምራል። የቦንድ ርዝመት በዚህ የኃይል ጉድጓድ ታች ያለው ርቀት ነው፤ ለH₂ 74 pm፤ የጉድጓዱ ጥልቀት ደግሞ የቦንድ ኃይል ነው፤ በOpenStax Chemistry 2e ሠንጠረዥ 7.2 ለH–H 436 kJ/mol።

እያንዳንዱ ቦንድ የመሳሳብና የመገፋፋት ሚዛን ነው፤ ስለዚህ ቦንድን መስበር ሁልጊዜ ኃይል ይጠይቃል፣ መፍጠር ደግሞ ሁልጊዜ ኃይል ይለቃል። የተፈጠሩት ቦንዶች በአጠቃላይ ከተሰበሩት ቦንዶች ይበልጥ ጠንካራ ሲሆኑ ምላሹ ሙቀት ሰጪ ይሆናል።

ኤሌክትሮኔጋቲቪቲና ከኮቫለንት እስከ አዮናዊ ያለው መለኪያ

ኤሌክትሮኔጋቲቪቲ አንድ አቶም በቦንድ ውስጥ ያሉትን የተጋሩ ኤሌክትሮኖች ምን ያህል በጠንካራ ሁኔታ እንደሚስብ ይለካል። የፓውሊንግ መለኪያ በጣም የተለመደው ነው። አሃድ የሌለው፣ የተሰላ ቁጥር ነው እንጂ የተለካ ባሕርይ አይደለም። በOpenStax ሥዕል 7.6 ፍሎሪን በ4.0 ከፍተኛው ሲሆን ኦክስጅን በ3.5፣ ናይትሮጂንና ክሎሪን ደግሞ በ3.0 ይከተላሉ፤ የቡድን 1 ብረቶች ዝቅተኛዎቹ ናቸው፤ ለምሳሌ ሶዲየም በ0.9። እሴቶቹ በወቅት ውስጥ ወደ ቀኝ ሲኬድ ይጨምራሉ፤ በቡድን ውስጥ ወደ ታች ሲኬድ ይቀንሳሉ።

በሁለት የተተሳሰሩ አቶሞች መካከል ያለው ልዩነት ΔEN ግምታዊ የቦንድ ዓይነት ይሰጣል። OpenStax እነዚህን የመመሪያ ወሰኖች ይጠቀማል፦ ከ0.4 በታች፣ ዋልታ ያልሆነ ኮቫለንት፤ ከ0.4 እስከ 1.8፣ ዋልታዊ ኮቫለንት፤ ከ1.8 በላይ፣ አዮናዊ። ይበልጥ ኤሌክትሮኔጋቲቭ የሆነው አቶም ከፊል አሉታዊ ክፍያውን δ− ይይዛል።

ወሰኖቹ እውነተኛ ልዩ ሁኔታዎች ያሏቸው መመሪያዎች ናቸው። HF ΔEN = 1.9 አለው፤ ሆኖም ኮቫለንት ሞለኪውል ነው፤ ለእያንዳንዱ Si–F ቦንድ ΔEN = 2.2 ያለው SiF₄ ደግሞ ሞለኪውላዊ ጋዝ ነው። ΔENን ቦንዶችን ለማወዳደር ይጠቀሙ እንጂ ውህድን በእርግጠኝነት ለመመደብ አይጠቀሙ።

የተሠራ ምሳሌ፦ ስድስት ቦንዶችን በዋልታነት መደርደር

በOpenStax ሥዕል 7.6 ያሉትን የቆዩ የፓውሊንግ እሴቶች በመጠቀም B–H፣ C–Br፣ N–O፣ P–Cl፣ Al–Cl እና K–Brን ከትንሹ ዋልታዊ እስከ ትልቁ ዋልታዊ ይደርድሩ፦ H 2.1፣ B 2.0፣ C 2.5፣ N 3.0፣ O 3.5፣ Al 1.5፣ P 2.1፣ Cl 3.0፣ Br 2.8 እና K 0.8።

ልዩነቶቹ B–H 0.1፣ C–Br 0.3፣ N–O 0.5፣ P–Cl 0.9፣ Al–Cl 1.5 እና K–Br 2.0 ናቸው፤ ይህ ደረጃው ነው። ሁለት ውጤቶች ብዙ ተማሪዎችን ያስገርማሉ። በB–H ውስጥ ሃይድሮጂን አሉታዊው ጫፍ ነው፤ ምክንያቱም ቦሮን ከሃይድሮጂን ያነሰ ኤሌክትሮኔጋቲቭ ነው። K–Br ደግሞ በአዮናዊው ክልል ውስጥ ይወድቃል፤ ይህም ፖታሲየም ብሮማይድ አዮናዊ ጠጣር ከመሆኑ ጋር ይስማማል፤ Al–Cl ግን በዋልታዊ ኮቫለንት ክልል አናት አካባቢ ይገኛል፤ አሉሚኒየም ክሎራይድ በአንዳንድ ደረጃዎች አዮናዊ፣ በሌሎች ደግሞ ሞለኪውላዊ ተብሎ ይገለጻል።

የዳይፖል ሞመንቶችና የአዮናዊ ባሕርይ መቶኛ

ዋልታዊ ቦንድ μ = Qr የዳይፖል ሞመንት አለው፤ ይህም የተለያየው ክፍያ መጠን በክፍያዎቹ መካከል ባለው ርቀት ሲባዛ ነው። የዳይፖል ሞመንቶች ብዙውን ጊዜ በደባይ ይሰጣሉ፦ 1 D = 3.336 × 10⁻³⁰ C·m። የአንድ ኤሌክትሮን ሙሉ ክፍያ፣ 1.602 × 10⁻¹⁹ C፣ በ1 Å ርቀት ቢንቀሳቀስ የዳይፖል ሞመንቱ 4.803 D ይሆን ነበር። የተለካውን μ ከዚህ ሙሉ በሙሉ አዮናዊ እሴት ጋር ማወዳደር ግምታዊ የአዮናዊ ባሕርይ መቶኛ ይሰጣል፤ (የተለካ μ / ሙሉ በሙሉ አዮናዊ μ) × 100።

የተሠራ ምሳሌ 1። NIST Chemistry WebBook ለጋዝ-ደረጃ H³⁵Cl μ = 1.1085 D እና የሚዛን የቦንድ ርዝመት 1.27455 Å ይዘረዝራል። በዚያ ርቀት ሙሉ በሙሉ አዮናዊ የሆነ H⁺Cl⁻ μ = 4.803 D/Å × 1.27455 Å = 6.122 D ይኖረው ነበር። የአዮናዊ ባሕርይ መቶኛው 1.1085/6.122 × 100 = 18.1% ነው። ለHF፣ በWebBook እሴቶች μ = 1.82618 D እና r = 0.91680 Å፣ ሙሉ በሙሉ አዮናዊው እሴት 4.404 D ሲሆን የአዮናዊ ባሕርዩ 41.5% ነው።

ደረጃው ከΔEN ጋር ይስማማል (ለHCl 0.9፣ ለHF 1.9)፤ ቁጥሮቹ ግን ትልቅ ΔEN እንኳን ከሙሉ የክፍያ ዝውውር ምን ያህል እንደሚርቅ ያሳያሉ። HF ΔENው ብቻውን ከሚጠቁመው ይልቅ ወደ ኮቫለንት ጫፍ ይቀርባል።

የላቲስ ኃይልና የኩሎምብ ሕግ

አዮናዊ ጠጣር አንድ ላይ የሚያዘው በክሪስታሉ ውስጥ ባለ እያንዳንዱ ካቲዮንና እያንዳንዱ አኒዮን መካከል ባለው መሳሳብ ነው። የላቲስ ኃይሉ አንድ ሞል ጠጣርን ወደ ጋዝ አዮኖች ለመለየት የሚያስፈልገው ኃይል ነው። OpenStax አዎንታዊ አድርጎ ይተረጉመዋል፤ አንዳንድ መማሪያ መጻሕፍት ግን ተቃራኒውን ሂደት ተጠቅመው አሉታዊ እሴቶችን ይሰጣሉ፤ ስለዚህ መጀመሪያ የምልክት ስምምነቱን ያረጋግጡ።

በኩሎምብ ሕግ መሠረት መሳሳቡ ከአዮኖቹ ክፍያዎች ብዜት ጋር ይጨምራል፤ በአዮኖች መካከል ያለው ርቀት ሲጨምር ደግሞ ይቀንሳል። ብዙውን ጊዜ ክፍያ ይበልጣል። OpenStax ክፍል 7.5 LiFን በ1023 kJ/mol፣ አዮኖቹ 2+ እና 2− ክፍያዎች የሚይዙትን MgOን ደግሞ በ3900 kJ/mol ይዘረዝራል፤ ይህም አራት እጥፍ ገደማ ይበልጣል። ቀጥሎ መጠን አስፈላጊ ነው፦ MgF₂ 2957 kJ/mol፣ MgI₂ ደግሞ 2327 kJ/mol ነው፤ ምክንያቱም ትልቁ የአዮዳይድ አዮን ክፍያዎቹን ይበልጥ ያራርቃል።

የተሠራ ምሳሌ፦ ለሶዲየም ክሎራይድ የቦርን–ሃበር ዑደት

የላቲስ ኃይሎች በቀጥታ ሊለኩ አይችሉም፤ ስለዚህ በሄስ ሕግ ዑደት ይገኛሉ። NaCl(s)ን ከንጥረ ነገሮቹ ደረጃዎቹ ሁሉ ሊለኩ በሚችሉበት ቀጥተኛ ባልሆነ መንገድ ይገንቡ፤ ከዚያ ያ መንገድ ከቀጥተኛው የምስረታ ምላሽ ጋር ተመሳሳይ ጠቅላላ እንዲሰጥ ይጠይቁ።

የተሠራ ምሳሌ 2። እነዚህን ደረጃዎች ይጠቀሙ። ሶዲየምን ሰብሊም ያድርጉ፣ Na(s) → Na(g)፦ +107.5 kJ/mol፣ ከOpenStax አባሪ G የNa(g) ΔH°f። የክሎሪን አቶሞችን ይሥሩ፣ ½ Cl₂(g) → Cl(g)፦ +121.3 kJ/mol፣ የCl(g) ΔH°f። ሶዲየምን ያዮናይዙ፣ Na(g) → Na⁺(g) + e⁻፦ +495.8 kJ/mol፣ ከNIST እሴት 5.1391 eV። ለክሎሪን ኤሌክትሮን ይጨምሩ፣ Cl(g) + e⁻ → Cl⁻(g)፦ −348.6 kJ/mol፣ በNIST Chemistry WebBook ካለው የ3.6131 eV የኤሌክትሮን ተዛማጅነት። በመጨረሻም Na⁺(g) + Cl⁻(g) → NaCl(s) የላቲስ ኃይሉን U ይለቃል።

አጠቃላዩ ምላሽ Na(s) + ½ Cl₂(g) → NaCl(s) ሲሆን ΔH°f = −411.2 kJ/mol ነው። ስለዚህ 107.5 + 121.3 + 495.8 − 348.6 − U = −411.2፣ ይህም U = 787.2 kJ/mol ይሰጣል። አዮናይዜሽን የኤሌክትሮን ተዛማጅነት ከሚመልሰው የበለጠ ኃይል እንደሚጠይቅ ልብ ይበሉ። ትልቁ የላቲስ ኃይል ባይኖር NaClን ከንጥረ ነገሮቹ መፍጠር ሙቀት ሰጪ አይሆንም ነበር። ለNaCl የታተሙ የላቲስ ኃይሎች በተጠቀሙት መረጃና ዘዴ በጥቂት በመቶ ይለያያሉ (OpenStax 769 kJ ይጠቅሳል)፤ ስለዚህ የመጨረሻ አሃዞችን ሳይሆን አዝማሚያዎችን ያወዳድሩ።

የምላሽ ኢንታልፒን ከቦንድ ኃይሎች መገመት

ለጋዝ-ደረጃ ምላሾች ቦንዶችን በመቁጠር ΔHን መገመት ይችላሉ፦ ΔH ≈ Σ(የተሰበሩ ቦንዶች ኃይሎች) − Σ(የተፈጠሩ ቦንዶች ኃይሎች)። የተሰነዱ የቦንድ ኃይሎች በብዙ ሞለኪውሎች ላይ የተወሰዱ አማካዮች ናቸው፤ ስለዚህ ውጤቱ ግምት ብቻ ሲሆን ከምስረታ ኢንታልፒዎች ከሚገኘው እሴት በአሥሮች ኪሎጁሎች ሊለይ ይችላል።

የተሠራ ምሳሌ 3። ለC₂H₄(g) + H₂(g) → C₂H₆(g) ΔHን ይገምቱ። የኤቲሊን አራቱ C–H ቦንዶች ሳይሰበሩ ይቆያሉ፤ ስለዚህ ቸል ይበሏቸው። የተሰበሩ፦ አንድ C=C (611 kJ/mol) እና አንድ H–H (436 kJ/mol)፣ በጠቅላላው 1047 kJ። የተፈጠሩ፦ አንድ C–C (345 kJ/mol) እና ሁለት አዳዲስ C–H (2 × 415 kJ/mol)፣ በጠቅላላው 1175 kJ። ΔH ≈ 1047 − 1175 = −128 kJ። ከአባሪ G የተገኘው የምስረታ ኢንታልፒ እሴት −84.0 − 52.4 = −136.4 kJ ነው። ግምቱ ትክክለኛ ምልክት አለው፤ በ6% ገደማ ውስጥም ነው።

መወገድ ያለባቸው የቦንዲንግ የተሳሳቱ ግንዛቤዎች

አብዛኞቹ ስህተቶች የሚመጡት ግምታዊ መመሪያዎችን እንደ ትክክለኛ ደንቦች ከመውሰድ ወይም የምልክት ስምምነቶችን ከማደባለቅ ነው። እነዚህ በጣም የተለመዱት ናቸው።

• ΔEN = 1.8ን በኮቫለንትና በአዮናዊ መካከል እንደ ስለታም መስመር መውሰድ። መለኪያው ቀጣይ ነው፤ እንደ HF እና SiF₄ ያሉ ውህዶችም ደንቡን ይጥሳሉ።
• ኤሌክትሮኔጋቲቪቲን ከኤሌክትሮን ተዛማጅነት ጋር ማደናገር። የኤሌክትሮን ተዛማጅነት ለጋዝ አቶም የተለካ ኃይል ነው፤ ኤሌክትሮኔጋቲቪቲ ደግሞ በቦንድ ውስጥ ያለን አቶም ይገልጻል።
• ይበልጥ ኤሌክትሮኔጋቲቭ የሆነው አቶም ሁልጊዜ የሚጠብቁት ብረት ያልሆነ ንጥረ ነገር ነው ብሎ መገመት። ሠንጠረዡን ይፈትሹ፦ በB–H እና በSi–H ቦንዶች ውስጥ ሃይድሮጂን አሉታዊው ጫፍ ነው።
• የቦንድ ኃይል ቀመሩን መገልበጥ። ቀመሩ የተሰበሩ ቦንዶች ሲቀነስ የተፈጠሩ ቦንዶች ነው፤ ከምስረታ ኢንታልፒ ቀመር ተቃራኒ ቅደም ተከተል።
• በአንድ የቦርን–ሃበር ዑደት ውስጥ የላቲስ ኃይል የምልክት ስምምነቶችን ማደባለቅ።
• ድርብ ቦንድን እንደ ሁለት ነጠላ ቦንዶች መቁጠር። የC=C ቦንድ (611 kJ/mol) ከሁለት C–C ቦንዶች (690 kJ/mol) ደካማ ነው።