მოლეკულები და ნაერთები

ატომი ნივთიერების ყველაზე მცირე ნაწილაკია, რომელიც ჯერ კიდევ ინარჩუნებს ელემენტის ძირითად ქიმიურ თვისებებს. მიუხედავად ამისა, ქიმია მეტწილად იმას აკვირდება, თუ რა ხდება მაშინ, როდესაც ატომები უერთდება ერთმანეთს და წარმოქმნის ახალ ნაერთებს. ნაერთი არის გარკვეული ჯგუფი ატომებისა, რომლებიც ერთმანეთთან ქიმიური ბმებით არის დაკავშირებული. ისევე, როგორც ატომის სტრუქტურას აკავებს დადებითად დამუხტულ ბირთვსა და მის გარშემო მბრუნავ უარყოფითად დამუხტულ ელექტრონებს შორის არსებული ელექტროსტატიკური მიზიდულობა, ქიმიურ ბმებს შორის სტაბილურობაც ელექტროსტატიკური მიზიდულობებითაა განპირობებული. ამის უკეთ წარმოსაჩენად განვიხილოთ ქიმიური ბმების ორი ძირითადი ტიპი: კოვალენტური ბმა და იონური ბმა. კოვალენტურ ბმებში ორი ატომი იზიარებს ელექტრონთა წყვილებს, ხოლო იონურ ბმებში ელექტრონები სრულად გადაიცემა ორ ატომს შორის და წარმოიქმნება იონები. მოდით, უფრო დაწვრილებით გავეცნოთ ორივე ტიპის ბმას.

კოვალენტური ბმა წარმოიქმნება მაშინ, როდესაც ორი ატომი იზიარებს ელექტრონთა წყვილებს. კოვალენტურ ბმაში ბმის მდგრადობას განაპირობებს დადებითად დამუხტულ ორ ბირთვსა და მათ გარშემო მოძრავ საზიარო, უარყოფითად დამუხტულ ელექტრონებს შორის არსებული საერთო ელექტროსტატიკური მიზიდულობა.

როდესაც ატომები ერთიანდებიან და წარმოქმნიან კოვალენტურ ბმას, მიღებულ ატომთა გაერთიანებას მოლეკულა ეწოდება. შესაბამისად, შეგვიძლია, ვთქვათ, რომ მოლეკულა კოვალენტური ნაერთის უმარტივესი ერთეულია. როგორც შემდგომ ვნახავთ, მოლეკულის წარმოდგენისა და დახატვის რამდენიმე სხვადასხვა გზა არსებობს.

ქიმიური ფორმულა, იგივე მოლეკულური ფორმულა, მოლეკულის გამოსახვის ყველაზე მარტივი გზაა. ქიმიურ ფორმულაში ვიყენებთ ელემენტების სიმბოლოებს პერიოდული სისტემიდან, რათა მივუთოთ, თუ რომელი ელემენტია ნაერთში. ასევე ვიყენებთ ინდექსებს, რათა მივუთითოთ, თითოეული ელემენტის რამდენი ატომია მოლეკულაში. მაგალითად, ამიაკის, NH${}_3$‍-ის, ერთ მოლეკულა შეიცავს აზოტის ერთ და წყალბადის სამ ატომს, ხოლო, ვთქვათ, ჰიდრაზინის, N${}_2$‍H${}_4$‍-ის, ერთი მოლეკულა შედგება აზოტის ორი და წყალბადის ოთხი ატომისგან.

ცოდნის შემოწმება: ძმარმჟავას, ძმრის შემადგენელი მჟავის, ქიმიური ფორმულაა C${}_2$‍H${}_4$‍O${}_2$‍. ჟანგბადის რამდენი ატომი იქნება სამ მოლეკულა ძმარმჟავაში?

ნელ-ნელა, როცა კიდევ უფრო ჩაუღრმავდებით ქიმიას, აღმოაჩენთ, რომ ქიმიკოსები მოლეკულურ ფორმულას სხვადასხვანაირად წერენ. მაგალითად, ჩვენ უკვე ვნახეთ, რომ ძმარმჟავას ქიმიური ფორმულაა C${}_2$‍H${}_4$‍O${}_2$‍, მაგრამ ხშირად ის შეიძლება შეგხვდეს ასე ჩაწერილი: CH${}_3$‍COOH. მეორე სახის ფორმულა ბევრად უფრო ნათლად გვიჩვენებს ძმარმჟავას მოლეკულის სტრუქტურას. მას ხშირად შემოკლებულ სტრუქტურულ ფორმულას უწოდებენ. ასე რომ, შეგვიძლია, CH${}_3$‍COOH განვიხილოთ, როგორც გარდამავალი ხიდი ქიმიურ და სტრუქტურულ ფორმულას შორის.

ქიმიური ფორმულები მხოლოდ იმას გვაუწყებს, ამა თუ იმ ელემენტის რამდენი ატომი გვაქვს მოლეკულაში, მაგრამ სტრუქტურული ფორმულები იმის შესახებაც გვაძლევს ინფორმაციას, თუ როგორ უკავშირდება ეს ატომები ერთმანეთს სივრცეში. სტრუქტურულ ფორმულებში იხატება ატომთა დამაკავშირებელი კოვალენტური ბმები. წინა სექციაში ჩვენ ვნახეთ ამიაკის ქიმიური ფორმულა — NH${}_3$‍. მოდით, ახლა მისი სტრუქტურული ფორმულა განვიხილოთ:

ორივე სტრუქტურული ფორმულიდან ვხედავთ, რომ ცენტრალურ აზოტის ატომს წყალბადის თითოეულ ატომთან აკავშირებს თითო კოვალენტური ბმა. მიუხედავად ამისა, უნდა გვახსოვდეს, რომ ატომები და მოლეკულები, როგორც ყველაფერი ამ სამყაროში, სამგანზომილებიანია. მათ აქვთ როგორც სიგრძე, ასევე სიგანე და სიმაღლე. მარცხენა სტრუქტურულ ფორმულაში ჩანს მხოლოდ მოლეკულის ორგანზომილებიანი ნახაზი. მარჯვენა, უფრო დეტალური ფორმულა, წყვეტილი ხაზით გვიჩვენებს, რომ ყველაზე მარჯვნივ მდგომი წყალბადის ატომი სურათის სიბრტყის უკან არის მოთავსებული, გამუქებული ხაზი კი აღნიშნავს, რომ ეს წყალბადი მოთავსებულია სურათის სიბრტყის წინ. აზოტის თავზე მოთავსებული ორი წერტილი აღნიშნავს თავისუფალ ელექტრონულ წყვილს, რომელიც არ მონაწილეობს არცერთ კოვალენტურ ბმაში. ამ გაწყვილებული ელექტრონების მნიშვნელობაზე ქვემოთ ვისაუბრებთ. მოლეკულების სამგანზომილებიანი ფორმის საჩვენებლად ვიყენებთ სივრცით მოდელებს ან ბურთულღეროვან მოდელებს. მოდით, განვიხილოთ ეს ორივე მოდელი NH${}_3$‍-ისთვის:

მარცხნივ წარმოდგენილი ნახაზი გვიჩვენებს ამიაკის სივრცულ მოდელს. აზოტის ატომი წარმოდგენილია ცენტრში დიდი ლურჯი სფეროთი, სამი წყალბადის ატომი კი — პატარა თეთრი ბურთულით. ისინი მიმაგრებულნი არიან აზოტის ატომთან და წარმოქმნიან სამკუთხა ფიგურას. მოლეკულის საბოლოო ფორმაა პირამიდა, რომელსაც წვეროში აზოტი აქვს, დაბლა კი — სამი წყალბადისგან წარმოქმნილი ფუძე. მოლეკულური ფიგურებისა და მათი გეომეტრიის შესწავლისას გაიგებთ, რომ ასეთ აღნაგობას სამკუთხა პირამიდული ეწოდება. სივრცითი მოდელის მთავარი უპირატესობა ისაა, რომ იგი გვაძლევს ინფორმაციას სხვადასხვა ატომის ფარდობითი ზომის შესახებ სხვა ატომთან მიმართებით. ამიაკის მოდელში ჩანს, რომ აზოტს აქვს უფრო დიდი ატომური რადიუსი, ვიდრე წყალბადს.

მარჯვენა სურათზე ნაჩვენებია ამიაკის ბურთულღეროვანი მოდელი. შესაძლოა, მიხვდით, რომ ბურთები წარმოადგენენ ატომებს, ხოლო ღეროები, რომლებიც ბურთებს აკავშირებენ, ამ ატომებს შორის არსებული კოვალენტური ბმებია. ამ ტიპის მოდელის უპირატესობა ისაა, რომ შეგვიძლია კოვალენტური ბმების დანახვა, რაც მოლეკულის გეომეტრიის უფრო მარტივად აღქმის საშუალებას გვაძლევს.

ჩვენ უკვე გვესმის კოვალენტური ბმების არსი და დროა, გადავიდეთ ქიმიური ბმის მეორე ძირითად ტიპზე — იონურ ბმაზე. კოვალენტური ბმებისგან განსხვავებით, რომლებშიც ელექტრონები გაზიარებულია ორ ატომს შორის, იონური ბმა წარმოიქმნება მაშინ, როდესაც საწინააღმდეგოდ დამუხტული ორი იონი მიიზიდავს ერთმანეთს. მეტი თვალსაჩინოებისთვის, პირველ ყოვლისა, უნდა განვიხილოთ იონების სტრუქტურა და მათი ფორმირების პროცესი.

გაიხსენეთ, რომ ნეიტრალურ ატომებს პროტონები და ელექტრონები თანაბარი რაოდენობით აქვთ. ამის შედეგად პროტონის მთლიანი დადებითი მუხტი აბათილებს ელექტრონთა სრულ უარყოფით მუხტს, რის გამოც ატომის საბოლოო მუხტი ნულის ტოლი გამოდის.

მიუხედავად ამისა, თუკი ატომი შეიძენს ან გასცემს ელექტრონს, წონასწორობა პროტონსა და ელექტრონებს შორის დაირღვევა და ატომი გადაიქცევა იონად — დამუხტულ ნაწილაკად. მოდით, ჯერ განვიხილოთ, რა მოსდის ნეიტრალურ ატომს, როდესაც ის კარგავს ელექტრონს:

დიაგრამაზე ნაჩვენებია ნატრიუმის, Na-ს, ნეიტრალური ატომი, რომელიც კარგავს ერთ ელექტრონს. ელექტრონის გაცემის შედეგად ვიღებთ ნატრიუმის იონს, Na${}^{+}$‍-ს, რომელსაც აქვს 11 პროტონი, მაგრამ მხოლოდ 10 ელექტრონი. შესაბამისად, ნატრიუმის იონს აქვს 1+ მუხტი და ის ახლა არის კატიონი — დადებითად დამუხტული იონი.

ახლა განვიხილავთ ანიონის წარმოქმნა — ისეთი იონისა, რომელსაც უარყოფითი მუხტი აქვს.

ამ დიაგრამაში ჩვენ განვიხილავთ ელექტრონის მიღების პროცესს. ნეიტრალური ქლორის ატომი, Cl, იერთებს ელექტრონს. შედეგად გვაქვს ახლად წარმოქმნილი ქლორის იონი, Cl${}^{-}$‍, რომელსაც აქვს 17 პროტონი და 18 ელექტრონი. ვინაიდან ელექტრონს აქვს 1- მუხტი, საბოლოო მუხტი ქლორის იონზე ერთი ზედმეტი ელექტრონის გამო არის 1-. შედეგად, ქლორის ატომი გადაიქცა ანიონად, ანუ უარყოფიად დამუხტულ იონად.

შენიშვნა: როდესაც ნეიტრალური ატომები იერთებენ ელექტრონს ანიონის წარმოსაქმნელად, მათ სუფიქსად ეწერებათ -იდი. მაგალითად: Cl${}^{-}$‍ ქლორ-იდი, Br${}^{-}$‍ ბრომ-იდი, O${}^{2-}$‍ ოქსიდი, N${}^{3-}$‍ ნიტრიდი და ა.შ.

წინა სექციაში ჩვენ დავაკვირდით, თუ როგორ კარგავს ნატრიუმი ელექტრონს და წარმოქმნის კატიონს Na${}^{+}$‍, და ვნახეთ, თუ როგორ იერთებს ელექტრონს ქლორი, რის შედეგადაც წარმოიქმნება ანიონი Cl${}^{-}$‍. რეალობაში ეს პროცესში შეიძლება წარიმართოს ძალიან მარტივად ერთი ნაბიჯით, როდესაც ნატრიუმი გასცემს ელექტრონს, ქლორი კი მიიერთებს მას. ამ პროცესის გამოსახვა ასე შეგვიძლია:

ჩვენ შეგვიძლია, დავაკვირდეთ, თუ როგორ გადადის ელექტრონი ნატრიუმიდან ქლორის ატომზე რათა წარმოქმნას Na${}^{+}$‍-ის და Cl${}^{-}$‍-ის იონები. როდესაც ეს იონები წარმოიქმნებიან, მათ შორის აღიძვრება ძლიერი ელექტროსტატიკური მიზიდულობა და ამ მიზიდულობის შედეგად ყალიბდება იონური ბმა. კოვალენტურ და იონურ ბმებს შორის ძირითადი განმასხვავებელი ფაქტორი არის ის, რომ იონურ ბმებში ელექტრონები სრულად გადანაცვლდებიან, ხოლო კოვალენტურ ბმებში ელექტრონები საზიაროა.

შენიშვნა: რაც უფრო მეტს ისწავლით ბმებზე, დაინახავთ, რომ. სინამდვილეში. კოვალენტურ და იონურ ბმებს შორის სხვაობა არც ისე დიდია — ისინი ერთი სპექტრის ორი სხვადასხვა ბოლოა. ჩვენ ახლა იონურ ბმას ისე განვიხილავთ, როგორც ელექტრონთა არათანაბარ გადანაწილებას, კოვალენტურ ბმას კი ისე — როგორც ელექტრონთა თანაბარ განაწილებას ატომებს შორის. რეალურად, ყველა ქიმიური ბმა ამ ორი შემთხვევის სადღაც შუაშია.

ახლა ჩვენ განვიხილავთ იონური ბმების გამოსახვის სხვადასხვა გზებს. გავაგრძელოთ ყველაზე გავრცელებული იონური ნაერთის, ნატრიუმის ქლორიდის, ანუ სუფრის მარილის, განხილვა. ნატრიუმის ქლორიდში არსებული ცალკეული იონური ბმის წარმოდგენა ასე შეიძლება:

დადებითად დამუხტული ნატრიუმის კატიონი და უარყოფითად დამუხტული ქლორის ანიონი ელექტროსტატიკური მიზიდულობის გამო განლაგდებიან ერთმანეთის გვერდიგვერდ. რადგანაც ამ შემთხვევაში არ გვაქვს საზიარო ელექტრონები, ჩვენ არ გამოვსახავთ იონურ ბმას უბრალო ხაზით, როგორც ამას ვიზამდით კოვალენტური ბმის შემთხვევაში. ჩვენ, უბრალოდ, ვცნობთ, რომ მიზიდულობა არის ორ განსხვავებული მუხტის მქონე იონში.

ზედა დიაგრამა მხოლოდ მოდელია. ბუნებაში ნატრიუმის ქლორიდი არ არსებობს ამ სახით — როგორც ერთი ნატრიუმის კატიონი დაკავშირებული ერთ ქლორის ანიონთან. როგორც ზევით ვახსენეთ, ნატრიუმის ქლორიდი სუფრის მარილია, და ყველაზე ძლიერი მიკროსკოპი რომ გამოგვეყენებინა და შეგვესწავლა სუფრის მარილი, რაღაც მსგავს სტრუქტურას დავინახავდით:

ამ დიაგრამიდან ჩვენ ვხედავთ, რომ Na${}^{+}$‍ და Cl${}^{-}$‍ იონები ელექტროსტატიკური მიზიდულობის გამო ბუნებრივად თავსდებიან ერთმანეთის გვერდიგვერდ. იონები ერთ ადგილას მათ შორის არსებული ძალიან ძლიერი იონური ბმების გამო ჩერდენიან. ზედა სტრუქტურა არის კრისტალის ბადე, ნატრიუმის ქლორიდი კი — როგორც სხვა ყველა იონური ნაერთი — კრისტალური მყარი სხეულია. ამაზე უფრო მეტს შეიტყობთ, როდესაც შეისწავლით სხვადასხვა სახის მყარ ნივთიერებებს.

ახლა, როცა უკვე განვიხილეთ კოვალენტური და იონური ბმების საწყისები, ხაზი უნდა გავუსვათ რამდენიმე ძირითად სხვაობას. ჩვენ ვიცით, რომ მოლეკულა არის ჯგუფი ატომებისა, რომლებიც ერთმანეთთან კოვალენტური ბმებითაა დაკავშირებული. უნდა აღინიშნოს, რომ სიტყვა „მოლეკულა“ მხოლოდ კოვალენტური ნაერთის მიმართ უნდა გამოვიყენოთ. იონურ ნაერთში, მაგალითად, ნატრიუმის ქლორიდში, არ არსებობს ისეთი რამ, როგორიც ნატრიუმის ქლორიდის ერთი მოლეკულაა, რადგან, რეალურად, ნატრიუმის ქლორიდი შედგება ერთმანეთთან დიდ კრისტალურ ბადეში დაკავშირებული ნატრიუმისა და ქლორიდის მრავალი იონისგან — როგორც ეს წინა სურათში ვიხილეთ. ასე რომ, ჩვენ განვიხილავთ ნატრიუმის ქლორიდს არა მოლეკულად, არამედ ერთეულოვან ფორმულად. გახსოვდეთ, რომ ერთეულოვანი ფორმულა, ისევე როგორც თითო მოლეკულა ბუნებაში, არ არსებობს — ჩვენ ერთეულოვან ფორმულას მხოლოდ სიმარტივისა და მეტი მოხერხებულობისთვის ვიყენებთ.

ცოდნის შემოწმება: რომელი ნაერთები შედგებიან მოლეკულებისგან — კოვალენტური თუ იონური?

ყველა ქიმიური ბმა ელექტროსტატიკური მიზიდულობით არის გამოწვეული. როდესაც ატომები ერწყმიან ერთმანეთს ქიმიური ბმებით, ისინი წარმოქმნიან ნაერთებს — ორი ან მეტი ატომისგან შემდგარ უნიკალურ სტრუქტურებს. ნივთიერების ზოგადი შემადგენლობა შეიძლება გამოისახოს ქიმიური ფორმულით. ქიმიური ფორმულა იყენებს ელემენტის სიმბოლოებს პერიოდული სისტემიდან, რათა მიუთითოს, თუ რომელი ელემენტია ნაერთში, ხოლო ინდექსებს — მოლეკულაში ატომთა რაოდენობის გამოსახვისათვის.

ნაერთები შეიძლება იყოს კოვალენტური ან იონური. კოვალენტურ ნაერთებში ატომები წარმოქმნიან კოვალენტურ ბმებს ორ მოსაზღვრე ატომბირთვს შორის გაზიარებული ელექტრონული წყვილით. კოვალენტური ნაერთის მაგალითია ამიაკი. ამიაკის ქიმიური ფორმულა არის NH${}_3$‍, რომელიც გვეუბნება, რომ ამიაკის ერთ მოლეკულაში არის აზოტის ერთი და წყლაბადის სამი ატომი. კოვალენტური ნაერთის სტრუქტურა შეიძლება წამოვადგინოთ როგორც სივრცითი, ისე ბურთულღეროვანი მოდელებით.

იონურ ნაერთებში ელექტრონები მთლიანად არიან გადანაწილებულნი ერთი ატომიდან მეორეზე და შედეგად წარმოქმნიან კატიონს, ანუ დადებითად დამუხტულ იონს, და ანიონს, ანუ უარყოფითად დამუხტულ იონს. ქიმიურ ბმას, რომელიც საპირისპიროდ დამუხტულ იონებს შორის ელექტროსტატიკური მიზიდულობის ძალებით ხორციელდება, იონური ბმა ეწოდება. ყველაზე ცნობილი იონური ნაერთია ნატრიუმის ქლორიდი, იგივე სუფრის მარილი. კოვალენტური ნაერთებისგან განსხვავებით, იონურ ნაერთებში არ არსებობს მოლეკულები. ეს იმიტომ, რომ ბუნებაში არ არსებობს NaCl-ის ცალკეული ერთეული, არამედ ის წარმოდგენილია კრისტალური ბადით, რომელიც შედგება Na${}^{+}$‍-ის და Cl${}^{-}$‍-ის მრავალი იონისგან. ქიმიური ფორმულა NaCl წარმოადგენს ამ ნაერთის ერთეულოვან ფორმულას.