זוהי שאלה טובה שגם גדולי הכימאים שאלו אותה לאורך ההיסטוריה, עם הזמן התפתחו כלים יותר ויותר מדוייקים לחזות איזה סוג קשר כימי ייווצר בין אטומים. כל סוגי הקשר הכימי בין אטומים נוצר על ידי אינטראקציה כלשהי של האלקטרונים שנמצאים בקליפה החיצונית ביותר של האטומים (עוד על קליפות האלקטרונים באטום). שני המצבים הקיצוניים של קשר כימי הם קשר יוני מהצד האחד וקשר קוולנטי לא קוטבי ("טהור") מהצד השני. בקשר יוני – אלקטרון אחר (או יותר) שנמצא בקליפה החיצונית של אטום אחד עוזב את האטום ועובר 'להסתובב' בקליפה של אטום אחר. כתוצאה ממעבר האלקטרון מאטום לאטום משתנה המטען החשמלי של האטומים (בגלל שהאלקטרון טעון מטען חשמלי שלילי) והם הופכים ליונים: האטום שמקבל אלקטרונים הופך ליון שלילי, אניון, והאטום שאיבד את אלקטרוניו הופך ליון טעון מטען חשמלי חיובי (כי עזב אותו אלקטרון שלילי), קטיון. בגלל שנוצרו יונים – מכנים את הקשר 'קשר יוני'. דוגמא לכך היא החומר מלח בישול (NaCl), שהוא תרכובת של המתכת נתרן (Na) עם הגז כלור (Cl). כהערת אגב, מעניין לציין שאין קשר בין תכונות החומרים שיצרו את המלח (מתכת מאוד פעילה, גז רעיל) לבין התרכובת שהם יצרו (NaCl) – זהו כוחה של הכימיה ליצור חומרים חדשים, עם תכונות חדשות.
בקשר קוולנטי (וולאנס, valence – קליפה-אלקטרונית או ערכיות באנגלית, קו =שיתוף, קשר קו-וולנטי=קשר של קליפה/ערכיות משותפת) "טהור" 2 האטומים חולקים במידה שווה את האלקטרונים שמשתתפים בקשר, אף אטום לא טעון חשמלית באופן קבוע. דוגמא לחומרים בהם הקשר הוא קשה הוא חומרים בהם כל האטומים במולקולה הם אותם אטומים, למשל: Cl2, H2, P4, S8.
אבל 2 הדוגמאות הללו הן רק מצבי הקיצון, בפועל אפשרי הרבה מצבי ביניים של הקשר הכימי, בהם הקשר 'מקוטב' כלומר – האלקטרונים שיוצרים אותו לא נמצאים במידה שווה של זמן ומרחב סביב האטומים. (למשל בחומר מים, H2O, הקשרים בין אטומי החמצן, O, למימן, H, מקוטבים: האלקטרונים נוטים להיות יותר סביב החמצן).
מולקולת מים (תמונה באדיבות ויקיפדיה)
בנוסף לאלו – קבוצת המתכות (כל המתכות שטבלה המחזורית) – יוצרת סוג של קשר אחר קשר מתכתי: בו אלקטרוני הקשר של כל האטומים בגוש המתכת כולו משותפים יחד לכל האטומים. (עוד על קשר מתכתי).
כלומר – ישנו כבר כלל אחד: מתכות יוצרות קשר מתכתי.
כלל אחר שנמצא: קשר בין מתכות לאל-מתכות הוא קשר יוני.
וכלל שלישי שנמצא: קשר בין אטום אלמתכתי אחד לאחר הוא קשר קוולנטי.
אבל עדיין – הכללים הללו לא מספקים, כי לא עוזרים לחזות האם הקשר הכימי יהיה מקוטב או לו, ולכן המציא הכימאי זוכה פרס הנובל לינוס פאולינג בשנת 1932 גודל שנקרא אלקטרושליליות, ובאמצעותו אפשר לחזות את סוג הקשר הכימי בצורה פשוטה ביותר, ובאחוזי דיוק גבוהים. גם על אלקטרושליליות ניתנו בעבר הסברים מפורטים (ראו אלקטרושליליות ואלקטרושליליות גבוהה ונמוכה) – בקצרה זהו מדד למידת המשיכה של האלקטרונים על ידי האטום (ומכאן ברור מדוע מצליח לנבא את קיטוב הקשר הכימי, כי מודד, באופן כללי, איזה אטום 'מושך את האלקטרונים יותר חזק').
לכל אטום ישנו ערך אלקטרושליליות, ואם רוצים לדעת מה סוג הקשר הכימי פשוט בודקים מה ההפרש של הערכים בין שני האטומים. אם ההפרש 2 או יותר – אז זה קשר יוני, אם ההפרש הוא אפס או ממש קרוב לאפס – אז זה קשר קוולנטי לא קוטבי (בדר"כ מקובל לומר שעד הפרש של 0.4-0.5 באלקטרושליליות נופל בהגדרה זו), ואם הערך הוא מעל לכך ועד ל-2, אז זה קשר קוולנטי קטבי.
דוגמאות: עבור כלור (Cl), אלטרושליליות (א"ש) 3, עבור נתרן (Na) א"ש של 0.9, ולכן נתרן כלורי (מלח בישול) חומר יוני (הפרש של 2.1, כלומר מעל 2).
גביש של מלח בישול, חומר יוני טהור. (תמונה באדיבות ויקיפדיה)
עבור מימן (H) א"ש 2.2, ולכן התרכובת מימן כלורי (ידועה גם בשם חומצה מילחית) HCl – (הפרש 0.7) חומר קוולנטי קוטבי. עבור קשר שבו 2 האטומים זהים ברור כי ההפרש א"ש יהיה אפס, והקשר יהיה קוולנטי לא קוטבי.
אולם, לסיום עלי לציין, שכמו הרבה מקרים בכימיה, לכל כלל יש יוצאים מהכלל, והאלקטרושליליות לא תמיד מצליחה לנבא נכונה את סוג הקשר (ואז פשוט תכונות החומר עצמו מעידות על הקשרים שבו). שתי דוגמאות למקרים בהן מתקבלות תחזיות הפוכות: החומר אמוניום חנקתי, NH4NO3 , מכיל רק אלמתכות: הגזים חמצן (O), חנקן (N), ומימן (H), לפי הכלל שרשמנו למעלה היה צריך להיות חומר קוונלטי. הפרשי האלקטרושליליות חוזים חומר קוטבי במעט. אבל בפועל הוא חומר יוני טהור, הנמצא בגביש יוני, ובמים נפרד ליונים בודדים.
מהצד השני, התרכובת אורניום-שש-פלואורי UF6, תרכובת של מתכת (אורניום) ואלמתכת (פלואור), והפרש האלקטרושליליות הוא 2.6. כלומר היה צריך להיות חומר יוני טהור. בפועל החומר מתנהג כמו חומר קוולנטי – החומר אומנם מוצק בטמפ' החדר, אבל הוא נוטה להמריא (כלומר להפוך לגז), ובכל מקרה ממריא לחלוטין למצב גזי בטמפ' של 56.5oC. בגז נמצאות מרחפות מולקולות של ממש, כלומר מתנהג כחומר קוולנטי לכל דבר. יש לציין שהעובדה שהחומר מתנהג כחומר קוולנטי שאפשר להפוך לגז היא שמאפשרת להפריד בין האיזוטופים השונים של אורניום (="להעשיר אורניום") ומאפשרת שימושו בכור גרעיני ליצור חשמל או להבדיל – לבניית נשק גרעיני. ככה שמזל שיש חומרים שחורגים מהכלל.
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.