PROFILPELAJAR.COM

קשר כימי הוא אינטראקציה בין מטענים חשמליים של מרכיבי אטומים, של אטומים שלמים או של מולקולות הגורמת לזיקה בין אטומים או מולקולות. קשרים אלו הם המעניקים לחומרים שונים את מגוון תכונותיהם, ובלעדיהם לא היו בעולם תרכובות.

היסטוריה

ערך מורחב – היסטוריה של הכימיה

התפתחות תאוריות שונות להסברת הקשר הכימי הולכות יד ביד עם צבירת ידע על מבנה האטום. תאוריות ראשונות של קשרים כימיים פותחו לאחר גילוי האלקטרון על ידי ג'יי ג'יי תומסון. באפריל 1897 פרסם תומסון את גילוי האלקטרון בעקבות מחקריו על שפופרת קרן קתודית. הניסויים שלו הציעו לא רק שקרניים קתודיות קלות ביותר מפי 1,000 מאטום המימן, אלא גם שהמסה שלהם זהה ללא תלות ביסוד ממנו באו. הוא הסיק שהקרניים בנויות מחלקיקים מאוד קלים, בעלי מטען שלילי, חלקיקים המהווים רכיב אוניברסלי של מבנה האטומים. בשנת 1904 תומסון הציע מודל ראשון של מבנה אטום, המכונה מודל עוגת הצימוקים. במודל האטומי שלו הניח תומסון שקשרים כימיים נוצרים בעזרת כוחות אלקטרוסטטיים שמועברים בין האטומים. מהנחה זאת נובע כי קשר כימי חייב להיות קוטבי.

ארנסט רתרפורד ביצע את ניסוי רתרפורד שהראה כי המטען חיובי של האטום מרוכז באזור קטן מאוד בתוך האטום ולכן יש לדחות את "מודל עוגת הצימוקים". ניסויים אלו הובילו את רתרפורד להציע את המודל הפלנטרי של האטום בשנת 1911. במודל זה הוצג לראשונה הרעיון של גרעין האטום. בשנת 1913 שכלל נילס בוהר את המודל הפלנטרי של האטום והציג את מודל האטום של בוהר.

מכיוון שלא ניתן להסביר תכונות של תרכובות אורגניות בעזרת קשר קוטבי, התברר שאמורים להתקיים גם קשרים לא קוטביים ולא רק קוטביים כפי שהסביר תומסון. בשנת 1916 טען לראשונה גילברט ניוטון לואיס שקשרים לא קוטביים מתבססים על זוג משותף של אלקטרונים.^[1] ובכך הגה את הרעיון של קשר קוולנטי. תאוריה מדעית זו תאמה גם את המודל האטומי של רתרפורד ובוהר שהחליפה את תאוריית תומסון.

התפתחות של המכניקה הקוונטית ופיתוח משוואת שרדינגר בשנת 1926 הובילו לפיתוח תאוריות יותר מדויקות של הקשר.

סיווג קשרים כימיים

קשרים כימיים מסווגים על פי עוצמתם ואופיים, הנקבעים על פי תכונות האטומים המשתתפים. מבחינים בין מספר סוגי קשרים:

קשרים תוך-מולקולריים

קשרים תוך-מולקולריים הם הקשרים המקשרים בין אטומים הערוכים במולקולות.

קשר קוולנטי (קו-ולנטי, משתף ערכיות) - קשר הנוצר בין שני אטומים כתוצאה משיתוף הדדי של אלקטרוני הערכיות שלהם, קושר אותם זה לזה ויוצר מולקולה. המולקולה, לפיכך, בנויה ממספר אטומים הקשורים ביניהם קוולנטית. לעיתים נוצרים שניים או שלושה קשרים קוולנטיים (כפולים או משולשים) בין אותם אטומים. נהוג לסווג קשרים קוולנטיים בהתאם לסימטריה המאפיינת אותם. חלוקה זו מבדילה בין קשרי סיגמא, קשרי פאי וקשרי דלתא. האלקטרונים המהווים חלק מקשר קוולנטי נקראים "אלקטרונים קושרים". קשר קוולנטי יכול להיות לא שוויוני, באופן שהאלקטרונים יתקרבו יותר לאחד האטומים, וייצרו קוטב במולקולה. לקשרים קוולנטים חשיבות מרכזית בכימיה אורגנית. קשר קוולנטי משולש חזק יותר מקשר קוולנטי כפול, כמו כן קשר כפול חזק מיחיד. בנוסף, קשרים קוולנטיים הם הקשרים שבין האטומים של חומרים אטומריים, כגון פחמן.
קשר קואורדינטיבי - סוג של קשר קוולנטי, הכרוך בתרומת אלקטרונים על ידי אטום אחד בלבד. נוצר בין אטומים או למולקולות תורמות אלקטרונים, לאטומים או מולקולות שחסרות אלקטרונים בקליפה החיצונית. קשרים קואורדינטיביים משמשים באתרים פעילים באנזימים רבים ואף בקטליזה כימית בתעשייה.

קשרים כימיים בין-מולקולריים

ערך מורחב – כוח בין-מולקולרי

הכוחות הבין מולקולריים נתגלו לראשונה על ידי יוהנס דידריק ואן דר ואלס בשנת 1873. הוא הבין כי קשרים כימיים קיימים גם בין המולקולות ולא רק בין האטומים שבתוך מולקולה.^[2]

קשרים אלו מתקיימים בין מולקולות נפרדות של אותו חומר או של חומרים שונים המעורבבים זה בזה.

קשרי מימן - קשר הנוצר בין שתי מולקולות מקוטבות, כלומר כאלו הנושאות מטען חשמלי קבוע וגדול יחסית. מטען זה נוצר בשל קשר קוולנטי מקוטב בין אטום מימן לבין אטום של אחד משלושה יסודות בעלי אלקטרושליליות גבוהה: פלואור, חמצן או חנקן. קשרי מימן הם הקשרים הבין מולקולריים החזקים ביותר: הם אחראים לכך שהמים הם נוזל בטמפרטורת החדר, על אף מסתם המולקולרית הנמוכה. הם משחקים תפקיד מרכזי בתהליכים כימיים וביולוגיים רבים - קשרי המימן מאפשרים, למשל, את קריאתו של הקוד הגנטי ב-DNA.
אינטראקציות ואן דר ואלס - קשר בין-מולקולרי בין קטבים הנוצרים זמנית במולקולות סמוכות, בשל תנועתם האקראית של האלקטרונים בהן. קשר זה קיים בין כל שתי מולקולות, וחשיבותו עולה ככל שמספר האלקטרונים במולקולה עולה - זו הסיבה שמולקולות גדולות יותר נמצאות במצב צבירה נוזל או מוצק בטמפרטורה נמוכה ממולקולות קטנות יותר. מכיוון שבמולקולות גדולות מתקיימים יותר קשרי ואן-דר-ואלס בין האלקטרונים, כך יש להשקיע יותר אנרגיה (=חום) כדי להתיר את הקשרים הללו, על מנת להמיס או לנדף את המולקולות. קשרים מסוג זה משחקים תפקיד חשוב באינטראקציות שבין מולקולות הידרופוביות מומסות.
אינטראקציות פאי ארומטיות - קשר הנוצר בין טבעות ארומטיות. לאינטראקציות אלו חשיבות רבה ביציבות מבנה DNA וחלבונים.

קשר מתכתי

קשר מתכתי הוא קשר בין גרעינים חיוביים (יונים חיוביים) במתכת מוצקה ונוזלית, הנובע משיתוף של אלקטרוני הערכיות בין כל אטומי המתכת. מבנה זה, המכונה סריג מתכתי, מעניק למתכות את מוליכותן החשמלית, מאחר שהאלקטרונים אינם קשורים לשום אטום ספציפי וחופשיים לנוע וליצור זרם חשמלי. גם היכולת לעבור ריקוע, והאפקט הפוטואלקטרי הנצפה במתכות מוסברים על ידי מבנה זה. בפישוט, זהו קשר בין יונים חיוביים, הנוצרים לאחר שהאטום מסר את אלקטרוני הערכיות שלו, לבין "ים" של אלקטרונים המקיפים אותם. זו הסיבה שמודל זה לתיאור הקשר במתכת מכונה לרוב "ים אלקטרונים". ^[3]

קשר יוני

קשר יוני הוא קשר בין יונים בעלי מטענים חשמליים מנוגדים, הנוצר למשל במלח מוצק. קשר זה מאפשר את יצירתו של סריג יוני מסודר, המאפיין את המלחים המוצקים. הקשר היוני הוא קשר חזק יחסית (יותר מהקשרים הבין מולקולריים, מימן וואן דר ואלס) אך חלש מהקשרים הקוולנטים (בחומרים האטומריים)^{[דרושה הבהרה]}, והדבר מתבטא בטמפרטורות ההתכה והרתיחה הגבוהות יחסית של המלחים. הקשר היוני עשוי להתפרק בממסים קוטביים (פולריים), כך שמולקולות מים למשל, המהוות ממס קוטבי בשל הא-סימטריות של המבנה המולקולרי שלהם, מצליחות להתגבר על המשיכה בין היונים החיוביים ליונים השליליים. כך, למשל, מתמוסס מלח השולחן במים. החומר היוני מתמוסס ונוצרים יונים ניידים בתמיסה, מסיבה זו תמיסת מלח מוליכה חשמל.