الروابط والأفلاك المتداخلة

لماذا نحتاج نظرية رابطة التكافؤ؟

تنشأ الرابطةُ المشتركة نتيجة تداخل أفلاك التكافؤ نصفِ الممتلئة بالإلكترونات، ليصبحَ الفلَكُ المتداخلُ مُمتلِئًا ويحتوي إلكترونين.

• أوضحُ مفهومَي التهجين والأفلاك المُهجَّنة.
• أميّزُ بين الرابطتين: (سيجما) و(باي).
• أتوصلُ إلى تحديد قطبيّة الجُزَيْء.

• نظرية تنافر أزواج الإلكترونات فسّرت تكوّن الروابط والزوايا وتنبّأت بأشكال الجزيئات، لكنها لم توضّح توزّع الإلكترونات في الأفلاك.
• وضع العلماء نظريتين أساسيتين لتفسير ذلك: نظرية رابطة التكافؤ ⁦Valence Bond Theory⁩، ونظرية الأفلاك الجزيئية ⁦Molecular Orbital Theory⁩.
• في هذا الدرس نتناول أهم أفكار نظرية رابطة التكافؤ.

فكيف تتكوّن الرابطة بين ذرتين؟

تداخل الأفلاك: كيف يتكوّن الزوج المشترك؟

• عند تكوين رابطة يتداخل فلك تكافؤ إحدى الذرتين مع فلك تكافؤ الأخرى في منطقة لا تتسع لأكثر من إلكترونين.
• ويتحرك الإلكترونان حول الذرتين وينجذبان نحو نواتيهما في الوقت نفسه.

• في $\text{H}_2$ لكل ذرة هيدروجين إلكترون واحد في الفلك $1s$ الكروي، فيتداخل الفلكان وتزداد الكثافة الإلكترونية بينهما.
• وتنشأ الرابطة التساهمية من النوع سيجما ⁦(σ)⁩.

• في $\text{HCl}$ يتداخل الفلك $3p$ للكلور مع الفلك $1s$ للهيدروجين على طول المحور الواصل بين النواتين.
• ينجذب الإلكترونان نحو النواتين معًا، فتتكوّن الرابطة التساهمية $\text{H-Cl}$ من النوع سيجما.

• ذرة الكلور توزيع مستوى تكافؤها $3s^2 3p^5$، وبحسب قاعدة هوند فيها إلكترون منفرد واحد في أفلاك $3p$.

• في $\text{Cl}_2$ يتداخل الفلكان $3p$ نصفا الامتلاء رأسًا لرأس على المحور الواصل بين النواتين، فتنشأ رابطة سيجما.

وماذا يحدث حين تكون الرابطة ثنائية أو ثلاثية؟

سيجما وباي: ما الفرق بين الرابطتين؟

• في الجزيئات التي تحتوي روابط ثنائية مثل $\text{O}_2$ يحدث نوعان من التداخل بين الأفلاك.
• التوزيع الإلكتروني لمستوى تكافؤ الأكسجين $2s^2 2p^4$، وبحسب قاعدة هوند يحتوي إلكترونين منفردين في أفلاك $2p$.

• النوع الأول ⁦(σ)⁩: يتداخل فلكا $\text{p}$ رأسًا لرأس على امتداد المحور الواصل بين النواتين، وتتركز الكثافة بينهما.

• النوع الثاني ⁦(π)⁩: يتداخل الفلكان $\text{p}$ المتعامدان على فلكي ⁦σ⁩ جانبيًّا، وتتوزع الكثافة على جانبي المحور.

• الرابطة الثنائية في $\text{O}_2$ تتكون من رابطة ⁦σ⁩ واحدة ورابطة ⁦π⁩ واحدة.
• الرابطة الثلاثية في $\text{N}_2$: رابطة ⁦σ⁩ من تداخل أفلاك $\text{p}$ على المحور، ورابطتان ⁦π⁩ من التداخل الجانبي.

أحدّد عدد الروابط سيجما ⁦(σ)⁩ وباي ($\pi$) في كلٍّ من جزيء النيتروجين $N_2$، وجزيء الأكسجين $O_2$.

هل تكفي هذه الأفلاك لتفسير كل الجزيئات؟

التهجين: لماذا لا تكفي الأفلاك الذرية؟

• بعض الجزيئات لا يتوافق تركيبها مع النظريتين السابقتين، مثل مقدار الزاوية بين الروابط أو عدد الروابط كما في $\text{CH}_4$.
• مستوى التكافؤ في ذرة الكربون يحتوي إلكترونين منفردين في أفلاك $2p$، ما يشير إلى قدرتها على تكوين رابطتين تكون الزاوية بينهما $90°$.
• لكنها تكوّن في الواقع أربع روابط مع الهيدروجين $\text{C-H}$، وتكون الزاوية بين الروابط $109.5°$.

• الشكل (20/ أ، ب) مثال على اختلاف طاقة الأفلاك المُهجَّنة وشكلها عن الأفلاك الذرية.

• نوع التهجين يعتمد على عدد أزواج الإلكترونات المحيطة بالذرة المركزية، وعدد الأفلاك المُهجَّنة اللازمة لتكوين روابط تساهمية من النوع سيجما.

كيف يفسّر التهجين الميثان؟

أربعة أفلاك متماثلة: الميثان والماء والأمونيا

• في ذرة الكربون يندمج الفلك $2s$ مع ثلاثة أفلاك $2p$ لينتج أربعة أفلاك مُهجَّنة متماثلة في الشكل والطاقة، تسمى $sp^3$.

• يُعاد توزيع إلكترونات التكافؤ على الأفلاك الأربعة لتصبح جميعها نصف ممتلئة بالإلكترونات.
• ثم يتداخل كل فلك منها مع الفلك $1s$ من ذرة الهيدروجين لتكوين أربع روابط أحادية متماثلة من النوع سيجما.
• الشكل الفراغي لجزيء $\text{CH}_4$: تتوزع أربعة أزواج من الإلكترونات الرابطة باتجاه رؤوس رباعي الأوجه منتظم، وتكون الزاوية بين الروابط $109.5°$.

• ذرة الأكسجين تمتلك إلكترونين منفردين في الأفلاك $2p$ كما يشير توزيعها الإلكتروني $2s^2 2p^4$.
• يُفترض أن أفلاك $2p$ تشارك في تكوين الرابطة $\text{O-H}$، والزاوية بين الرابطتين في جزيء الماء $90°$.
• لكنها فعليًا $104.5°$، وهي أقرب إلى $109.5°$ الناتجة من الأفلاك المُهجَّنة $sp^3$.
• الأكسجين يستخدم أفلاكًا مُهجَّنة $sp^3$ لتكوين الرابطة $\text{O-H}$؛ ولوجود زوجين غير رابطين يصبح شكل الماء منحنيًا.

• مستوى التكافؤ لذرة النيتروجين يحتوي ثلاثة إلكترونات منفردة في أفلاك $2p$ كما يشير توزيعها الإلكتروني $2s^2 2p^3$.
• يمكن أن تستخدم أفلاك $2p$ الثلاثة لتكوين ثلاث روابط مع ذرات الهيدروجين، والزاوية بين الروابط $90°$.
• لكنها فعليًا $107°$، وهي أقرب إلى $109.5°$ الناتجة من الأفلاك المُهجَّنة $sp^3$.
• النيتروجين يستخدم أفلاكًا مُهجَّنة $sp^3$، فتتوزع ثلاثة أزواج رابطة نحو رؤوس هرم ثلاثي.

ما الأفلاك التي تستخدمها ذرة السيليكون في تكوين الروابط مع ذرة الكلور في الجزيء $SiCl_4$؟

ما نوع التهجين المتوقع لذرة الفسفور ⁦(P)⁩ في الجزيء $PCl_3$؟

ما نوع التهجين في الذرات المركزية لكلٍّ من الجزيئات ($OF_2$ , $NF_3$)؟ ما الشكل الفراغي لكلٍّ من هذه الجزيئات؟

أحدّد أنواع الأفلاك المُكوِّنة للرابطة ⁦(O-H)⁩.

وماذا لو اندمج فلك ⁦s⁩ مع فلكين ⁦p⁩ فقط؟

ثلاثة أفلاك مهجنة وزاوية متساوية

• التهجين $sp^2$ اندماج فلك $\text{s}$ مع فلكين $\text{p}$ في مستوى التكافؤ للذرة المركزية، كما في $\text{BF}_3$.
• ذرة البورون فيها إلكترون منفرد واحد في أفلاك $2p$.

• لترتبط ذرة البورون بثلاث ذرات فلور يندمج $2s$ مع فلكين من $2p$، فينتج ثلاثة أفلاك مُهجَّنة $sp^2$.
• ويصبح فيها ثلاثة إلكترونات منفردة تكوّن ثلاث روابط ⁦σ⁩، الزاوية بين كل منها $120°$.
• ويكون الشكل الفراغي للجزيء مثلثًا مستويًا.

وماذا عن اندماج فلك ⁦s⁩ مع فلك ⁦p⁩ واحد؟

فلكان مهجنان وجزيء خطي

• التهجين $sp$ اندماج فلك $\text{s}$ مع الفلك $\text{p}$ في مستوى التكافؤ للذرة المركزية، كما في البيريليوم في $\text{BeH}_2$.
• توزيع البيريليوم $1s^2 2s^2$ ولا إلكترونات منفردة في مستوى التكافؤ، ومع ذلك يكوّن رابطتين سيجما مع الهيدروجين.
• وهذا يبرّر حدوث تهجين $sp$ في ذرة البيريليوم.

• تُحاط ذرة البيريليوم بزوجين من الإلكترونات الرابطة على جانبيها بزاوية $180°$، والشكل الناتج خطي.

أحدّد الأفلاك المندمجة لتكوين التهجين $sp$ في ذرة البيريليوم ⁦Be⁩.

ما نوع الأفلاك المُهجَّنة التي تستخدمها الذرات المركزية في كلٍّ من الجزيئات ($BeCl_2$ , $BH_3$)؟

كيف تؤثر الأشكال التي رأيناها في قطبية الجزيء؟

من قطبية الرابطة إلى العزم القطبي

• في $\text{Cl}_2$ ينجذب زوج الإلكترونات المشترك بالتساوي؛ لأن للذرتين السالبية الكهربائية نفسها.
• في $\text{HCl}$ ينجذب الزوج نحو الكلور الأكثر سالبية كهربائية، فتظهر عليه شحنة جزئية سالبة ($\delta^-$).
• أما ذرة الهيدروجين فتقل الكثافة الإلكترونية حولها؛ لذلك تظهر عليها شحنة جزئية موجبة ($\delta^+$).
• يبدو أن للرابطة قطبين: أحدهما سالب والآخر موجب، وتوصف بأنها رابطة قطبية.

• قطبية الرابطة تعتمد على الفرق في السالبية الكهربائية بين الذرتين؛ تزداد بزيادته وتقل بنقصانه.

• الجزيء القطبي يمتلك عزمًا قطبيًا؛ فالجزيء $\text{HCl}$ قطبي، والجزيء $\text{Cl}_2$ غير قطبي.

أطرح سؤالًا إجابته: يختلف توزيع الكثافة الإلكترونية باختلاف السالبية الكهربائية.

هل كل جزيء فيه روابط قطبية يكون قطبيًا؟

هل تعني الرابطة القطبية جزيئًا قطبيًا؟

• يتوقف وجود عزم قطبي للجزيئات متعددة الذرات على الشكل الفراغي للجزيء، إضافة إلى قطبية روابطه.
• ويمكن التعامل مع قطبية الرابطة بوصفها قوة متجهة (ذات مقدار واتجاه).
• فإذا ساوت قطبية رابطة قطبيةَ الأخرى وعاكستها، ألغت إحداهما الأخرى وكانت المحصلة صفرًا والجزيء غير قطبي.
• $\text{BeCl}_2$ جزيء خطي تلغي قطبية رابطتيه إحداهما الأخرى، فعزمه القطبي صفر وهو غير قطبي.

• $\text{H}_2\text{O}$ جزيء منحنٍ لا تلغي قطبية روابطه بعضها بعضًا، فعزمه لا يساوي صفرًا وهو قطبي.

أحدّد مما يأتي الجزيء الذي له عزم قطبي: $CH_3Cl$ , $BCl_3$ , $BeFCl$ , $NH_3$

وماذا تفعل الأزواج غير الرابطة بالعزم؟

كيف يُرسَّب البروتين بالملح؟

• البروتينات فيها مجموعات قطبية مثل $\text{NH}$ و$\text{CO}$ و$\text{NH}_2$ و$\text{COOH}$ و$\text{OH}$ تنجذب نحو جزيئات الماء القطبية فتكوّن محلولًا غرويًّا.
• لاستخلاصها تُضاف أملاح مثل كبريتات الأمونيوم $(NH_4)_2SO_4$، فتنجذب أيوناتها نحو الأطراف القطبية للماء بدلًا من مجموعات البروتين.
• فتتحرر السلاسل وتنجذب نحو بعضها، فتنشأ بينها روابط هيدروجينية وتترسب بسبب زيادة كتلتها المولية.

الزوج غير الرابط: يزيد العزم أو ينقصه

• بعض الجزيئات مثل $\text{NH}_3$ فيها أزواج إلكترونات غير رابطة حول الذرة المركزية، فيتولد عزم قطبي صغير نسبيًا يتجه بعيدًا عن النواة.
• ويؤدي ذلك إلى زيادة العزم القطبي للجزيء أو التقليل منه، تبعًا لاتجاه قطبية الروابط.
• العزم القطبي في كل من الجزيئين: $\text{NH}_3$ ($1.46\ \text{D}$) و$\text{NF}_3$ ($0.24\ \text{D}$).

أفسّر: العزم القطبي للجزيء $NH_3$ أكبر من العزم القطبي للجزيء $NF_3$.

تجربة: لوحة الأشكال الفراغية وقطبيتها

أحدّد أشكال الجزيئات التي تكون دائمًا قطبية.

أحدّد أشكال الجزيئات التي قد تكون قطبية أو غير قطبية.

أفسّر العلاقة بين قطبية الروابط وقطبية الجزيء.

أستنتج العلاقة بين قطبية الجزيء وشكله الفراغي.

مراجعة الدرس: اختبر نفسك

الفكرة الرئيسة: أوضّح مبرّرات نظرية التهجين.

أوضّح المقصود بكلٍّ من: التهجين، العزم القطبي.

أقدّم دليلًا على استخدام ذرة الأكسجين في جزيء الماء أفلاكًا مُهجَّنة من النوع $sp^3$.

أفسّر: أ. الجزيء $NF_3$ قطبي في حين الجزيء $BF_3$ غير قطبي.

• ب. العزم القطبي لجزيء الماء ($H_2O$) أكبر من العزم القطبي للجزيء ($OF_2$).

أقارن: إذا علمت أن العنصرين ($_4X$ , $_8Y$) يرتبط كل منهما بالهيدروجين مكونًا الصيغتين ($YH_2$, $XH_2$)، فأجيب عن الأسئلة الآتية: أ. أكتب تركيب لويس لكلٍّ منهما.

• ب. أرسم شكل كلٍّ منهما الفراغي.

• جـ. أحدّد نوع التهجين الذي تستخدمه أفلاك الذرة المركزية في كلٍّ منهما.

• د. أفسّر استخدام الذرة ⁦(X)⁩ الأفلاك المُهجَّنة في تكوين الروابط.

• هـ. أحدّد الجزيء الذي له عزم قطبي.

يستخدم الأستيلين في قص الفلزات ولحامها. أدرس جزيء الأستيلين ($CH\equiv CH$). أ. أتوقع نوع التهجين الذي تستخدمه كل من ذرتي الكربون في الجزيء.

• ب. أستنتج عدد الروابط سيجما وباي في الجزيء.

• جـ. أسمّي الأفلاك التي تستخدمها ذرة الكربون في تكوين كلٍّ من الروابط الآتية: ($C\equiv C$) ، ($C-H$)

أصمم استقصاءً: يعتقد طلبة الصف الحادي عشر أن قطبية الجزيء ترتبط بالشكل الفراغي له. أصوغ فرضية عن العوامل التي تؤثر في قطبية الجزيء، وأصمم استقصاءً لاختبار فرضيتي.