الكيمياء فصل أول

الحادي عشر خطة جديدة

icon

¶نظريّة رابطة التكافؤ Valence Bond Theory

"تمكَنَا هذه النظرية من معرفة كيف تتوزع إلكترونات الرابطة بين أغلفة التكافؤ للذرتين المكونتين للرابطة" 

حيث:
تصف كيفية تكوّن الروابط بين الذرات بطريقة تداخل الأفلاك الذرية .
وهذا ما لم تفسره نظرية تنافر أزواج إلكترونات غلاف التكافؤ التي تمكنت من التنبؤ بأشكال الجزيئات.

 

* تبحث نظرية رابطة التكافؤ:

1- مفهوم تداخل الأفلاك البسيطة.           2- مفهوم الأفلاك المهجنة (التهجين).

تنص نظرية رابطة التكافؤ:

  1. عند اقتراب ذرتين من بعضهما فإن الأفلاك الذرية لغلافي تكافؤ الذرتين تتداخل.
  2. تصبح إلكترونات الأفلاك المتداخلة منجذبة نحو نواتي الذرتين في الوقت نفسه.
  3. تزداد الكثافة الإلكترونية في منطقة تداخل الأفلاك بين الذرتين.
  4. فتتكون رابطة تساهمية بينهما.
  5. مما يؤدي إلى اقتراب النواتين من بعضهما وانخفاض طاقتهما.

الكثافة الإلكترونية:

منطقة بين الذرتين يتركز فيها وجود الإلكترونات الرابطة.

تذكر:

فلك s وفلك p

أنواع التداخل في الأفلاك البسيطة:

أنواع التداخل في الأفلاك البسيطة


تداخل فلكي s لذرتي الهيدروجين في الجزيء H2:

تداخل فلكي s لذرتي الهيدروجين في الجزيء H2

 

توضيح الكثافة الإلكترونية تداخل فلكي s لذرتي الهيدروجين في الجزيء H2


تداخل فلك S     P

تداخل فلك s في الهيدروجين مع فلك p في الكلور

  تداخل فلك s في الهيدروجين مع فلك p في الكلور والكثافة الإلكترونية 

توضيح تداخل الافلاك s لذرة الهيدروجين  وفلك p في الكلور والكثافة الإلكترونية


تداخل فلك P مع فلك P آخر.

تداخل أفلاك p في ذرتي الكلور

تداخل أفلاك p في ذرتي الكلور والكثافة الإلكترونية

تداخل أفلاك p في ذرتي الكلور والكثافة الإلكترونية والرابطة التساهمية

هل يمكن أن يحدث نوعان من التداخل في الأفلاك لنفس الجزيء؟

تداخل أفلاك p في جزيء O2

تداخل أفلاك p في جزيء O2

 


أتحقق: أحدد عدد الروابط سيجما σ وباي π في كل من جزيء النيتروجين (N2)، وجزيء الأكسجين (O2).

عدد الروابط سيجما وباي
جزيء النيتروجين : عدد روابط سيجما (1) , عدد روابط باي (2) . 
جزيء الاكسجين : عدد روابط سيجما (1) ، عدد روابط باي (1) .


مفهوم تداخل الأفلاك البسيطة.

حيث بيّنا كيف ساهم هذا المفهوم في تفسير تكوّن الروابط التساهمية لبعض المركبات التساهمية.

مثل: O = O          N ≡ N       H – Cl       Cl – Cl      H – H

 

السؤال هنا:

هل يستطيع مفهوم تداخل الأفلاك البسيطة تفسير تكوّن الروابط التساهمية لكل الجزيئات والمركبات التساهمية؟
أم يقتصر تفسيره على بعض المركبات البسيطة؟
فمثلًا: هل يستطيع مفهوم تداخل الأفلاك البسيطة تفسير تكوّن الروابط التساهمية بين ذرة الكربون C وذرة الهيدروجين H؟

 

نظرية تداخل الأفلاك البسيطة

نظرية التنافر

مفهوم الأفلاك المهجنة (التهجين)

  1. هي أفلاك تنشأ نتيجة حدوث اندماج بين أفلاك التكافؤ في الذرة نفسها.
  2. لينتج أفلاك جديدة تختلف عن الأفلاك الذرية في الشكل والطاقة.
  3. تشارك في تكوين روابط من النوع سيغما.

 

مقارنة طاقة الأفلاك المهجّنة وشكلها بطاقة الأفلاك الذرية وشكلها 

مقارنة طاقة الأفلاك المهجّنة وشكلها بطاقة الأفلاك الذرية وشكلها 


yes التهجين sp3

وينتج من تشارك فلك s مع 3 أفلاك من p

توزيع الإلكترونات في أفلاك ذرة الكربون قبل التهجين وبعده.

تهجين sp3

يمكن تفسير الروابط في جزيء الماء كما في التالي:

تهجين ذرة الأكسجين

  1. نلاحظ أن عدد الإلكترونات المنفردة في ذرة الأكسجين يطابق عدد الروابط التي تكونها مع الهيدروجين.
  2. غير أن الزاوية بين الرابطتين في جزيء الماء تبلغ 104.5 وهي أكبر من الزاوية 90
  3. وهي أيضا أقرب ما يكون إلى الزاوية 109.5 والمرتبطة بالتهجين sp3.

وهذا يفسر بحدوث تهجين من نوع sp3 في ذرة الأكسجين.

 

♦ على الرغم من أن التهجين في الماء sp3 إلا أن الزوايا بين الروابط 104.5 فكيف تفسر ذلك ؟
وجود زوجين من الإلكترونات غير الرابطة حول ذرة الأكسجين يخضعان لجذب نواة ذرة الأكسجين فقط وهما يشغلان حيزًا حول النواة أكبر من الذي تحتله إلكترونات الرابطة التي تخضع لجذب نواتي الأكسجين والهيدروجين المكونتين للرابطة، وبذلك تتنافر مع أزواج إلكترونات الروابط، مسببة انخفاضًا قليلًا عن مقدار الزاوية 109.5 والمرتبطة بالتهجين sp3


كما نلاحظ أن الشكل الفراغي لجزيء الماء يشتق من شكل رباعي الأوجه المنتظم ليكون شكلًا منحنيًا.
ومن خلال التهجين sp3

ويمكن أيضًا تفسير الروابط في جزيء الأمونيا NH3

تهجين الأمونيا

 

  1. نلاحظ أن عدد الإلكترونات المنفردة في ذرة النيتروجين يطابق عدد الروابط التي تكونها مع الهيدروجين.
  2. غير أن الزاوية بين الرابطتين في جزيء الماء تبلغ 107 وهي أكبر من الزاوية 90
  3. وهي أيضا أقرب ما يكون إلى الزاوية 109.5 والمرتبطة بالتهجين sp3.

وهذا يفسر بحدوث تهجين من نوع sp3 في ذرة الأمونيا.

 

♦ على الرغم من أن التهجين في الأمونيا sp3 إلى أن الزوايا بين الروابط 107.5. فكيف يمكن تفسير ذلك ؟

وجود زوج من الإلكترونات غير الرابطة حول ذرة النيتروجين يخضع لجذب نواة ذرة النيتروجين فقط وهو يشغل حيزًا حول النواة أكبر من الذي تحتله إلكترونات الرابطة التي تخضع لجذب نواتي النيتروجين والهيدروجين المكونتين للرابطة، وبذلك يتنافر مع أزواج إلكترونات الروابط، مسببًا انخفاضًا قليلًا عن مقدار الزاوية 109.5 والمرتبطة بالتهجين sp3.

الشكل الفراغي لجزيء الأمونيا هو شكل هرم ثلاثي

كما نلاحظ أن الشكل الفراغي لجزيء الأمونيا هو شكل هرم ثلاثي، حيث تتوزع ذرات الهيدروجين على رؤوس هذا الهرم.


كمثال آخر: هل يستطيع مفهوم تداخل الأفلاك البسيطة تفسير تكوّن الروابط التساهمية بين ذرة البورون B وذرة الفلور F؟

 الروابط التساهمية بين ذرة البورون B وذرة الفلور F

حسب نظرية تداخل الأفلاك البسيطة فالأفلاك النصف ممتلئة هي الوحيدة القادرة على تكوين روابط تساهمية.

غير ممكن لأنه حسب نظرية تنافر أزواج الإلكترونات فإن ذرة B المركزية تحتاج إلى 3 أفلاك نصف ممتلئة.


cool سؤال أفكر: ما الأفلاكُ التي تستخدمُها ذرّةُ السيليكون في تكوين الروابط معَ ذرّة الكلور في الجزيء SiCl4؟

sp3

cool سؤال أفكر: ما التهجينُ المتوقّع لذرّة الفسفور في الجزيء (PCl3

sp3
 

أتحقق: ما نوع التهجين في الذرات المركزية لكل من الجزيئات (OF2 , NF3) ؟ ما الشكل الفراغي لكل من هذه الجزيئات؟

نوع التهجين  في كلا الجزيئين : sp3
الشكل الفراغي للجزيء OF2 : منحني .
الشكل الفراغي للجزيء NF3 : هرم ثلاثي. 

 


yes التهجين sp2

وينتج من تشارك فلك s مع فلكين من p

تشارك فلك s مع فلكين من p

تهجين sp2

ولتحقق أقل تنافر بينها، تتخذ أفلاك sp2 شكل مثلث متساوي الأضلاع (مثلثا مسطحا).


وكمثال آخر أيضًا: هل يستطيع مفهوم تداخل الأفلاك البسيطة تفسير تكوّن الروابط التساهمية بين ذرة البيريليوم Be وذرة الهيدروجين H؟

تفسير تكوّن الروابط التساهمية بين ذرة البيريليوم Be وذرة الهيدروجين H

 

حسب نظرية تداخل الأفلاك البسيطة فالأفلاك النصف ممتلئة هي الوحيدة القادرة على تكوين روابط تساهمية.

غير ممكن لأنه حسب نظرية تنافر أزواج الإلكترونات فإن ذرة Be المركزية تحتاج إلى 2 أفلاك نصف الممتلئة.


yes التهجين sp

وينتج من تشارك فلك s مع فلك من p

تشارك فلك s مع فلك من p

تهجين sp


أتحقق: ما نوع الأفلاك المُهجنة التي تستخدمها الذرات المركزية في كل من الجزيئات BeCl2 , BH3 ؟

تهجين الذرة المركزية في جزيْ BeCl2 : sp
تهجين الذرة المركزية في جزيْ BH3  : sp2


الآن
سنحدد قدرة الذرتين التي تشاركت في تكوين الرابطة التساهمية على جذب إلكترونات الرابطة.
وسنكتشف علاقة السالبية الكهربائية للذرة بقدرة النواة على جذب الإلكترونات الرابطة.

فمثلًا: يكون انجذاب زوج الإلكترونات المشترك بين ذرتي الكلور Cl في الجزيء Cl2 متساويًا، فما تفسير ذلك؟ 

علاقة السالبية الكهربائية للذرة بقدرة النواة على جذب الإلكترونات الرابطة

ذلك يعني أن قدرة هاتين الذرتين على جذب إلكترونات الرابطة متساوية؛ بسبب تشابه الذرتين مما يعني أن لها السالبية الكهربائية نفسها.


ولكن: يكون انجذاب زوج الإلكترونات المشترك بين ذرة الكلور Cl و الهيدروجين H في الجزيء HCl نحو ذرة الكلور Cl، فما تفسير ذلك؟ 

قدرة ذرة الكلور على جذب إلكترونات الرابطة أكبر من قدرة ذرة الهيدروجين

ذلك يعني أن قدرة ذرة الكلور على جذب إلكترونات الرابطة أكبر من قدرة ذرة الهيدروجين والسبب في ذلك يعود إلى أن ذرة الكلور أكثر سالبية كهربائية من ذرة الهيدروجين.

كما نلاحظ أن للرابطة قطبين (قطب يحمل شحنة جزيئية موجبة) و (قطب يحمل شحنة  جزيئية سالبة) ؛ لذلك تسمى هذه الرابطة برابطة قطبية.
 

⦿ على ماذا تعتمد قطبية الرابطة؟
     من المثالين السابقين:

 

تعتمد قطبية الرابطة على الفرق في السالبية الكهربائية بين الذرتين المكونتين للرابطة

تعتمد قطبية الرابطة على الفرق في السالبية الكهربائية بين الذرتين المكونتين للرابطة. حيث تزداد القطبية بزيادة الفرق بالسالبية الكهربائية بين الذرتين.

وفق مقياس باولنج

"تكون الرابطة غير قطبية إذا قل فرق السالبية الكهربائية بين الذرتين عن 0.4"

وبسبب وجود الروابط القطبية في الجزيئات فإن هذه الجزيئات من الممكن أن تكون قطبية، أي أنها تمتلك عزمًا قطبيًا.

 

⦿ فماذا نقصد بالعزم القطبي؟

هو مقياس كمي لمدى توزع الشحنات في الجزيء ويعتمد على المسافة الفاصلة بين الشحنات على طرفي الجزيء.

ويقاس بوحدة الديباي (D)


* أما بالنسبة للجزيئات المتعددة الذرات

فإن وجود عزم قطبي إضافة لقطبية روابطه، يعتمد على الشكل الفراغي للجزيء التي نعاملها كقوى متجهة ذات مقدار واتجاه.

●إذا كانت محصلة العزوم القطبية للجزيء = صفر           

يكون الجزيء غير قطبي

●إذا كانت محصلة العزوم القطبية للجزيء ≠ صفر            

يكون الجزيء قطبي


مثال (1)

قطبية الروابط والجزيئات المتعددة الذرات

متعاكستان ولهما نفس المقدار، فتلغي بعضها البعض وبالتالي المحصلة = صفر

من المثال السابق نستنتج أن: قطبية الرابطة ليس شرطًا كافيًا ليكون الجزيء قطبي.


مثال (2)

الروابط القطبية في جزيء الماء

قطبية روابطه لا تلغي بعضها البعض؛ بسبب شكله الفراغي المنحني وبالتالي المحصلة ≠ صفر

الشكل الفراغي وقطبية الجزيئات

أثر أزواج الإلكترونات غير الرابطة في قطبية الجزيء        

أثر أزواج الإلكترونات غير الرابطة في قطبية الجزيء    

العزم القطبي لجزيء NH3 أكبر من العزم القطبي جزيء NF3.

وهذا يفسر العزم القطبي لجزيء NH3 أكبر من العزم القطبي جزيء NF3.


أتحقق: أي الجزيئات الآتية له عزم قطبي: CH3Cl , BCl3 , BeFCl , NH3

NH3 قطبي

BeFCl قطبي

BCl3 غير قطبي

CH3Cl قطبي


أتحقق: أفسر: العزم القطبي للجزيء NH3 أكبر من العزم القطبي للجزيء NF3.

لان اتجاه محصلة قطبية NH3 باتجاه العزم القطبي لزوج الالكترونات غيرالرابط ؛ مما يزيد من الروابط في قطبية الجزيء وعزمة القطبي ، بينما اتجاه محصلة NF3 بعكس اتجاه العزم القطبي لزوج الإلكترونات غير الرابط؛ مما يقلل العزم القطبي للجزيء.