نظرية رابطة التكافؤ

من لويس والتنافر إلى تداخل الأفلاك

ستتعرف في هذه الوحدة طرقاً أخرى لتمثيل الروابط التساهمية ونظريات جديدة لتفسير الترابط بين الذرات داخل الجزيئات.

• نجحت نظرية تنافر أزواج إلكترونات التكافؤ في تفسير أشكال الجزيئات.
• أزواج الإلكترونات الرابطة وغير الرابطة المحيطة بالذرة المركزية تترتب بالفراغ، بحيث يكون التنافر بينها أقل ما يمكن.
• وتصف نظرية رابطة التكافؤ تكون الروابط بين الذرات بطريقة تداخل الأفلاك الذرية، ثم تطورت إلى طريقة الأفلاك المهجنة.

فماذا يحدث حين يتداخل فلكان نصف ممتلئين؟

نشاط (2-7): لديك الجزيئات $\mathrm{BF_{3}}$ ، $\mathrm{CCl_{4}}$ ، $\mathrm{CO_{2}}$ ، $\mathrm{H_{2}O}$ ، $\mathrm{NH_{3}}$. ارسم شكل لويس لكل منها.

ما عدد مجموعات الإلكترونات المحيطة بالذرة المركزية في كل منها؟

ما شكل أزواج الإلكترونات في كل منها؟

ما شكل الجزيء المتوقع لكل منها؟

فلكان نصف ممتلئين يتداخلان فتتكوّن الرابطة

فكيف يتكوّن أبسط جزيء بهذه الطريقة؟

• الشكل (2-9): انخفاض طاقة الوضع عند اقتراب نواتي الذرتين من بعضهما.
• تزداد قوى التجاذب بين زوج الإلكترونات ونواتي الذرتين فتنخفض طاقة الوضع، ويصبح الترابط أكثر ثباتاً.
• تكون المسافة بين النواتين 74 بيكوميتر.
• إذا اقتربت النواتان أكثر تزداد قوى التنافر بينهما وترتفع طاقة الوضع.

• البيكوميتر = $1 \times 10^{-12}$ م

• يعتمد طول الرابطة وطاقتها على نوع الأفلاك المتداخلة المكونة للرابطة التساهمية وحجمها.

• الجدول (2-3): أطوال بعض الروابط التساهمية وطاقتها (ليس للحفظ).

• نجحت طريقة تداخل الأفلاك الذرية في تفسير تكوّن الجزيئات ثنائية الذرة، لكن ماذا عن الجزيئات متعددة الذرات (أكثر من ذرتين)؟

• قصور تداخل الأفلاك الذرية: لم يفسّر تكوّن جزيئات كثيرة، مثل $\mathrm{BeH_{2}}$ و $\mathrm{BH_{3}}$ و $\mathrm{CH_{4}}$.
• ولم يقدّم تفسيراً مقبولاً لاختلاف الزاوية وأشكال الجزيئات: الزاوية في $\mathrm{H_{2}O}$ تساوي 104.5° وفي $\mathrm{NH_{3}}$ حوالي 107°.
• ولتفسير هذه الحقائق كان لا بد من تطوير نظرية رابطة التكافؤ عن طريق الأفلاك المهجنة.

ما مقدار المسافة بين نواتي ذرتي الهيدروجين عندما يكون مقدار الطاقة يساوي صفراً؟

ما مقدار الانخفاض في الطاقة الذي يجعل الترابط أكثر ثباتاً؟

ما مقدار طول رابطة ⁦H - H⁩؟ وما مقدار طاقة رابطة ⁦H - H⁩ بوحدة كيلو جول/مول؟

تمرين (6): بيّن كيف تتشكل الرابطة بين الذرتين في الجزيء $\mathrm{Cl_{2}}$ باستخدام طريقة تداخل الأفلاك الذرية.

لماذا يعدّ نوع الرابطة التساهمية المتكونة في كل من $\mathrm{F_{2}}$ و $\mathrm{Cl_{2}}$ من النوع سيجما $\sigma$؟

تمرين (7): ما نوع الأفلاك الذرية المتداخلة لتكوين رابطة ⁦H-Cl⁩؟

ما العلاقة بين طول الرابطة وطاقتها؟

فكر: ما مقدار الزاوية ⁦H-O-H⁩ المتوقعة من تداخل الأفلاك في جزيء $\mathrm{H_{2}O}$؟

تمرين (8): مثّل الروابط التساهمية في جزيء $\mathrm{NH_{3}}$ مستخدماً طريقة تداخل الأفلاك الذرية. وما مقدار الزاوية ⁦H-N-H⁩ المتوقعة من تداخل الأفلاك؟

قضية للنقاش: هل تستطيع نظرية رابطة التكافؤ بطريقة تداخل الأفلاك الذرية تفسير تكوّن جزيء $\mathrm{BeF_{2}}$؟

كيف حلّ التهجين مشكلة الميثان؟

لدراسة مفهوم الأفلاك المهجنة نفّذ النشاط (2-8) المتعلق بالروابط حول ذرة الكربون في جزيء الميثان.

• الكربون يملك فلكين $2p$ نصف ممتلئين، فيكوّن رابطتين مع ذرتي هيدروجين ويتكوّن الجزيء $\mathrm{CH_{2}}$، وهو جزيء غير ثابت.
• وأبسط مركبات الكربون مع الهيدروجين هو غاز الميثان $\mathrm{CH_{4}}$.
• التحدي: كيف يتكون جزيء $\mathrm{CH_{4}}$ رباعي الأوجه المنتظم ومقدار الزاوية فيه $109.5^\circ$؟

فكيف نوفّر أربعة أفلاك متشابهة نصف ممتلئة؟

• الافتراض: أفلاك مستوى التكافؤ في ذرة الكربون المتقاربة في الطاقة اندمجت (اختلطت) بعضها مع بعض.
• ونتج أربعة أفلاك ذرية مهجنة جديدة متشابهة في الشكل والحجم والطاقة، ومختلفة في الاتجاه الفراغي، كما في الشكل (2-13).

• الأفلاك الناتجة عن خلط ثلاثة أفلاك من نوع ⁦p⁩ وفلك واحد من نوع ⁦s⁩ تسمى الأفلاك المهجنة $sp^3$.
• فلك $sp^3$: يتكون من فلقتين متقابلتين، إحداهما أكبر حجماً من الأخرى.
• الجزء الأكبر كثافة إلكترونية أعلى واتجاه محدد، فهو أكثر قدرة على التداخل ويُنتج روابط تساهمية أقوى.

• إلكترونات التكافؤ الأربعة لذرة الكربون تتوزع على الأفلاك $sp^3$ الأربعة المتساوية في الطاقة وفق قاعدة هوند.

قبل التهجين: C: $\uparrow\downarrow$ $2s$ $\uparrow$ $2p_x$ $\uparrow$ $2p_y$ $2p_z$

بعد التهجين: C: $\uparrow$ $sp^3$ $\uparrow$ $sp^3$ $\uparrow$ $sp^3$ $\uparrow$ $sp^3$

• ذرة الكربون ترتبط مع أربع ذرات هيدروجين: يتداخل فلك $1s$ من كل ذرة هيدروجين مع فلك من الأفلاك المهجنة $sp^3$.
• وينتج أربع روابط متماثلة، وشكل الجزيء $\mathrm{CH_{4}}$ رباعي الأوجه منتظماً ومقدار الزاوية فيه $109.5^\circ$.
• وبذلك يكون التنافر بين أزواج الإلكترونات أقل ما يمكن والشكل أكثر ثباتاً.

نشاط (2-8): اكتب التركيب الإلكتروني لذرة الكربون.

ما عدد الأفلاك نصف الممتلئة في ذرة الكربون؟

ما عدد الروابط التي تكوّنها ذرة الكربون حسب نظرية رابطة التكافؤ؟

ما صيغة المركب الناتج عن ارتباط ذرة الكربون مع الهيدروجين؟ وما مقدار الزاوية المتوقعة؟

ما عدد ذرات الهيدروجين التي يمكن أن ترتبط بها أفلاك $sp^3$ المهجنة في ذرة الكربون؟

ما نوع الأفلاك المشتركة في تكوين الرابطة ⁦C-H⁩؟

هل تتفق الاتجاهات الفراغية للأفلاك المهجنة $sp^3$ مع اتجاهات الروابط؟

تمرين (9): وضح الروابط المتكونة في جزيء $\mathrm{SiF_{4}}$ مستخدماً نظرية رابطة التكافؤ (التهجين).

كيف يفسّر التهجين الأمونيا والماء؟

• المعروف سابقاً: الشكل المنحني (الزاوي) لجزيء $\mathrm{H_{2}O}$ والشكل الهرمي الثلاثي لجزيء $\mathrm{NH_{3}}$.
• الزاوية بين الروابط تساوي $104.5^\circ$ في $\mathrm{H_{2}O}$ وتقريباً $107^\circ$ في $\mathrm{NH_{3}}$.
• عدد أزواج الإلكترونات حول الذرة المركزية في كلا الجزيئين أربعة، كما حول ذرة الكربون في $\mathrm{CH_{4}}$، والزاوية قريبة من زاوية $\mathrm{CH_{4}}$.
• لذا تم الافتراض أنه يحدث تهجين للأفلاك الذرية لإنتاج أفلاك مهجنة من النوع $sp^3$.

تمرين (10): استخدم الأفلاك المهجنة في تفسير الروابط المتكونة في جزيء $\mathrm{H_{2}O}$. لماذا تكون الزاوية ⁦H-O-H⁩ $104.5^\circ$؟

ثلاثة أنواع من التهجين وما تفسّره

• توجد حالات مختلفة من التهجين (بين أفلاك ⁦s⁩ و ⁦p)⁩ تستخدمها الذرات عند تكوين الروابط، ويبينها الجدول (2-4).

• الأفلاك المهجنة تتجه في الفراغ بحيث يكون التنافر بين أزواج الإلكترونات فيها أقل ما يمكن، فتكون أشكالها واتجاهاتها كما في الشكل.

• وتتوزع على جانبي المحور الواصل بين النواتين عندما تكون الرابطة من النوع باي ($\pi$).
• الرابطة $\sigma$ أقوى: قوى التجاذب فيها أكبر لأن الكثافة الإلكترونية تتركز بين النواتين.

• جزيء $\mathrm{BeF_{2}}$ يتكون من تداخل فلكي ⁦sp⁩ من ذرة ⁦Be⁩ مع فلك ⁦p⁩ من كل ذرة ⁦F⁩، فيكون شكله خطياً والزاوية فيه $180^\circ$.

فكر: رتّب الأفلاك المهجنة ($sp^3$, $sp^2$, $sp$) حسب نسبة خواص ⁦s⁩ فيها وما علاقة ذلك بقوة تداخل الفلك؟

تمرين (11): هل تنطبق قاعدة الثمانية على الجزيء $\mathrm{BF_{3}}$؟

كيف تفسّر النشاط الكيميائي للجزيء $\mathrm{BF_{3}}$ وميله لكسب الإلكترونات عند المشاركة مع مادة غنية بها؟

تمرين (12): استخدم الأفلاك المهجنة في تفسير الروابط المتكونة في جزيء $\mathrm{N_{2}F_{2}}$.

أين نستخدم العناصر الانتقالية؟

• في أجسام الكائنات الحية: للعديد من العناصر الانتقالية أهمية كبيرة.
• الحديد: يدخل في تركيب هيموغلوبين الدم الذي يكسبه اللون الأحمر، وله الدور في نقل الأكسجين من الرئتين إلى خلايا الجسم.
• الكوبلت ⁦Co⁩: يدخل في تركيب فيتامين ⁦B12⁩، ونقصه يسبب انخفاض عدد كريات الدم البيضاء والصفائح الدموية.
• الفنادوم ⁦V⁩: يساعد على نقل السكر من الدم إلى داخل الخلية ويعزز تأثير الأنسولين.
• التيتانيوم ⁦Ti⁩: يدخل في عمليات الزرع في الجسم مثل زرع المفاصل والأسنان.

• في الصناعة: يعتبر الحديد وسبائكه أكثر المواد المعدنية استخداماً للأغراض الهندسية.
• النحاس ⁦Cu⁩: يدخل في صناعة أسلاك وكوابل الكهرباء، ويستعمل في عمليات التسخين والتبريد لنقل الحرارة.
• الخارصين ⁦Zn⁩: يستعمل في غلفنة الحديد، وصناعة البطاريات الجافة، وصناعة سبائك مختلفة.
• التيتانيوم: يستخدم في هياكل الطائرات والمدرعات والسفن البحرية والسفن الفضائية والصواريخ.
• السبائك: تدخل الحديد والكروم والكوبلت والنحاس والنيكل والخارصين في صناعة سبائك مختلفة.

• المركبات: تستخدم مركبات المنغنيز كصبغات ومواد ملونة في صناعة الزجاج والصناعات الخزفية.
• ويستخدم أكسيد التيتانيوم ⁦(IV)⁩ في صناعة الطلاء والورق ومعجون الأسنان.
• وتدخل مركبات الكروم في تلوين الزجاج وفي صناعة الطلاء والدهان المستخدم في الرسم والديكور.

• محفزات: تستخدم عناصر الدورة الرابعة كمحفزات للعديد من التفاعلات الكيميائية والعمليات الحيوية.
• فيستخدم النيكل عاملاً مساعداً في تكرير النفط وهدرجة الزيوت.
• ويستخدم الحديد محفزاً لتفاعل الهيدروجين والنيتروجين لتكوين الأمونيا.