איזה סוג של קשר מצטרף לשני אטומי מימן?

הקשר המצטרף לשני אטומי מימן במולקולת גז מימן הוא קשר קוולנטי קלאסי. קל לנתח את הקשר מכיוון שלאטומי המימן יש רק פרוטון אחד ואלקטרון אחד כל אחד. האלקטרונים נמצאים בקליפת האלקטרונים היחידה של אטום המימן, שיש בה מקום לשני אלקטרונים.

מכיוון שאטומי המימן זהים, אף אחד מהם לא יכול לקחת את האלקטרון מהשני כדי להשלים את מעטפת האלקטרונים שלו וליצור קשר יוני. כתוצאה מכך, שני אטומי המימן חולקים את שני האלקטרונים בקשר קוולנטי. האלקטרונים מבלים את רוב זמנם בין גרעיני המימן הטעונים באופן חיובי, ומושכים את שניהם למטען השלילי של שני האלקטרונים.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

מולקולות של גז מימן מורכבות משני אטומי מימן בקשר קוולנטי. אטומי מימן יוצרים קשרים קוולנטיים גם בתרכובות אחרות, כמו במים עם אטום חמצן ובפחמימנים עם אטומי פחמן. במקרה של מים, אטומי המימן הקשורים קוולנטית יכולים ליצור קשרי מימן בין-מולקולריים נוספים שהם חלשים יותר מקשרים מולקולריים קוולנטיים. קשרים אלה מקנים למים חלק מהמאפיינים הפיזיים שלהם.

אטומי המימן ב- H₂מולקולת מים O יוצרת אותו סוג של קשר קוולנטי כמו בגז מימן אך עם אטום החמצן. באטום החמצן יש שישה אלקטרונים בקליפת האלקטרונים החיצונית ביותר, שיש בה מקום לשמונה אלקטרונים. כדי למלא את מעטפתו, אטום החמצן חולק את שני האלקטרונים של שני אטומי המימן בקשר קוולנטי.

בנוסף לקשר הקוולנטי, מולקולת המים יוצרת קשרים בין-מולקולריים נוספים עם מולקולות מים אחרות. מולקולת המים היא דיפול קוטבי, כלומר קצה אחד של המולקולה, קצה החמצן, טעון שלילית, ובקצה השני עם שני אטומי המימן יש מטען חיובי. אטום החמצן הטעון שלילית של מולקולה אחת מושך את אחד מאטומי המימן החיוביים של מולקולה אחרת ויוצר קשר מימן דיפול-דיפול. קשר זה חלש יותר מהקשר המולקולרי הקוולנטי, אך הוא מחזיק את מולקולות המים יחד. כוחות בין-מולקולריים אלה מקנים למאפיינים ספציפיים למים כמו מתח פנים גבוה ונקודת רתיחה גבוהה יחסית למשקל המולקולה.

לפחמן ארבעה אלקטרונים בקליפת האלקטרונים החיצונית ביותר, שיש בה מקום לשמונה אלקטרונים. כתוצאה מכך, בתצורה אחת, פחמן חולק ארבעה אלקטרונים עם ארבעה אטומי מימן כדי למלא את מעטפתו בקשר קוולנטי. התרכובת המתקבלת היא CH₄, מתאן.

בעוד שמתאן עם ארבעת הקשרים הקוולנטיים שלו הוא תרכובת יציבה, פחמן יכול להיכנס לתצורות קשר אחרות עם מימן ו אטומי פחמן אחרים. ארבע תצורות האלקטרונים החיצוניות מאפשרות לפחמן ליצור מולקולות המהוות בסיס לתרכובות מורכבות רבות. כל הקשרים הללו הם קשרים קוולנטיים, אך הם מאפשרים לפחמן גמישות רבה בהתנהגות ההתחברות שלו.

כאשר אטומי פחמן יוצרים קשרים קוולנטיים עם פחות מארבעה אטומי מימן, נותרים אלקטרונים מקשרים נוספים בקליפה החיצונית של אטום הפחמן. לדוגמא, שני אטומי פחמן היוצרים קשרים קוולנטיים עם שלושה אטומי מימן יכולים ליצור קשר קוולנטי זה עם זה, ולשתף את אלקטרוני הקישור הנותרים שלהם. תרכובת זו היא אתאן, ג₂ה₆.

באופן דומה, שני אטומי פחמן יכולים להיקשר עם שני אטומי מימן כל אחד וליצור קשר קוולנטי כפול זה עם זה, ולחלוק את ארבעת האלקטרונים שנותרו ביניהם. תרכובת זו היא אתילן, C₂ה₄. באצטילן, ג₂ה₂, שני אטומי הפחמן יוצרים קשר קוולנטי משולש וקשר יחיד עם כל אחד משני אטומי המימן. במקרים אלה רק שני אטומי פחמן מעורבים, אך שני אטומי הפחמן יכולים לשמור בקלות על קשרים בודדים זה עם זה בלבד ולהשתמש בשאר כדי להיקשר לאטומי פחמן נוספים.

פרופאן, ג₃ה₈, יש שרשרת של שלושה אטומי פחמן עם קשרים קוולנטיים בודדים ביניהם. לשני אטומי הפחמן יש קשר יחיד עם אטום הפחמן האמצעי ושלושה קשרים קוולנטיים עם שלושה אטומי מימן כל אחד. לאטום הפחמן האמצעי יש קשרים עם שני אטומי הפחמן האחרים ושני אטומי מימן. שרשרת כזו יכולה להיות ארוכה בהרבה והיא הבסיס להרבה מתרכובות הפחמן האורגניות המורכבות שנמצאות בטבע, כולן מבוססות על אותו סוג של קשר קוולנטי המצטרף לשני אטומי מימן.