أشكال الجزيئات: التنبؤ بالهندسة باستخدام نظرية VSEPR في كيمياء HSC
تعلّم كيفية التنبؤ بأشكال الجزيئات باستخدام مناطق الإلكترونات، وأزواج الترابط، والأزواج المنفردة، ونظرية VSEPR. يتضمن أمثلة محلولة، ومفاهيم خاطئة شائعة، وتدريبات بأسلوب HSC.
ضع ثلاث ذرات معًا، وقد تتوقع أن تكوّن خطًا مستقيمًا. أحيانًا يحدث ذلك فعلًا. جزيء \(\ce{CO2}\) خطي. لكن \(\ce{H2O}\)، الذي يتكوّن أيضًا من ثلاث ذرات، منحني.
إذن، ما الذي يجعل جزيئًا ما مستقيمًا وآخر منحنيًا؟
قبل متابعة القراءة، حاول أن تتنبأ. إذا كانت ذرة الأكسجين في \(\ce{H2O}\) مرتبطة بذرتي هيدروجين، فما الذي يمكن أن يدفع رابطتي O-H بعيدًا عن ترتيب خطي مستقيم؟
العناصر المفقودة هي أزواج الإلكترونات المنفردة. فهي تشغل حيزًا حول ذرة الأكسجين رغم أننا لا نراها في الصيغة الجزيئية. ولكي نتنبأ بالشكل الجزيئي بصورة صحيحة، علينا أن نحسب جميع مناطق الكثافة الإلكترونية حول الذرة المركزية، وليس فقط الذرات المرتبطة بها.
هذه الفكرة هي أساس نظرية تنافر أزواج إلكترونات غلاف التكافؤ، أو VSEPR.
01الفكرة الأساسية: مناطق الإلكترونات تتباعد
تخيّل عدة بالونات مربوطة معًا عند نقطة واحدة. يدفع كل بالون البالونات الأخرى، لذلك ترتب نفسها بحيث تكون متباعدة قدر الإمكان.
تتصرف مناطق الإلكترونات حول الذرة بطريقة مشابهة تقريبًا. فالإلكترونات سالبة الشحنة، ولذلك تتنافر المناطق التي تحتوي على إلكترونات بعضها مع بعض. ويكون الترتيب الذي يُبقي هذه المناطق متباعدة إلى أقصى حد هو الأكثر استقرارًا عادةً.
هذه المقارنة ليست دقيقة تمامًا. فسحب الإلكترونات ليست بالونات صلبة، كما أن أشكالها وقوى التنافر بينها ليست كلها متماثلة. لكن النموذج يمنحنا تصورًا أوليًا مفيدًا:
ترتب مناطق الإلكترونات حول الذرة المركزية نفسها بحيث تقلل التنافر إلى أدنى حد.
يمكن أن تكون منطقة الإلكترونات:
- رابطة أحادية
- رابطة مزدوجة
- رابطة ثلاثية
- زوجًا منفردًا
وهناك قاعدة هنا يخطئ فيها كثير من الطلاب:
تظل الرابطة المزدوجة أو الثلاثية محسوبة على أنها منطقة إلكترونية واحدة.
فهي تحتوي على كثافة إلكترونية أكبر من الرابطة الأحادية، ولذلك قد يكون تنافرها أقوى إلى حد ما، لكنها تتجه في اتجاه عام واحد انطلاقًا من الذرة المركزية.
02ترتيب الإلكترونات يأتي قبل الشكل الجزيئي
افترض أن حول ذرة مركزية أربع مناطق إلكترونية.
تتوزع هذه المناطق الأربع في ترتيب إلكتروني رباعي السطوح، بزوايا مثالية تبلغ نحو \(109.5^\circ\).
لكن هناك تمييزًا مهمًا.
تصف هندسة مجالات الإلكترونات ترتيب جميع مناطق الإلكترونات، بما فيها الأزواج المنفردة.
أما الشكل الجزيئي فيصف مواقع الذرات فقط.
ولهذا يمكن لأربع مناطق إلكترونية أن تنتج عدة أشكال جزيئية مختلفة.
| مناطق الإلكترونات حول الذرة المركزية | مناطق الترابط | الأزواج المنفردة | هندسة مجالات الإلكترونات | الشكل الجزيئي |
|---|---|---|---|---|
| 2 | 2 | 0 | خطية | خطي |
| 3 | 3 | 0 | مثلثية مستوية | مثلثي مستوٍ |
| 3 | 2 | 1 | مثلثية مستوية | منحني |
| 4 | 4 | 0 | رباعية السطوح | رباعي السطوح |
| 4 | 3 | 1 | رباعية السطوح | هرمي ثلاثي |
| 4 | 2 | 2 | رباعية السطوح | منحني |
العمود الأخير هو عادةً ما يقصده السؤال عندما يطلب شكل الجزيء.
03لماذا تغيّر الأزواج المنفردة الشكل
لننظر إلى \(\ce{CH4}\)، والأمونيا \(\ce{NH3}\)، والماء \(\ce{H2O}\).
تحتوي الجزيئات الثلاثة جميعها على أربع مناطق إلكترونية حول ذرتها المركزية.
ومع ذلك، تختلف أشكالها.
الميثان: \(\ce{CH4}\)
يحتوي الكربون على أربع مناطق ترابط ولا توجد عليه أزواج منفردة.
وبما أن مناطق الإلكترونات الأربع كلها تحتوي على روابط، فإن الشكل الجزيئي يطابق هندسة مجالات الإلكترونات:
رباعي السطوح، بزوايا روابط تبلغ تقريبًا \(109.5^\circ\).
الأمونيا: \(\ce{NH3}\)
يحتوي النيتروجين على ثلاث مناطق ترابط N-H وزوج منفرد واحد.
لا تزال هناك أربع مناطق إلكترونية، ولذلك يكون ترتيب الإلكترونات الأساسي رباعي السطوح. لكن عند تسمية الشكل الجزيئي، نتجاهل الزوج المنفرد وننظر إلى مواقع الذرات فقط.
لذلك تكوّن ذرات الهيدروجين الثلاث شكلًا هرميًا ثلاثيًا.
تبلغ زاوية H-N-H نحو \(107^\circ\)، وهي أصغر قليلًا من الزاوية المثالية لرباعي السطوح.
لماذا؟
ينجذب الزوج المنفرد إلى نواة واحدة فقط بدلًا من أن يكون مشتركًا بين ذرتين مرتبطتين. ولذلك تنتشر سحابته الإلكترونية بدرجة أكبر حول الذرة المركزية وتنافر مناطق الترابط المجاورة بقوة أكبر.
والترتيب المفيد لقوى التنافر هو:
\[
\text{تنافر زوج منفرد-زوج منفرد} > \text{تنافر زوج منفرد-زوج رابط} > \text{تنافر زوج رابط-زوج رابط}
\]
لذلك يضغط الزوج المنفرد على النيتروجين روابط N-H لتقترب قليلًا من بعضها.
الماء: \(\ce{H2O}\)
يحتوي الأكسجين على منطقتي ترابط O-H وزوجين منفردين.
ومرة أخرى توجد أربع مناطق إلكترونية، ولذلك تكون هندسة مجالات الإلكترونات رباعية السطوح.
لكن منطقتين فقط من هذه المناطق تحتويان على ذرات. ولذلك يكون الشكل الجزيئي منحنيًا.
تبلغ زاوية H-O-H نحو \(104.5^\circ\)، وهي أصغر حتى من الزاوية في الأمونيا لأن هناك زوجين منفردين يسببان تنافرًا قويًا.
وهذا يعطينا نمطًا مفيدًا:
\[
\ce{CH4}: 109.5^\circ
\]
\[
\ce{NH3}: \text{نحو }107^\circ
\]
\[
\ce{H2O}: \text{نحو }104.5^\circ
\]
لم يتغير عدد مناطق الإلكترونات. الذي يتغير هو عدد المناطق التي تمثل أزواجًا منفردة.
04طريقة موثوقة للتنبؤ بالشكل
في معظم مسائل الشكل الجزيئي في HSC، اتبع هذا التسلسل.
الخطوة 1: حدّد الذرة المركزية
تكون الذرة المركزية عادةً هي الذرة المرتبطة بعدة ذرات أخرى. ولا يكون الهيدروجين أبدًا الذرة المركزية في الجزيئات التي نتناولها هنا، لأنه يكوّن رابطة واحدة فقط.
الخطوة 2: استخدم تركيب لويس
تحتاج إلى معرفة مواضع الروابط والأزواج المنفردة.
إذا لم يُعطَ تركيب لويس، فتذكر العملية الأساسية:
- احسب العدد الكلي لإلكترونات التكافؤ.
- صِل الذرات بروابط أحادية.
- أكمل أغلفة التكافؤ للذرات الخارجية حيثما كان ذلك مناسبًا.
- ضع الإلكترونات المتبقية على الذرة المركزية.
- كوّن روابط متعددة إذا لزم الأمر للحصول على تركيب لويس معقول.
قد تكون الشحنة الشكلية والرنين مهمين في التراكيب الأكثر تعقيدًا، لكن حساب الشكل يبدأ بمجرد معرفة مناطق الإلكترونات حول الذرة المركزية.
الخطوة 3: احسب مناطق الإلكترونات حول الذرة المركزية
احسب كلًا مما يلي على أنه منطقة واحدة:
- رابطة أحادية واحدة
- رابطة مزدوجة واحدة
- رابطة ثلاثية واحدة
- زوج منفرد واحد
على سبيل المثال، تحتوي ذرة الكربون في \(\ce{CO2}\) على رابطتين مزدوجتين:
\[
\ce{O=C=O}
\]
وهذا يعني وجود منطقتين إلكترونيتين، وليس أربعًا.
الخطوة 4: حدّد هندسة مجالات الإلكترونات
أهم الترتيبات هي:
| عدد مناطق الإلكترونات | هندسة مجالات الإلكترونات الأساسية | الزوايا المثالية |
|---|---|---|
| 2 | خطية | \(180^\circ\) |
| 3 | مثلثية مستوية | \(120^\circ\) |
| 4 | رباعية السطوح | \(109.5^\circ\) |
| 5 | ثنائية هرم ثلاثي | \(90^\circ\)، \(120^\circ\)، \(180^\circ\) |
| 6 | ثمانية السطوح | \(90^\circ\)، \(180^\circ\) |
الخطوة 5: تجاهل الأزواج المنفردة عند تسمية الشكل الجزيئي
لا تزل الأزواج المنفردة قبل تحديد ترتيب الإلكترونات. دعها تحدد الترتيب أولًا.
ثم تجاهلها عند تسمية الشكل الجزيئي.
هذا الترتيب مهم.
05مثال محلول: ما شكل الأمونيا؟
تنبأ بالشكل الجزيئي وزاوية رابطة H-N-H التقريبية في \(\ce{NH3}\).
الخطوة 1
يرتبط النيتروجين بذرات الهيدروجين الثلاث جميعها، ولذلك يكون النيتروجين هو الذرة المركزية.
الخطوة 2
لدى النيتروجين ثلاث روابط N-H وزوج منفرد واحد.
إذن:
\[
3\text{ مناطق ترابط} + 1\text{ زوج منفرد} = 4\text{ مناطق إلكترونية}
\]
الخطوة 3
تترتب أربع مناطق إلكترونية في شكل رباعي السطوح.
الخطوة 4
يشغل زوج منفرد أحد مواضع رباعي السطوح، وتبقى ثلاث ذرات هيدروجين مرتبطة.
إذن الشكل الجزيئي هو هرمي ثلاثي.
الخطوة 5
الزاوية المثالية لرباعي السطوح هي \(109.5^\circ\). ويتنافر الزوج المنفرد مع مناطق ترابط N-H بقوة أكبر من تنافر مناطق الترابط بعضها مع بعض، ولذلك تصبح زاوية H-N-H أصغر قليلًا.
الزاوية المرصودة تبلغ نحو:
\[
107^\circ
\]
إذن \(\ce{NH3}\) هرمي ثلاثي، بزوايا روابط تبلغ نحو \(107^\circ\).
06ثلاث مناطق إلكترونية: لماذا يختلف \(\ce{CO2}\) عن \(\ce{SO2}\)
قارن الآن بين جزيئين يحتويان على روابط مزدوجة.
ثاني أكسيد الكربون هو:
\[
\ce{O=C=O}
\]
تحتوي ذرة الكربون على منطقتين إلكترونيتين. وتتباعدان إلى أقصى حد ممكن، فتنتجان ترتيبًا بزاوية \(180^\circ\).
لذلك يكون \(\ce{CO2}\) خطيًا.
أما ثاني أكسيد الكبريت، \(\ce{SO2}\)، فهو مختلف. حول ذرة الكبريت المركزية توجد ثلاث مناطق إلكترونية رئيسية: منطقتا ترابط متجهتان نحو ذرتي الأكسجين، وزوج منفرد واحد.
تفضّل ثلاث مناطق ترتيبًا إلكترونيًا مثلثيًا مستويًا.
لكن أحد هذه المواضع يشغله زوج منفرد، ولذلك تكوّن الذرات جزيئًا منحنيًا.
قد ينظر الطالب إلى رابطتي S-O ويتنبأ بشكل خطي لأن هناك «شيئين مرتبطين». لكن هذا التنبؤ يتجاهل الزوج المنفرد. تعتمد VSEPR على مناطق الإلكترونات، وليس ببساطة على عدد الذرات المحيطة.
مثال محلول: تنبأ بشكل \(\ce{SO2}\)
تنبأ بهندسة مجالات الإلكترونات، والشكل الجزيئي، وزاوية O-S-O التقريبية في \(\ce{SO2}\).
الخطوة 1
الكبريت هو الذرة المركزية. ويعطي وصف مناسب بتركيب لويس منطقتي ترابط S-O وزوجًا منفردًا واحدًا حول الكبريت.
يُحسب كل اتجاه ترابط S-O على أنه منطقة واحدة، حتى عندما تُمثَّل الرابطة باستخدام رابطة مزدوجة في تركيب لويس.
لذلك:
\[
2\text{ منطقتا ترابط} + 1\text{ زوج منفرد} = 3\text{ مناطق إلكترونية}
\]
الخطوة 2
تعطي ثلاث مناطق إلكترونية ترتيبًا إلكترونيًا مثلثيًا مستويًا بفصل مثالي مقداره \(120^\circ\).
الخطوة 3
لا يحدد الشكل الجزيئي سوى ذرة الكبريت وذرتي الأكسجين.
لذلك يكون الجزيء منحنيًا.
الخطوة 4
يشغل الزوج المنفرد حيزًا أكبر حول الكبريت من منطقة الترابط. ولذلك يدفع منطقتي ترابط S-O لتقتربا من بعضهما.
لذلك:
\[
\angle\ce{OSO} < 120^\circ
\]
الاستدلال المهم في HSC ليس حفظ قيمة عشرية معينة للزاوية، بل تفسير سبب كون الزاوية أقل من \(120^\circ\).
07ماذا يحدث عند وجود خمس أو ست مناطق إلكترونية؟
تستمر فكرة التنافر نفسها عند تجاوز أربع مناطق.
خمس مناطق
تكوّن خمس مناطق إلكترونية ترتيبًا ثنائي هرم ثلاثي.
يوجد نوعان من المواضع:
- ثلاثة مواضع استوائية في مستوى واحد، تفصل بينها زوايا \(120^\circ\)
- موضعان محوريان أعلى ذلك المستوى وأسفله
يفضّل الزوج المنفرد عمومًا الموضع الاستوائي لأن ذلك يمنحه عددًا أقل من التفاعلات بزاوية \(90^\circ\) مع مناطق الإلكترونات الأخرى.
على سبيل المثال، يحتوي \(\ce{SF4}\) على خمس مناطق إلكترونية حول الكبريت: أربع مناطق ترابط وزوج منفرد واحد.
هندسة مجالات الإلكترونات فيه ثنائية هرم ثلاثي، لكن مع شَغل زوج منفرد لأحد المواضع الاستوائية، يصبح الشكل الجزيئي متأرجحًا.
ست مناطق
تكوّن ست مناطق إلكترونية ترتيبًا ثماني السطوح.
على سبيل المثال، يحتوي \(\ce{SF6}\) على ست مناطق ترابط ولا توجد أزواج منفردة، ولذلك يكون ثماني السطوح.
إذا احتوى ترتيب ثماني السطوح على زوجين منفردين، فإن طريقة تموضع هذين الزوجين تكون مهمة. فوضعهما متقابلين يُبقي بينهما زاوية \(180^\circ\) ويقلل التنافر المتبادل بينهما.
يحدث ذلك في \(\ce{XeF4}\). فلدى الزينون ست مناطق إلكترونية: أربع مناطق ترابط Xe-F وزوجان منفردان.
يشغل الزوجان المنفردان موضعين متقابلين، فتتبقى أربع ذرات فلور في مستوى واحد.
الشكل الجزيئي هو مربع مستوٍ.
08أكثر خطأين شيوعًا في العد
الخطأ 1: عدّ الروابط بدلًا من مناطق الإلكترونات
افترض أن ذرة الكربون المركزية تحتوي على رابطة مزدوجة واحدة ورابطتين أحاديتين.
قد تحسب:
\[
2 + 1 + 1 = 4
\]
وتتنبأ بترتيب رباعي السطوح.
هذا غير صحيح.
تُحسب الرابطة المزدوجة على أنها منطقة إلكترونية واحدة، لأن كثافتها الإلكترونية تتجه في اتجاه عام واحد.
إذن العد الصحيح هو:
\[
1 + 1 + 1 = 3\text{ مناطق إلكترونية}
\]
وهندسة مجالات الإلكترونات مثلثية مستوية.
الخطأ 2: تجاهل الأزواج المنفردة مبكرًا
افترض أن ذرة أكسجين مرتبطة بذرتين.
إذا نظرت فقط إلى هاتين الرابطتين، فقد تتنبأ بشكل خطي لأن منطقتين ستتموضعان بزاوية \(180^\circ\).
لكن الأكسجين غالبًا ما يحتوي أيضًا على زوجين منفردين. وهذا يعطي أربع مناطق إلكترونية في المجموع.
ولذلك يكون ترتيب الإلكترونات رباعي السطوح، ولا تشغل الذرتان المرتبطتان إلا اتجاهين من الاتجاهات الأربعة. والنتيجة شكل منحني.
قاعدة جيدة لاتخاذ القرار هي:
احسب الأزواج المنفردة عند تحديد ترتيب الإلكترونات. ولا تتجاهلها إلا عند تسمية الشكل الجزيئي النهائي.
09تتنبأ VSEPR باتجاهات مفيدة، لا بزوايا مثالية دائمًا
يبدأ نموذج VSEPR البسيط غالبًا بزوايا مثالية مثل \(120^\circ\) و\(109.5^\circ\). لكن الجزيئات الحقيقية لا تكون دائمًا بهذه القيم بالضبط.
فمناطق الإلكترونات المختلفة لا تتنافر بالقوة نفسها.
وبشكل خاص:
- تتنافر الأزواج المنفردة عادةً بقوة أكبر من مناطق الترابط
- يمكن أن تتنافر الروابط المتعددة بقوة أكبر من الروابط الأحادية
- يمكن للذرات المحيطة المختلفة أن تغيّر توزيع إلكترونات الترابط
لذلك، عندما يطلب منك سؤال تفسير زاوية رابطة مشوّهة عن القيمة المثالية، لا تكتفِ بالقول إن «الإلكترونات تتنافر».
كن أكثر دقة:
- حدّد مناطق الإلكترونات،
- حدّد أي المناطق تنتج تنافرًا أقوى،
- وضّح أي الروابط تُدفع لتقترب من بعضها أو تتباعد أكثر،
- قارن الزاوية الناتجة بالزاوية المثالية للهندسة.
هذا التفسير أقوى بكثير من مجرد حفظ زوايا روابط منفصلة.
10الأسئلة والحلول
السؤال 1
تكوّن ذرة البورون المركزية في \(\ce{BF3}\) ثلاث روابط B-F ولا تحتوي على أزواج منفردة. تنبأ بالشكل الجزيئي وزاوية رابطة F-B-F.
الحل 1
يكون \(\ce{BF3}\) مثلثيًا مستويًا، بزوايا F-B-F تبلغ تقريبًا \(120^\circ\).
لدى ذرة البورون ثلاث مناطق ترابط ولا توجد أزواج منفردة:
\[
3\text{ مناطق ترابط} = 3\text{ مناطق إلكترونية}
\]
تقلل ثلاث مناطق إلكترونية تنافرها بأن تتباعد في مستوى واحد، بحيث تفصل بينها زوايا \(120^\circ\).
وبما أن كل منطقة إلكترونية تحتوي على رابطة، فإن هندسة مجالات الإلكترونات والشكل الجزيئي كلاهما مثلثي مستوٍ.
الفخ الشائع هو افتراض أن كل جزيء يحتوي على عدة روابط يصبح رباعي السطوح. فالهندسة رباعية السطوح تتطلب أربع مناطق إلكترونية، وليس مجرد «أكثر من اثنتين».
السؤال 2
لدى جزيء ذرة مركزية تحيط بها أربع مناطق إلكترونية. ثلاث منها مناطق ترابط وواحدة زوج منفرد.
اذكر هندسة مجالات الإلكترونات والشكل الجزيئي. هل تتوقع أن تكون زوايا الروابط \(109.5^\circ\) بالضبط؟ فسّر.
الحل 2
هندسة مجالات الإلكترونات رباعية السطوح، والشكل الجزيئي هرمي ثلاثي، وينبغي أن تكون زوايا الروابط أقل قليلًا من \(109.5^\circ\).
تنتج أربع مناطق إلكترونية إجمالًا ترتيبًا رباعي السطوح:
\[
3\text{ مناطق ترابط} + 1\text{ زوج منفرد} = 4\text{ مناطق}
\]
وعند تجاهل الزوج المنفرد لغرض تسمية مواقع الذرات، تتبقى ثلاث ذرات مرتبطة، فتنتج شكلًا جزيئيًا هرميًا ثلاثيًا.
تنضغط الزاوية لأن الزوج المنفرد يشغل حيزًا أكبر حول الذرة المركزية وينافر مناطق الترابط المجاورة بقوة أكبر من تنافر مناطق الترابط بعضها مع بعض. والخطأ هنا هو استخدام \(109.5^\circ\) تلقائيًا لمجرد أن ترتيب الإلكترونات الأساسي رباعي السطوح.
السؤال 3
يحتوي الفورمالدهيد، \(\ce{CH2O}\)، على ذرة كربون مركزية مرتبطة بذرتي هيدروجين ومرتبطة برابطة مزدوجة بذرة أكسجين.
تنبأ بالترتيب حول الكربون. واشرح لماذا يؤدي التعامل مع الرابطة المزدوجة C=O على أنها منطقتان إلكترونيتان منفصلتان إلى نتيجة خاطئة.
الحل 3
الترتيب حول الكربون مثلثي مستوٍ، بزوايا روابط حول الكربون قريبة من \(120^\circ\).
حول ذرة الكربون توجد:
\[
2\text{ منطقتا C-H} + 1\text{ منطقة C=O} = 3\text{ مناطق إلكترونية}
\]
لذلك تتوزع المناطق الثلاث في ترتيب مثلثي مستوٍ.
تحتوي الرابطة المزدوجة C=O على زوجين من الإلكترونات المشتركة، لكن كليهما يقع في الاتجاه العام نفسه للرابطة بين الكربون والأكسجين. ولذلك تتعامل VSEPR مع الرابطة المزدوجة بأكملها على أنها منطقة واحدة من الكثافة الإلكترونية، وليس اتجاهين مستقلين.
وسيؤدي عدّ الرابطة المزدوجة مرتين إلى الحصول خطأً على أربع مناطق، ومن ثم التنبؤ بترتيب رباعي السطوح.
ولا يلزم أن تكون الزوايا الدقيقة كلها \(120^\circ\) تمامًا، لأن الرابطة المزدوجة الغنية بالإلكترونات يمكن أن تنافر مناطق الترابط المجاورة بقوة أكبر قليلًا من الرابطة الأحادية.
السؤال 4
يمكن للأمونيا أن تتفاعل مع أيون الهيدروجين لتكوين الأمونيوم:
\[
\ce{NH3 + H+ -> NH4+}
\]
تنبأ بكيفية تغير الشكل الجزيئي حول النيتروجين من \(\ce{NH3}\) إلى \(\ce{NH4+}\). وتنبأ أيضًا بما إذا كانت زوايا H-N-H تصبح أكبر أم أصغر أم تظل دون تغيير.
الحل 4
يتغير الشكل من هرمي ثلاثي في \(\ce{NH3}\) إلى رباعي السطوح في \(\ce{NH4+}\)، وتصبح زوايا H-N-H أكبر قليلًا.
في \(\ce{NH3}\)، لدى النيتروجين:
\[
3\text{ مناطق ترابط} + 1\text{ زوج منفرد} = 4\text{ مناطق إلكترونية}
\]
هندسة مجالات الإلكترونات رباعية السطوح، لكن أحد المواضع يشغله زوج منفرد. ولذلك يكون الشكل الجزيئي هرميًا ثلاثيًا، بزوايا H-N-H تبلغ نحو \(107^\circ\).
عندما يتكوّن \(\ce{NH4+}\) من \(\ce{NH3}\)، يُستخدم الزوج المنفرد على النيتروجين لتكوين رابطة N-H الإضافية. ويصبح لدى النيتروجين الآن:
\[
4\text{ مناطق ترابط} + 0\text{ أزواج منفردة} = 4\text{ مناطق إلكترونية}
\]
تشغل ذرات الهيدروجين المرتبطة الآن المواضع الأربعة جميعها في رباعي السطوح، ولذلك يكون الشكل الجزيئي رباعي السطوح.
ومع عدم وجود زوج منفرد يسبب ضغطًا إضافيًا، تصبح زوايا H-N-H تقريبًا:
\[
109.5^\circ
\]
الخطأ المغري هو القول إن إضافة ذرة هيدروجين أخرى لا بد أن تسبب ازدحامًا أكبر، وبالتالي زاوية أصغر. لكن المهم ليس عدد الذرات فقط. فقد استُبدل الزوج المنفرد شديد التنافر بمنطقة ترابط، مما يجعل المناطق الأربع أكثر تكافؤًا.
السؤال 5
يقول أحد الطلاب:
«أي جزيء ترتبط فيه ذرتان بالذرة المركزية يجب أن يكون خطيًا لأن الرابطتين يمكن أن تتجها في اتجاهين متعاكسين.»
قيّم هذا الادعاء باستخدام \(\ce{CO2}\) و\(\ce{H2O}\).
الحل 5
الادعاء غير صحيح لأن الشكل الجزيئي يعتمد على جميع مناطق الإلكترونات حول الذرة المركزية، وليس فقط على عدد الذرات المرتبطة.
في \(\ce{CO2}\)، لدى الكربون منطقتان إلكترونيتان:
\[
\ce{O=C=O}
\]
تُحسب كل رابطة مزدوجة على أنها منطقة واحدة، ولذلك توجد منطقتان في المجموع. وتتباعدان بزاوية \(180^\circ\)، مما يجعل \(\ce{CO2}\) خطيًا.
في \(\ce{H2O}\)، لدى الأكسجين:
\[
2\text{ منطقتا ترابط} + 2\text{ زوجان منفردان} = 4\text{ مناطق إلكترونية}
\]
تنتج أربع مناطق ترتيبًا إلكترونيًا رباعي السطوح. وعند تجاهل الزوجين المنفردين في تسمية الشكل الجزيئي، تبقى رابطتا O-H في ترتيب منحني.
إذن المقارنة المهمة هي:
| الجزيء | مناطق الترابط | الأزواج المنفردة على الذرة المركزية | مجموع المناطق | الشكل |
|---|---|---|---|---|
| \(\ce{CO2}\) | 2 | 0 | 2 | خطي |
| \(\ce{H2O}\) | 2 | 2 | 4 | منحني |
يبدو استدلال الطالب معقولًا لأن جسمين منفردين يمكنهما زيادة المسافة بينهما إلى أقصى حد بأن يتموضعا في اتجاهين متعاكسين. لكنه يفشل عندما توجد أيضًا مناطق إلكترونية أخرى غير مرئية تتنافس على الحيز نفسه.
السؤال 6
في \(\ce{XeF4}\)، لدى الزينون أربع مناطق ترابط Xe-F وزوجان منفردان.
يحدد طالب بصورة صحيحة وجود ست مناطق إلكترونية وترتيب إلكتروني ثماني السطوح، لكنه يتنبأ بعد ذلك بشكل جزيئي رباعي السطوح لأن هناك أربع ذرات فلور.
اشرح لماذا يفشل هذا التنبؤ وحدد الشكل الجزيئي الصحيح.
الحل 6
الشكل الجزيئي الصحيح هو مربع مستوٍ، وليس رباعي السطوح.
توجد ست مناطق إلكترونية حول الزينون:
\[
4\text{ مناطق ترابط} + 2\text{ زوجان منفردان} = 6\text{ مناطق إلكترونية}
\]
تكوّن ست مناطق إلكترونية ترتيبًا ثماني السطوح.
يتنافر الزوجان المنفردان بقوة. وفي ترتيب ثماني السطوح، يمكنهما شغل موضعين متقابلين مباشرةً، بحيث تفصل بينهما زاوية \(180^\circ\).
وهذا يترك روابط Xe-F الأربع في المستوى نفسه، بزاوية \(90^\circ\) بين كل رابطة والرابطة المجاورة لها. ولذلك تكوّن ذرات الفلور الأربع مربعًا حول الزينون.
خطأ الطالب دقيق. فوجود أربع ذرات مرتبطة لا يعني تلقائيًا شكلًا رباعي السطوح. يحدث الشكل رباعي السطوح عندما تكون هذه الروابط الأربع مرتبة ضمن أربع مناطق إلكترونية إجمالًا. أما في \(\ce{XeF4}\)، فالروابط الأربع جزء من ترتيب ثماني السطوح يتكوّن من ست مناطق، ولذلك تختلف مواقعها.
11إلى أين يقودك الشكل الجزيئي بعد ذلك؟
بمجرد أن تتمكن من التنبؤ بالشكل، يمكنك القيام بأكثر من مجرد تسمية التراكيب.
يخبرك الشكل بكيفية ترتيب عزوم ثنائيات أقطاب الروابط المنفردة في الفراغ. وهذا يعني أنه يصبح ضروريًا عند تحديد ما إذا كان الجزيء قطبيًا أم غير قطبي.
فعلى سبيل المثال، يحتوي كل من \(\ce{CO2}\) و\(\ce{H2O}\) على روابط قطبية. وتحدد أشكالهما المختلفة ما إذا كانت عزوم ثنائيات أقطاب هذه الروابط تتلاشى أم لا.
لذلك، فإن السؤال المفيد التالي ليس ببساطة: «هل الروابط قطبية؟» بل هو: بعد وضع هذه الروابط في الشكل الجزيئي، ماذا يحدث عند جمع عزوم ثنائيات أقطابها؟