נוסח השאלה המלא: האם תוכל להסביר לי את המבנה המרחבי של פחמן חד חמצני ( CO ) ? לפי הציור אני מבינה שיש שלשה קשרים קוולנטים ובנוסף זוג אלקטרונים כך שיוצא שלכל אחד יש 5 אלקטרוני ערכיות בעוד שלחמצן יש שישה ולפחמן יש 4 ?
אכן את צודקת, לפי התיאוריה של לואיס (שלומדים בבית הספר התיכון), לחמצן יש 6 'אלקטרוני ערכיות' ולפחמן 4, ואכן המבנה, כפי שמצוייר בתמונה מרמז שלחמצן ולפחמן 5 אלקטרוני ערכיות (2 אלקטרונים בזוג לא קושר בשתי קצות המולקולה ועוד 3 אלקטרונים המשתתפים בקשר מצידו של כל אטום). אז היכן טמונה הבעיה? ובכן, הבעיה היא בתיאוריית לואיס: היא פשוט איננה מדוייקת, וישנם מקרים רבים, וזה אחד מהם, בהם מתקבל מבנה שגוי לחלוטין. אם רוצים לדייק בכתיבת המבנה של המולקולה לפי שיטת לואיס, יש לרשום סימן + ליד החמצן, וסימן מינוס ליד הפחמן כך:
כי אם לפחמן יש במקור 4 אלקטרונים ובמולקולה יש לו 5 סימן שאלקטרון עבר מהחמצן לפחמן ומטענו צריך להיות שלילי (עודף של אלקטרון). אבל – כפי שאמרתי ממילא מבנה לואיס פשוט לא נכון. והוספת המטענים הפורמלים ליד האטומים אפילו מטעה עוד יותר, כי מדידות מראות שמולקולה CO דווקא כמעט ואינה מקוטבת.
אז מה המבנה הנכון, כפי שהוסבר אתמול על מהות הקשר לפי תורת הקוונטים, קשר כימי לא נוצר לפי 'כלל האוקטט' (ששמונה אלקטרונים יקיפו כל אטום בקליפה החיצונית) אלא פשוט על ידי חפיפות בין ענני אלקטרונים של אטומים, שיוצרים ענן חדש, שגורם לקשר בין האטומים.
גם עבור חמצן, וגם עבור פחמן האורביטלים האלקטרונים החופפים הם אורביטל s של כל אטום ושלושת אורביטלי p של כל אטום (הסבר על האורביטלים).
החפיפות הנוצרות מחיבור או חיסור שני ענני האורביטלים יוצרים את המבנה הבא של אורביטלים מולקולרים:
האורביטלים המסומנים בכוכבית* - הינם אורביטלים 'אנטי-קושרים' שנוצרים מפעולת חיסור של שני ענני האלקטרונים, האורביטל נקרא 'אנטי' קושר משום שעבורו ענן הסתברות האלקטרונים שבין האטומים הוא קטן, מה שמוביל דווקא להחלשת הקשר / כוח המשיכה בין האטומים.
כדי לחשב את אופי הקשר לפי תורת הקוונטים, צריך בשלב הבא, לאכלס את האלקטרונים בתוך האורביטלים המולקולרים. יש 10 אלקטרונים לאכלס (6 מחמצן ו 4 מפחמן), ממלאים בשרטוט מלמטה למעלה (לפי סדר האנרגיה) כאשר כל אורביטל יכול להכיל 2 אלקטרונים.
התמונה הבאה מסבירה את התוצאה:
ישנו קשר משולש בין חמצן לפחמן. מדידות מראות שאורך הקשר בין חמצן לפחמן אכן מתאים לכזה של קשר משולש. ולכן גם בתצוגת לואיס מציירים קשר משולש, וכדי לשמור על כלל האוקטט של לואיס מציירים לכל אטום זוג אלקטרונים בלתי קושר, שאין לו ממשות פיזיקלית. ונדגיש שוב: אין שום בעיה בקשר CO, זה קשר יציב וחזק, הבעיה היא רק במבנה לואיס. כאנקדוטה נציין, שאפילו מבנים שבהם נראה ש'אין בעיה' במבנה לואיס, למשל המבנה של חמצן, O2 הם מטעים/שגויים. חמצן נוזלי – נמשך למגנט, מה שמעיד שיש בו אלקטרונים 'לא מזווגים' בזוגות, בעוד שבמנה לואיס שלו כל האלקרונים מזווגים. אם תחשבו על זה טיפה, המבנה של האורביטלים המולקולרים מסביר זאת (תוספת 2 אלקטרונים למולקולה CO שציירנו) בקלות.
מאת:ד"ר אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
