قطبية الروابط والسالبية الكهربية: دليل كيمياء HSC

تكوّن ذرتان رابطة تساهمية من خلال مشاركة الإلكترونات. لكن كلمة «مشاركة» قد تكون مضللة. فإذا ارتبط الفلور بالهيدروجين، تكون الإلكترونات مشتركة، لكن الفلور يجذبها نحوه بدرجة أكبر بكثير. أما إذا ارتبطت ذرتا فلور معًا، فلا تكون لأي منهما أفضلية على الأخرى.

إذن، إليك السؤال المفيد: كيف يمكنك التنبؤ بما إذا كانت الرابطة تشارك الإلكترونات بالتساوي، أو بصورة غير متساوية قليلًا، أو بصورة شديدة التفاوت، اعتمادًا فقط على العناصر الداخلة فيها؟

قبل متابعة القراءة، قارن رابطة \(\ce{H-F}\) برابطة \(\ce{H-I}\). أيهما تتوقع أن يكون فيها توزيع الإلكترونات أقل تساويًا؟

إنها \(\ce{H-F}\). ويرجع السبب إلى موضعَي الفلور واليود في الجدول الدوري، وإلى خاصية تُسمى السالبية الكهربية.

01ابدأ بالمشاركة غير المتساوية

تخيّل الرابطة التساهمية كشخصين يتشاركان بطانية واحدة. إذا شدّ كلاهما بالقوة نفسها تقريبًا، تظل البطانية متمركزة تقريبًا بينهما. أما إذا شدّ أحدهما بقوة أكبر بكثير، فسينتهي معظم البطانية إلى جانبه.

تمثل البطانية إلكترونات الرابطة. ويمثل شدّ كل شخص مدى انجذاب الذرة إلى تلك الإلكترونات.

هذه صورة ذهنية مفيدة، لكنها مجرد نموذج. فالإلكترونات ليست قطعًا من القماش تستقر في نقطة واحدة. تنطوي الرابطة على توزيع للكثافة الإلكترونية بين النواتين. و«شد البطانية» ليس سوى طريقة لتصوّر انجذاب إحدى الذرتين إلى تلك الكثافة الإلكترونية بقوة أكبر.

عندما تجذب ذرتان إلكترونات الرابطة بالقوة نفسها، أو بقوة متقاربة جدًا، تكون الرابطة غير قطبية أو ضعيفة القطبية جدًا.

وعندما تجذب إحدى الذرتين إلكترونات الرابطة بقوة أكبر، تنتقل الكثافة الإلكترونية باتجاه تلك الذرة. وتكون الرابطة قطبية.

على سبيل المثال، في \(\ce{H-Cl}\)، يجذب الكلور إلكترونات الرابطة بقوة أكبر من الهيدروجين. لذلك يكتسب الكلور شحنة سالبة جزئية، ويكتسب الهيدروجين شحنة موجبة جزئية:

\[ \ce{H^{\delta+}-Cl^{\delta-}} \]

يرمز الرمز \(\delta\)، ويُقرأ «دلتا»، إلى شحنة جزئية. لم يفقد الهيدروجين إلكترونًا بالكامل، ولم يكتسب الكلور إلكترونًا بالكامل. فما زالت الإلكترونات مشتركة.

وهذا التمييز مهم لأن قطبية الرابطة تقع على طيف متصل، وليست اختيارًا بين حالتين فقط هما «تساهمية تمامًا» و«أيونية تمامًا».

02يمنحك الجدول الدوري أول تنبؤ

الخاصية التي تتحكم في هذه المشاركة غير المتساوية هي السالبية الكهربية.

السالبية الكهربية هي قدرة الذرة على جذب الإلكترونات المشتركة في رابطة تساهمية.

لا تحتاج إلى حفظ السالبية الكهربية لكل عنصر حتى تتمكن من إجراء تنبؤات مفيدة. فالجدول الدوري يوضح لك الاتجاه الأساسي:

• تزداد السالبية الكهربية عمومًا من اليسار إلى اليمين عبر الدورة
• تقل السالبية الكهربية عمومًا كلما اتجهت إلى أسفل المجموعة
• يمتلك الفلور، الواقع قرب أعلى يمين الجدول الدوري، أعلى سالبية كهربية
• تمتلك الفلزات الموجودة إلى اليسار عمومًا سالبيات كهربية منخفضة، بينما تمتلك اللافلزات في الجزء العلوي الأيمن عمومًا سالبيات كهربية أعلى

لماذا يحدث ذلك؟

عبر الدورة، يزداد عدد البروتونات في النواة، بينما تدخل الإلكترونات المضافة إلى غلاف الإلكترونات الرئيسي نفسه. ولذلك تميل النواة إلى جذب إلكترونات الرابطة بقوة أكبر.

وعند النزول في المجموعة، تكتسب الذرات أغلفة إلكترونية مشغولة إضافية. وتصبح إلكترونات الرابطة أبعد عن النواة وتتعرّض لحجب أكبر من الإلكترونات الداخلية، لذلك تجذب الذرة الإلكترونات المشتركة بقوة أقل عمومًا.

وهذا يعطينا قاعدة تنبؤ مفيدة:

كلما زاد الفرق في السالبية الكهربية بين ذرتين مرتبطتين، زاد ميل إلكترونات الرابطة إلى أن تكون مشتركة بصورة غير متساوية.

والآن عُد إلى \(\ce{H-F}\) و\(\ce{H-I}\). يقع الفلور أعلى بكثير من اليود في المجموعة 17، لذلك فإن الفلور أعلى سالبية كهربية. وهذا يجعل فرق السالبية الكهربية في \(\ce{H-F}\) أكبر، ويجعل رابطة \(\ce{H-F}\) أكثر قطبية.

03قياس الفرق

تُمثَّل السالبية الكهربية عادةً بالرمز \(\chi\)، وهو الحرف اليوناني «كاي».

بالنسبة إلى الذرتين A وB، يكون فرق السالبية الكهربية هو

\[ \Delta \chi = |\chi_{\mathrm{A}}-\chi_{\mathrm{B}}| \]

حيث:

• \(\Delta \chi\) هو فرق السالبية الكهربية
• \(\chi_{\mathrm{A}}\) هي السالبية الكهربية للذرة A
• \(\chi_{\mathrm{B}}\) هي السالبية الكهربية للذرة B

يعني الخطان الرأسيان أخذ القيمة المطلقة، ولذلك تكون \(\Delta \chi\) موجبة بغض النظر عن العنصر الذي تكتبه أولًا.

لنفترض أن للذرة A سالبية كهربية مقدارها \(3.0\)، بينما للذرة B سالبية كهربية مقدارها \(2.0\).

إذن

\[ \Delta \chi = |3.0-2.0|=1.0 \]

تجذب الذرة A إلكترونات الرابطة بقوة أكبر، لذلك تصبح A سالبة جزئيًا وتصبح B موجبة جزئيًا.

طيف متصل، لا ثلاثة صناديق منفصلة

قد ترى أحيانًا الروابط مقسمة إلى فئات مثل التساهمية غير القطبية، والتساهمية القطبية، والأيونية. هذه الفئات مفيدة، لكن الحدود بينها ليست قوانين طبيعية.

والنموذج الذهني الأفضل هو طيف متصل:

كلما ازدادت \(\Delta \chi\)، تطور في الرابطة عمومًا فصل أكبر للشحنات.

تضع بعض الكتب الدراسية حدودًا عددية دقيقة لهذه الفئات. تعامل مع هذه الأرقام على أنها إرشادات، لا قواعد عامة مطلقة. فقيمة \(1.69\) لا تنتج نوعًا من الروابط مختلفًا بصورة جوهرية عن قيمة \(1.71\).

تتغير الكيمياء تدريجيًا.

04موضع كلا طرفَي الرابطة مهم

قد يكون من المغري التركيز فقط على تحديد العنصر الأعلى سالبية كهربية. لكن عند دراسة قطبية الرابطة، تحتاج إلى معرفة الفرق بين العنصرين.

تأمل الروابط الثلاث الآتية:

• \(\ce{C-F}\)
• \(\ce{Si-F}\)
• \(\ce{Si-Cl}\)

قد تلاحظ فورًا أن الفلور شديد السالبية الكهربية. وهذا صحيح. لكن السيليكون أقل سالبية كهربية أيضًا من الكربون، ولذلك فإن تغيير الذرة عند الطرف الآخر من الرابطة مهم أيضًا.

05التنبؤ بالقطبية من دون إعطائك قيمًا عددية

في كثير من الأسئلة، يمكنك الاستدلال من مواضع العناصر في الجدول الدوري قبل الرجوع إلى قيم السالبية الكهربية.

لنفترض أنك تحتاج إلى مقارنة \(\ce{C-Cl}\) و\(\ce{Si-Cl}\).

يقع الكربون والسيليكون في المجموعة نفسها، ويقع الكربون فوق السيليكون. تقل السالبية الكهربية عند النزول في المجموعة، ولذلك يكون الكربون أعلى سالبية كهربية من السيليكون.

وهذا يعني أن سالبية الكربون الكهربية أقرب إلى سالبية الكلور الكهربية من سالبية السيليكون.

لذلك ستتنبأ بأن:

\[ \Delta \chi_{\ce{Si-Cl}}>\Delta \chi_{\ce{C-Cl}} \]

ومن ثم ينبغي أن تكون \(\ce{Si-Cl}\) أكثر قطبية.

وهذا يعطينا طريقة عملية.

1. حدّد موضع العنصرين في الجدول الدوري.
2. حدّد أي الذرتين يُفترض أن تكون أعلى سالبية كهربية.
3. فكّر في مقدار الفرق المحتمل بين سالبيتيهما الكهربيتين.
4. إذا أُعطيت قيم عددية، فاحسب \(\Delta \chi\).
5. تحصل الذرة الأعلى سالبية كهربية على \(\delta-\)، بينما تحصل الذرة الأقل سالبية كهربية على \(\delta+\).

الجزء المهم هو الخطوة 3. فمجرد قول «الفلور عالي السالبية الكهربية» لا يكفي. تعتمد القطبية على الفرق، لا على قيمة إحدى الذرتين وحدها.

06الفكرة الخاطئة المغرية: لا بد أن تكوّن العناصر المختلفة رابطة قطبية

إليك تنبؤًا يستحق التحقق منه. إذا كوّن عنصران مختلفان رابطة تساهمية، فهل يجب أن يجذب أحدهما الإلكترونات بقوة أكبر بصورة ملحوظة؟

لا.

خذ الفوسفور والهيدروجين. فقيم سالبيتهما الكهربية على مقياس باولنغ تقارب

\[ \chi_{\ce{P}}=2.19 \]

و

\[ \chi_{\ce{H}}=2.20 \]

إذن

\[ \Delta \chi=|2.20-2.19|=0.01 \]

هذا الفرق ضئيل جدًا.

لذلك تكون رابطة \(\ce{P-H}\) غير قطبية عمليًا وفق هذا المقياس، على الرغم من أن الفوسفور والهيدروجين عنصران مختلفان.

قارن ذلك برابطة بين ذرتين متماثلتين مثل \(\ce{Cl-Cl}\). فرق السالبية الكهربية فيها يساوي صفرًا تمامًا لأن الذرتين لهما السالبية الكهربية نفسها.

إذن هناك فكرتان مفيدتان ينبغي إبقاؤهما منفصلتين:

• الروابط بين الذرات المتماثلة غير قطبية لأن \(\Delta\chi=0\)
• الروابط بين الذرات المختلفة قد تظل شبه غير قطبية إذا كانت سالبياتها الكهربية متشابهة جدًا

اسم العنصر لا يحدد القطبية. الذي يحددها هو الفرق في قوة انجذابه لإلكترونات الرابطة.

07فكرة خاطئة أخرى: الرابطة القطبية تجعل الجزيء كله قطبيًا

ترتبط قطبية الرابطة بـ قطبية الجزيء، لكنهما ليسا السؤال نفسه.

تسأل الرابطة: «هل تتوزع الكثافة الإلكترونية بصورة غير متساوية بين هاتين الذرتين؟»

أما الجزيء فيسأل: «عندما تُجمع قطبيات جميع روابطه في ثلاثة أبعاد، هل يوجد توزيع إجمالي غير متساوٍ للشحنة؟»

على سبيل المثال، كل رابطة \(\ce{C=O}\) في \(\ce{CO2}\) قطبية. فالأكسجين أعلى سالبية كهربية من الكربون.

لكن \(\ce{CO2}\) خطي، وله قطبيتا رابطتين متماثلتان تتجهان في اتجاهين متعاكسين. فتتلاشى تأثيراتهما، ولذلك لا يمتلك الجزيء عزم ثنائي قطب دائمًا كليًا.

وعلى النقيض من ذلك، يحتوي الماء على روابط \(\ce{O-H}\) قطبية، ويعني شكله المنحني أن قطبيات هذه الروابط لا تتلاشى.

إذن، قطبية الرابطة هي أحد مكونات قطبية الجزيء. ويحدد الشكل الجزيئي كيفية اجتماع هذه المكونات.

ويصبح ذلك مهمًا عندما تنتقل إلى دراسة القوى بين الجزيئات وخواص مثل الذوبانية ودرجة الغليان.

08الأسئلة والحلول

السؤال 1

قيم السالبية الكهربية للنيتروجين والفوسفور والهيدروجين على مقياس باولنغ هي \(3.04\)، و\(2.19\)، و\(2.20\)، على الترتيب.

قارن قطبية رابطة \(\ce{N-H}\) بقطبية رابطة \(\ce{P-H}\). وحدد الذرة ذات الشحنة السالبة الجزئية في كل رابطة، إن وُجدت شحنة جزئية ذات معنى.

الحل 1

رابطة \(\ce{N-H}\) أكثر قطبية بكثير من رابطة \(\ce{P-H}\). يحمل النيتروجين شحنة سالبة جزئية في \(\ce{N-H}\)، بينما تكون رابطة \(\ce{P-H}\) غير قطبية عمليًا.

بالنسبة إلى \(\ce{N-H}\)،

\[ \Delta\chi =|3.04-2.20| =0.84 \]

النيتروجين أعلى سالبية كهربية، ولذلك تنتقل الكثافة الإلكترونية نحو النيتروجين:

\[ \ce{N^{\delta-}-H^{\delta+}} \]

بالنسبة إلى \(\ce{P-H}\)،

\[ \Delta\chi =|2.19-2.20| =0.01 \]

الفرق صغير للغاية، ولذلك لا توجد تقريبًا مشاركة غير متساوية.

المأزق هنا هو افتراض أن عنصرين مختلفين لا بد أن ينتجا تلقائيًا رابطة شديدة القطبية. ما يهم هو فرق السالبية الكهربية بينهما.

السؤال 2

يقع الأكسجين والكبريت في المجموعة 16. ويكوّن الكربون روابط مع كلا العنصرين.

باستخدام قيم السالبية الكهربية \(C=2.55\)، و\(O=3.44\)، و\(S=2.58\):

1. احسب فرق السالبية الكهربية لكل من \(\ce{C-O}\) و\(\ce{C-S}\)
2. حدّد أي الرابطتين أكثر قطبية
3. اشرح كيف تتفق النتيجة مع اتجاه الجدول الدوري

الحل 2

رابطة \(\ce{C-O}\) أكثر قطبية بدرجة كبيرة، بينما رابطة \(\ce{C-S}\) شبه غير قطبية.

بالنسبة إلى \(\ce{C-O}\)،

\[ \Delta\chi_{\ce{C-O}} =|3.44-2.55| =0.89 \]

بالنسبة إلى \(\ce{C-S}\)،

\[ \Delta\chi_{\ce{C-S}} =|2.58-2.55| =0.03 \]

لذلك،

\[ \Delta\chi_{\ce{C-O}}>\Delta\chi_{\ce{C-S}} \]

وبالتالي تكون \(\ce{C-O}\) أكثر قطبية.

في رابطة \(\ce{C-O}\)، يحمل الأكسجين شحنة سالبة جزئية لأنه أعلى سالبية كهربية:

\[ \ce{C^{\delta+}-O^{\delta-}} \]

للكربون والكبريت سالبيتان كهربيتان متطابقتان تقريبًا، ولذلك لا توجد إلا درجة ضئيلة جدًا من فصل الشحنات في رابطة \(\ce{C-S}\).

ويفسر الاتجاه الدوري السبب. يقع الأكسجين فوق الكبريت في المجموعة 16، وتنخفض السالبية الكهربية عمومًا عند النزول في المجموعة. ولذلك يجذب الأكسجين إلكترونات الرابطة بقوة أكبر بكثير من الكبريت.

السؤال 3

تأمل الروابط بين الكلور وثلاثة عناصر من الدورة 3: الصوديوم والمغنيسيوم والألومنيوم.

قيم سالبياتها الكهربية على مقياس باولنغ هي \(Na=0.93\)، و\(Mg=1.31\)، و\(Al=1.61\)، و\(Cl=3.16\).

رتّب تآثرات \(\ce{Na-Cl}\) و\(\ce{Mg-Cl}\) و\(\ce{Al-Cl}\) حسب تناقص فرق السالبية الكهربية. واشرح ما الذي يشير إليه ذلك بشأن طابعها الأيوني النسبي.

الحل 3

ترتيب فرق السالبية الكهربية تنازليًا هو \(\ce{Na-Cl > Mg-Cl > Al-Cl}\)، ولذلك يتنبأ نموذج السالبية الكهربية البسيط بتناقص الطابع الأيوني عبر هذا التسلسل.

بالنسبة إلى \(\ce{Na-Cl}\)،

\[ \Delta\chi =|3.16-0.93| =2.23 \]

بالنسبة إلى \(\ce{Mg-Cl}\)،

\[ \Delta\chi =|3.16-1.31| =1.85 \]

بالنسبة إلى \(\ce{Al-Cl}\)،

\[ \Delta\chi =|3.16-1.61| =1.55 \]

لذلك،

\[ \ce{Na-Cl > Mg-Cl > Al-Cl} \]

من حيث فرق السالبية الكهربية.

يتبع هذا الاتجاه الجدول الدوري. فعند الانتقال من الصوديوم إلى المغنيسيوم ثم إلى الألومنيوم عبر الدورة 3، تزداد السالبية الكهربية. وتظل سالبية الكلور الكهربية ثابتة، ولذلك يصبح الفرق بين الكلور والعنصر الآخر أصغر تدريجيًا.

ويرتبط فرق السالبية الكهربية الأكبر عمومًا بفصل أكبر للشحنات وطابع أيوني أكبر.

المأزق هو التعامل مع «الأيوني» و«التساهمي» على أنهما صندوقان منفصلان تمامًا اعتمادًا فقط على حد عددي. فالترابط الفعلي وبنية المركب يعتمدان على عوامل تتجاوز \(\Delta\chi\)، لكن فرق السالبية الكهربية مفيد في التنبؤ بالاتجاه.

السؤال 4

يقدّم طالب الحجة الآتية:

الفلور هو العنصر الأعلى سالبية كهربية، ولذلك لا بد أن تكون كل رابطة تحتوي على الفلور أكثر قطبية من كل رابطة تحتوي على الكلور.

اختبر هذا الادعاء باستخدام \(\ce{F-F}\) و\(\ce{Na-Cl}\). استخدم \(F=3.98\)، و\(Na=0.93\)، و\(Cl=3.16\).

الحل 4

الادعاء خاطئ. تعتمد قطبية الرابطة على الفرق بين الذرتين المرتبطتين، لا على ما إذا كانت إحدى الذرتين ذات سالبية كهربية مرتفعة بمفردها.

بالنسبة إلى \(\ce{F-F}\)، لكلتا الذرتين السالبية الكهربية نفسها:

\[ \Delta\chi_{\ce{F-F}} =|3.98-3.98| =0 \]

الرابطة غير قطبية.

بالنسبة إلى \(\ce{Na-Cl}\)،

\[ \Delta\chi_{\ce{Na-Cl}} =|3.16-0.93| =2.23 \]

لهذا التآثر فرق كبير جدًا في السالبية الكهربية وفصل ملحوظ للشحنات.

لذلك، تمتلك \(\ce{Na-Cl}\) قطبية أو طابعًا أيونيًا أكبر بكثير من \(\ce{F-F}\)، على الرغم من أن الفلور نفسه أعلى سالبية كهربية من الكلور.

خطأ الطالب هو النظر إلى طرف واحد فقط من الرابطة. تخبرك السالبية الكهربية بمدى قوة انجذاب الذرة إلى إلكترونات الرابطة. أما قطبية الرابطة فتقارن بين قوتَي التجاذب المتنافستين لكلتا الذرتين.

السؤال 5

أُعطي طالب رابطتين تساهميتين مجهولتين، X-Y وM-N. ولكلا الزوجين فرق السالبية الكهربية المحسوب نفسه.

ويستنتج الطالب:

لا بد أن يكون للرابطتين التوزيع نفسه تمامًا للكثافة الإلكترونية وعزم ثنائي القطب نفسه تمامًا.

هل هذا الاستنتاج مبرر؟ اشرح ما الذي يمكن لفرق السالبية الكهربية أن يخبرك به وما الذي لا يمكنه أن يخبرك به.

الحل 5

لا. يشير فرق السالبية الكهربية المتساوي إلى ميل متشابه نحو المشاركة غير المتساوية، لكنه لا يضمن تطابق توزيع الإلكترونات أو عزم ثنائي القطب.

السالبية الكهربية نموذج يُستخدم لمقارنة مدى قوة جذب الذرات لإلكترونات الرابطة. وإذا كانت رابطتان تمتلكان قيمة \(\Delta\chi\) نفسها، فإن النموذج يعطينا سببًا لتوقع درجة متشابهة من القطبية.

ومع ذلك، فإن \(\Delta\chi\) ليست قياسًا مباشرًا للشحنة الجزئية. فالتوزيع الفعلي للإلكترونات يعتمد على الذرات المعنية وبيئة الترابط الخاصة بها.

كما يعتمد عزم ثنائي القطب للرابطة على مقدار الشحنة المفصولة وعلى المسافة التي تفصل بينها. ولا يلزم أن تكون لرابطتين مختلفتين أطوال روابط متطابقة أو شحنات جزئية متطابقة لمجرد أن فروق السالبية الكهربية المدرجة لهما متساوية.

لذلك يقتصر الاستنتاج المبرر على الآتي:

تشير قيم \(\Delta\chi\) المتساوية إلى قطبية متشابهة، لكنها لا تثبت أن رابطتين مختلفتين متطابقتان فيزيائيًا.

المأزق هو تحويل نموذج تنبؤ مفيد إلى قانون دقيق.

09ما الذي تتيح لك قطبية الرابطة فهمه بعد ذلك

تمنحك قطبية الرابطة الجزء الأول من سلسلة أوسع من الاستدلال.

بمجرد أن تعرف أي الروابط قطبية، يمكنك دمج اتجاهاتها مع الشكل الجزيئي لتحديد ما إذا كانت قطبيات الروابط تعزز بعضها أم تتلاشى. وهذا يحدد قطبية الجزيء.

ومن هناك، يمكنك إجراء تنبؤات أفضل بشأن القوى بين الجزيئات، والذوبانية، ودرجات الغليان، وكيفية تصرف المواد مع الماء والمذيبات الأخرى.

والتسلسل المفيد هو:

\[ \text{الموضع في الجدول الدوري} \rightarrow \text{السالبية الكهربية} \rightarrow \Delta\chi \rightarrow \text{قطبية الرابطة} \rightarrow \text{قطبية الجزيء} \rightarrow \text{السلوك بين الجزيئات} \]

لذلك، عندما ترى عنصرين مرتبطين، لا تبدأ بالسؤال: «هل هذه الرابطة أيونية أم تساهمية؟»

ابدأ بالسؤال الأكثر فائدة: أي الذرتين تجذب الإلكترونات المشتركة بقوة أكبر، وما مقدار هذا الفرق؟