¶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:
- عند اقتراب ذرتين من بعضهما فإن الأفلاك الذرية لغلافي تكافؤ الذرتين تتداخل.
- تصبح إلكترونات الأفلاك المتداخلة منجذبة نحو نواتي الذرتين في الوقت نفسه.
- تزداد الكثافة الإلكترونية في منطقة تداخل الأفلاك بين الذرتين.
- فتتكون رابطة تساهمية بينهما.
- مما يؤدي إلى اقتراب النواتين من بعضهما وانخفاض طاقتهما.
الكثافة الإلكترونية:
منطقة بين الذرتين يتركز فيها وجود الإلكترونات الرابطة.
تذكر:
أنواع التداخل في الأفلاك البسيطة:
تداخل فلكي s لذرتي الهيدروجين في الجزيء H2:
تداخل فلك
تداخل فلك مع فلك آخر.
هل يمكن أن يحدث نوعان من التداخل في الأفلاك لنفس الجزيء؟
تداخل أفلاك p في جزيء O2
أتحقق: أحدد عدد الروابط سيجما وباي في كل من جزيء النيتروجين ()، وجزيء الأكسجين ().
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؟
مفهوم الأفلاك المهجنة (التهجين)
- هي أفلاك تنشأ نتيجة حدوث اندماج بين أفلاك التكافؤ في الذرة نفسها.
- لينتج أفلاك جديدة تختلف عن الأفلاك الذرية في الشكل والطاقة.
- تشارك في تكوين روابط من النوع سيغما.
مقارنة طاقة الأفلاك المهجّنة وشكلها بطاقة الأفلاك الذرية وشكلها
التهجين sp3
وينتج من تشارك فلك s مع 3 أفلاك من p
يمكن تفسير الروابط في جزيء الماء كما في التالي:
- نلاحظ أن عدد الإلكترونات المنفردة في ذرة الأكسجين يطابق عدد الروابط التي تكونها مع الهيدروجين.
- غير أن الزاوية بين الرابطتين في جزيء الماء تبلغ 104.5 وهي أكبر من الزاوية 90
- 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
- نلاحظ أن عدد الإلكترونات المنفردة في ذرة النيتروجين يطابق عدد الروابط التي تكونها مع الهيدروجين.
- غير أن الزاوية بين الرابطتين في جزيء الماء تبلغ 107 وهي أكبر من الزاوية 90
- 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.
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؟
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.
سؤال أفكر: ما الأفلاكُ التي تستخدمُها ذرّةُ السيليكون في تكوين الروابط معَ ذرّة الكلور في الجزيء SiCl4؟
sp3
سؤال أفكر: ما التهجينُ المتوقّع لذرّة الفسفور في الجزيء (PCl3)؟
sp3
أتحقق: ما نوع التهجين في الذرات المركزية لكل من الجزيئات ؟ ما الشكل الفراغي لكل من هذه الجزيئات؟
نوع التهجين في كلا الجزيئين : sp3.
الشكل الفراغي للجزيء OF2 : منحني .
الشكل الفراغي للجزيء NF3 : هرم ثلاثي.
التهجين sp2
وينتج من تشارك فلك s مع فلكين من p
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؟
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.
التهجين sp
وينتج من تشارك فلك s مع فلك من p
أتحقق: ما نوع الأفلاك المُهجنة التي تستخدمها الذرات المركزية في كل من الجزيئات ؟
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؟
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؟
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. 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)
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)
قطبية روابطه لا تلغي بعضها البعض؛ بسبب شكله الفراغي المنحني وبالتالي المحصلة ≠ صفر
أثر أزواج الإلكترونات غير الرابطة في قطبية الجزيء
وهذا يفسر العزم القطبي لجزيء NH3 أكبر من العزم القطبي جزيء NF3.
أتحقق: أي الجزيئات الآتية له عزم قطبي:
قطبي
قطبي
غير قطبي
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.