أشكال الجزيئات

يقوم درس أشكال الجزيئات على تحديد الفراغ الذي يشغله الجزيء بناء على نموذج التنافر بين أزواج إلكترونات التكافؤ المسمى VSEPR، والذي يفترض أن أزواج الإلكترونات المحيطة بالذرة المركزية تبتعد عن بعضها بأكبر درجة ممكنة لتقليل التنافر. يعتمد شكل الجزيء وزاويته على عدد أزواج الإلكترونات الرابطة وغير الرابطة. كما يدخل التهجين كعملية دمج للمستويات الذرية لتكون مستويات مهجنة جديدة متماثلة تفسر الروابط المتساوية وتحدد الزوايا والشكل الفراغي. فمثلاً في جزيء الميثان $CH_{4}$ تتداخل مستويات sp^3 لتكون شكلاً رباعي الأوجه منتظماً بزاوية رابطة مقدارها 109.5 درجة.

الفكرة الأساسية

تتحدد أشكال الجزيئات بناء على نموذج التنافر بين أزواج إلكترونات التكافؤ VSEPR، حيث تبتعد أزواج الإلكترونات الرابطة وغير الرابطة المحيطة بالذرة المركزية عن بعضها إلى أقصى درجة ممكنة لتقليل التنافر بينها، مما يعطي الجزيء شكلاً فراغياً محدداً وزاوية رابطة ثابتة. وتحتوي الذرات أيضاً على عملية تهجين تدمج المستويات الذرية المختلفة لتنتج مستويات مهجنة جديدة متماثلة تفسر تكوين الروابط واتجاهاتها.

الشرح

عند دراسة أي جزيء، نبدأ بنموذج VSEPR الذي يعتمد على فكرة أن مناطق الكثافة الإلكترونية تتنافر فيما بينها لأنها تحمل شحنات متشابهة. تخيل بالونات منتفخة مربوطة معاً، فإنها تتخذ شكلاً يقلل من التصادم بينها؛ وكذلك تفعل أزواج الإلكترونات حول الذرة المركزية. إذا كان الجزيء يحتوي على زوجين من الإلكترونات الرابطة فقط ولا توجد أزواج غير رابطة مثل BeCl_2، فإنها تبتعد على أبعاد متساوية لتصبح زاوية الرابطة 180 درجة ويكون الشكل خطياً. أما إن وُجدت أزواج غير رابطة، فإنها تحتل مساحات أكبر وتولد قوة تنافر أكبر تضغط على أزواج الرابط وتقلل الزاوية، مثل جزيء الماء $H_{2O}$ الذي يحتوي على زوجين غير رابطين وزوجين رابطين، فتصبح الزاوية 104.5 درجة ويكون الشكل منحنياً. ولتفسير تكوين الروابط في الذرات، تحدث عملية التهجين وهي دمج شيئين معا ليصبح للشيء الهجين خواص كلا الشيئين، مثل دمج مستوى s مع مستويات p لتكوين مستويات مهجنة مثل sp أو sp^2 أو sp^3.

مثال محلول خطوة بخطوة

ما شكل الجزيء لثلاثي هيدرید الفوسفور $PH_{3}$؟ حدد مقدار زاوية الرابطة والمستويات المهجنة فيه.

• الخطوة 1: تحليل المسألة. نعلم من المعطيات أن الجزيء يتكون من ذرة فوسفور مركزية و3 ذرات هيدروجين جانبية.
• الخطوة 2: حساب المطلوب. نحسب العدد الكلي لأزواج الإلكترونات باتباع الآتي: الفسفور لديه 5 إلكترونات تكافؤ، وكل هيدروجين لديه إلكترون تكافؤ واحد. الإجمالي هو 5 + (3 ضرب 1) = 8 إلكترونات تكافؤ، ونقسمها على 2 لنحصل على 4 أزواج إلكترونات إجمالية. نرسم تركيب لويس بحيث نضع الفسفور في المركز وحوله 3 روابط هيدروجينية وزوج حر واحد غير رابط على ذرة الفوسفور.
• الخطوة 3: تقویم الإجابة. نظراً لوجود 3 أزواج رابطة وزوج غير رابط واحد من أصل 4 أزواج، يؤدي الزوج غير الرابط إلى تنافر أكبر يضغط على روابط الهيدروجين، فيكون الشكل الفراغي مثلثاً هرمياً وزاوية الرابطة 107.3 درجة، ونوع التهجين هو sp^3.

أخطاء شائعة

• الاعتقاد بأن أزواج الإلكترونات غير الرابطة لا تأخذ حيزاً إضافياً في الفراغ، بينما في الواقع تؤثر بقوة تنافر أكبر وتضغط على زوايا الرابطة لتجعلها أصغر مقارنة بالأزواج الرابطة.
• الخلط بين العدد الكلي لأزواج الإلكترونات وبين عدد أزواج الرابطة فقط عند تحديد الشكل الفراغي وزاوية الرابطة.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

• السؤال الأول: ما شكل الجزيء ومقدار زاوية الرابطة ونوع التهجين لجزيء رباعي فلوريد الكربون $CF_{4}$؟
• الإجابة: الشكل رباعي الأوجه منتظم، وزاوية الرابطة 109.5 درجة، ونوع التهجين sp^3.
• السؤال الثاني: ما شكل الجزيء ومقدار زاوية الرابطة ونوع التهجين لجزيء ثنائي فلوريد البريليوم BeCl_2؟
• الإجابة: الشكل خطي، وزاوية الرابطة 180 درجة، ونوع التهجين sp.