نظرية تنافر أزواج إلكترونات مستوى التكافؤ

ما إلكترونات التكافؤ وماذا تفعل؟

يتحدّد شكلُ الجُزَيْء بعدد أزواج الإلكترونات التي تحيط بالذرّة المركزيّة، التي تتنافرُ في ما بينها وتترتّبُ متباعدةً عن بعضها أقصى ما يمكن

• أتوصل إلى المفاهيم الأساسية المتعلقة بالروابط والجزيئات.
• أوضح العلاقة بين أزواج الإلكترونات حول الذرة المركزية والشكل الفراغي للجزيء.

• إلكترونات التكافؤ: تحدّدُ نوعَ الرابطة التي تكوّنها الذرّةُ عند تفاعلها معَ ذرّاتٍ أُخرى.

فكيف ترتبط الذرات بإلكترونات التكافؤ؟

كيف تتشارك الذرات إلكترونات؟

كثيرٌ من الموادّ التي تُعدُّ عصبَ الحياة، مثل الماء، وغازَي الأكسجين وثاني أكسيد الكربون ترتبط ذرّاتُها بروابطَ تساهميّة

• عناصر المجموعات الممثلة من الرابعة إلى السابعة: مستواها الخارجيّ يحتوي إلكترونات تنجذبُ نحو النواة بقوّة.
• عند ارتباط ذرّتين: تتشاركان في الإلكترونات، وينشأُ بينهما زوجٌ أو أكثرُ منَ الإلكترونات المشتركة تنجذبُ نحو نواتَي الذرّتين معًا.

• الرابطة التساهميّة ⁦Covalent Bond⁩ في الميثان $CH_4$: تمتلكُ ذرّةُ الكربون أربعةَ إلكترونات في المستوى الخارجيّ، أمّا ذرّةُ الهيدروجين فتمتلك إلكترونًا واحدًا.
• تتشاركُ ذرّةُ الكربون معَ كلِّ ذرّةِ هيدروجين بزوجٍ منَ الإلكترونات، ويكون حولها أربعة أزواج منَ الإلكترونات المشتركة.

• ينشأُ عن ذلك أربعُ روابطَ تساهميّةٍ أُحاديّة تحيط بذرّة الكربون، التي يُطلَق عليها الذرّة المركزيّة ⁦Central Atom⁩.

• الأمونيا $NH_3$: ذرّة النيتروجين هي المركزيّة، وتحتوي في المستوى الخارجيّ (5) إلكترونات.
• تتشاركُ معَ كلِّ ذرّة هيدروجين بزوجٍ منَ الإلكترونات؛ ليصبح لديها ثلاثةُ أزواجٍ منَ الإلكترونات الرابطة.
• ويبقى زوجٌ واحد منَ الإلكترونات لم يشارك في تكوين الروابط، كما يتّضحُ من تركيب لويس للجُزَيْء.

• الكربون والنيتروجين: ذرّتان مركزيّتان، الكربون محاطٌ بأربعة أزواجٍ منَ الإلكترونات الرابطة، والنيتروجين بثلاثة أزواجٍ رابطة وزوجٍ غير رابط.
• وبهذا يصبحُ تركيبُهما مشابهًا لتركيب ذرّة عنصر الغاز النبيل الأقرب لهما في الجدول الدوريّ.

كيف يمكنُ تعرُّفُ عددِ أزواج الإلكترونات الرابطة وغيرِ الرابطة في الجزيئات والأيونات المتعدّدة الذرّات؟

من هو جلبرت لويس؟

كيف أكتب تركيب لويس خطوةً بخطوة؟

1. إلكترونات التكافؤ الكلية: أجمع إلكترونات التكافؤ لجميع الذرات، وأضيف إلكترونًا لكل شحنة سالبة.
2. الأزواج المتوافرة: أقسم عدد الإلكترونات الكلي على اثنين.
3. الذرة المركزية: أحدد الذرة المركزية، وأوزع الذرات الطرفية حولها بروابط أحادية.
4. الأزواج المتبقية: أطرح عدد الأزواج الرابطة من الأزواج المتوافرة.
5. التوزيع: أوزع المتبقي على الذرات الطرفية لتحقق قاعدة الثمانية، وما بقي يوضع حول المركزية.

بكم زوجٍ منَ الإلكترونات الرابطة وغير الرابطة تُحاط ذرّة ⁦N⁩؟

وماذا لو كان الجسيم أيونًا؟

كم زوجًا منَ الإلكترونات غير الرابطة تمتلكُ ذرّة الألمنيوم؟

روابط ثنائية وثلاثية وتناسقية: ما الفرق؟

يحتوي العديد منَ الجزيئات روابطَ ثنائيّة أو ثلاثيّة

• ثاني أكسيد الكربون $CO_2$: يتشاركُ الكربون معَ كلِّ ذرّة أكسجين بزوجين لتكوين رابطة ثنائيّة.
• الإيثين $C_2H_4$: ذرّتا الكربون تشتركان بزوجين لتكوين رابطة ثنائيّة.
• الأكسجين $O_2$: تشتركُ ذرّتاه بزوجين لتكوين رابطةٍ ثنائيّة.
• النيتروجين $N_2$: تتشاركُ ذرّتاه بثلاثة أزواجٍ؛ لتكوّنا رابطةً ثلاثيّة وتحقّقا قاعدة الثمانية.
• الإيثاين $C_2H_2$: ذرّتا الكربون تتشاركان بثلاثة أزواجٍ، وتنشأُ بينَهما رابطةٌ ثلاثيّة.

• أحيانًا أقلّ من ثمانية: يكون عددُ الإلكترونات المحيطة بالذرّة المركزيّة أقلَّ من ثمانية، مثل ذرّة البيريليوم في $BeCl_2$ وذرّة البورون في $BCl_3$.
• وأحيانًا أكثر من ثمانية: مثل ذرّة الفسفور في $PCl_5$ وذرّة الكبريت في $SF_6$.

• مثال على الرابطة التناسقيّة ⁦Coordinate Bond⁩: تكوينُ أيون الأمونيوم $NH_4^+$، الذي يَنتجُ من تفاعل محلول الأمونيا $NH_3$ معَ حمض الهيدروكلوريك $HCl$.

• في الأمونيا: تمتلكُ ذرّة النيتروجين زوجًا منَ الإلكترونات غير الرابطة، تشاركُ فيه معَ الفَلَك الفارغ لأيون الهيدروجين.
• وتنشأُ بينهما رابطةٌ تناسقيّة، يُشار إليها بسهمٍ صغير رأسه يشير إلى الذرّة المشاركة بالفلك الفارغ.

• ثلاثي فلوريد البورون $BF_3$: يتفاعلُ معَ أيون الفلوريد $F^-$ مكوّنًا الأيون $BF_4^-$.

• ذرّةُ البورون: تُكوِّنُ ثلاثَ روابطَ تساهميّة معَ ثلاث ذرّاتٍ منَ الفلور، وتمتلكُ فلكًا فارغًا.
• تتشاركُ بالفلك الفارغ معَ زوجٍ منَ الإلكترونات غير الرابطة في أيون الفلوريد $F^-$، وتنشأُ رابطةٌ تناسقيّة في الأيون $BF_4^-$.

أيّ الآتية يحتوي روابط تناسقيّة: $H_2O$، $BeCl_4^{2-}$، $H_3O^+$، $BeCl_2$

أكتبُ تركيبَ لويس لكلٍّ منَ الجزيئات الآتية: $OF_2$، $BeH_2$، وأحدّد عددَ أزواج الإلكترونات الرابطة وغيرِ الرابطة حول ذرّتها المركزيّة.

كيف تتوزّع الأزواج لتقلّ قوة التنافر؟

تحيطُ بالذرّة المركزيّة في الجُزَيْء أزواجٌ منَ الإلكترونات الرابطة وغير الرابطة، تتنافرُ في ما بينها فتترتّبُ بالنسبة إلى بعضها

• الشكل الفراغي: يكونُ فيه التنافرُ بين أزواج الإلكترونات أقلَّ ما يمكن، ما يجعلُ الجزيءَ أكثرَ ثباتًا واستقرارًا.

• بهذه النظرية ⁦(VSEPR)⁩ يمكنُ تحديدُ مقدارِ الزاوية بين الروابط في الجُزَيْء، وتوقُّعُ شكلِه الفراغيّ.

• الخطّ المتّصل يشير إلى الروابط في مستوى الصفحة.
• الخطّ المتقطّع يمثّل الرابطة التي يكون اتّجاهها خلف الصفحة بعيدًا عن الناظر.
• الإسفين يشير إلى الرابطة الخارجة من الصفحة باتّجاه الناظر.

ما العلاقة بين عدد أزواج الإلكترونات حولَ الذرّة المركزيّة ومقدار الزاوية بين الروابط في الجُزَيْء؟

من الخطي إلى ثماني السطوح: كيف يتغيّر الشكل؟

• خطّيّ ⁦Linear⁩: زوجان رابطان على جانبي الذرّة المركزيّة، والزاوية بينهما (180°)، ومثاله $BeF_2$.

• مثلّث مستوٍ ⁦Trigonal Planar⁩: ثلاثة أزواج رابطة، الزاوية بينها (120°)، كما في $BCl_3$.

• رباعيّ الأوجه منتظم ⁦Tetrahedral⁩: أربعة أزواج رابطة، الزاوية بين الروابط (109.5°)، كما في $CH_4$.

• هرمٌ ثنائيّ مثلّث ⁦Trigonal Bipyramidal⁩: خمسة أزواج رابطة، الزاوية بين الروابط (90°، 120°)، كما في $PCl_5$.

• ثمانيّ السطوح ⁦Octahedral⁩: ستة أزواج، الزاوية بين الروابط (90°)، كما في $SF_6$.

ما الشكل الذي تتوزّع باتّجاهه ستّة أزواجٍ منَ الإلكترونات حول الذرّة المركزيّة؟

روابط ثنائية وثلاثية: هل يتغيّر الشكل؟

فماذا لو ارتبطت الذرّاتُ بروابطَ ثنائيّةٍ أو ثلاثيّة، فهل يختلفُ الشكلُ الفراغيُّ للجُزَيْء؟

• جزيئات لا تمتلك ذرّتها المركزية أزواج إلكترونات غير رابطة وتُكوّن روابط ثنائية أو ثلاثية.

• ثاني أكسيد الكربون $CO_2$: تترتّبُ أزواجُ الإلكترونات على جانبي ذرّة الكربون بزاوية (180°)، ويكونُ الشكلُ الناتجُ خطّيًّا.
• الإيثين $C_2H_4$: تترتّبُ الأزواجُ باتّجاه رؤوس مثلّثٍ مستوٍ حولَ كلِّ ذرّة كربون، والزاوية بين الروابط (120°).
• سيانيد الهيدروجين $HCN$: تترتّبُ الأزواج على جانبَي ذرّة الكربون المركزيّة بزاوية (180°)، ويكون الشكلُ الناتج خطّيًّا.

• جزيئات تُكوّن روابط أحادية وتمتلك ذرّتها المركزية أزواج إلكترونات غير رابطة.

زوج غير رابط: لماذا تتغيّر الزاوية؟

• الزوج غير الرابط ينجذب إلى نواة الذرّة المركزيّة فقط، فيشغل حيّزًا أكبر من زوج الإلكترونات الرابط.
• الزوج الرابط ينجذب لنواتَي الذرّتين فيشغل حيّزًا أقلّ.
• لذلك تقلّ الزاوية بين الأزواج الرابطة عن المتوقّعة.

• الأمونيا $NH_3$: تُحاط ذرّةُ النيتروجين بأربعة أزواجٍ كما في ذرّة الكربون في $CH_4$، إلّا أنّ أحدها غيرُ رابط.
• يتنافرُ معَ الأزواج الرابطة بقوّةٍ أكبرَ فيضغطها، وتقلّ الزاوية لتصبح (107°) مقابل (109.5°) في الميثان.
• ويكون الشكلُ هرمًا ثلاثيًّا ⁦Trigonal Pyramidal⁩.

• الماء $H_2O$: تُحاط ذرّةُ الأُكسجين بزوجين منَ الإلكترونات غير الرابطة يتنافران بقوّةٍ أكبرَ منَ التنافر بين زوجَي الإلكترونات الرابطة.
• فيضغطانهما وتقلّ الزاوية بين الرابطتين لتصبح (104.5°)، ويكون الشكلُ الفراغيُّ للماء مُنحنيًا ⁦Bent⁩.

يحقّقُ الأُكسجينُ في مركّباته قاعدةَ الثمانية، فما الشكلُ المتوقّع لجُزَيْء الأوزون $O_3$؟ وكيف تترتّبُ أزواج الإلكترونات حولَ الذرّة المركزيّة؟

أُقارن بين الجزيئات الآتية من حيث الشكلُ الفراغيُّ ومقدارُ الزاوية بين الروابط: $SiH_4$، $BF_3$، $BeH_2$

تحليل رامان: أداة تكشف أشكال الجزيئات

تجربة: ماذا تفعل الأزواج غير الرابطة بالزاوية؟

أصوغ فرضيتي عن علاقة عدد الإلكترونات غير الرابطة المحيطة بالذرّة المركزيّة بقيمة الزاوية بين الروابط

أضبط المتغيّرات: أحدّد المتغيّر المستقلّ والمتغيّر التابع وعاملًا تمّ ضبطه في التجربة.

أستنتج أثر وجود أزواج الإلكترونات غير الرابطة في مقدار الزاوية بين الروابط.

أُصدر حكمًا: أوضّح إذا توافقت نتائجي مع فرضيتي أم لا.

ابحث بنفسك: أشكال أيونات وجزيئات أخرى

راجع الدرس: هل تتقن الأشكال؟

الفكرة الرئيسة: أُوضِّحُ سببَ اختلاف الأشكال الفراغية للجُزَيْئات.

أوضِّحُ المقصودَ بكلٍّ من: مستوى التكافؤ، الرابطة التناسقيّة، أزواج الإلكترونات غير الرابطة، نظريّة تنافر أزواج إلكترونات مستوى التكافؤ.

أكتبُ تركيبَ لويس وأستنتجُ الأشكالَ الفراغيّةَ لكلٍّ مما يأتي: أ . ثاني أكسيد الكبريت $SO_2$. ب . رباعي كلورو ميثان $CCl_4$. جـ . أيون الهيدرونيوم $H_3O^+$.

أُفسِّرُ: يختلفُ مقدارُ الزاوية بين الروابط في الجُزَيْئات ($CH_4$ , $NH_3$ , $H_2O$)، على الرغم من أنّ الذرّةَ المركزيّةَ في كلٍّ منها تُحاطُ بأربعة أزواج منَ الإلكترونات.

أُقارنُ: عنصران افتراضيان ($_{7}Y$ , $_{5}X$)، يرتبطُ كلٌّ منهما معَ الهيدروجين مُكوِّنًا الصيغة ($YH_3$ , $XH_3$). أُقارنُ بين الجُزَيْئين من حيث: أ . تركيب لويس لكلٍّ منهما. ب . الشكل الفراغيّ لكلٍّ منهما. جـ . مقدار الزاوية بين الروابط في كلٍّ منهما. د . امتلاك أزواج إلكترونات غير رابطة.

السبب والنتيجة: لماذا يكونُ لجُزَيْء ثاني أُكسيد الكربون $CO_2$ شكلٌ خطّيّ، ولجُزَيْء الماء $H_2O$ شكلٌ مُنحنٍ.