أشكال الجزيئات

4-4

أشكال الجزيئات

Molecular Shapes

الأهداف

• تلخص مفهوم نموذج التنافر بين أزواج إلكترونات التكافؤ VSEPR.
• تقارن الشكل وزاوية الرابطة في الجزيء.
• تعرف التهجين.

مراجعة المفردات

المستوى: منطقة ثلاثية الأبعاد حول النواة تصف الموقع المحتمل لوجود الإلكترون.

المفردات الجديدة

• نموذج VSEPR
• التهجين

الفكرة الرئيسية

يستعمل نموذج التنافر بين أزواج إلكترونات التكافؤ VSEPR لتحديد شكل الجزيء.

الربط مع الحياة

لعلك يومًا دلكت بالونين بشعرك وأنت تلعب. هل رأيت كيف يتنافر البالونان بسبب شحنتهما المتشابهتين، ويبتعد أحدهما عن الآخر؟ وكذلك الحال مع الشحنات؛ فإن أشكال الجزيئات تتأثر بقوى التنافر الإلكترونية.

---

نموذج التنافر بين أزواج إلكترونات التكافؤ

VSEPR Model

يحدد شكل الجزيء الكثير من خواصه الفيزيائية والكيميائية، وتحدد الكثافة الإلكترونية الناتجة عن تداخل مستويات الإلكترونات الرابطة شكل الجزيء.

وقد طورت نظرية لشرح تداخل مستويات الترابط، ويمكن استخدامها في توقع شكل الجزيء، كما يمكن معرفة شكل الجزيء عندما نرسم تركيب لويس له.

ويسمى النموذج المستخدم في تحديد شكل الجزيء نموذج VSEPR، أي نموذج التنافر بين أزواج إلكترونات التكافؤ. ويعتمد هذا النموذج على الترتيب الذي من شأنه تقليل التنافر بين أزواج الإلكترونات الرابطة وغير الرابطة حول الذرة المركزية إلى أقصى درجة ممكنة.

---

زاوية الرابطة

لفهم نموذج VSEPR على نحو أفضل تخيل بالونات منتفخة بحجوم متساوية ومربوطًا بعضها مع بعض كما في الشكل 4-18، حيث يمثل كل بالون منطقة كثافة إلكترونية.

وتدفع قوة تنافر منطقة الكثافة الإلكترونية الإلكترونية الأخرى من حولها. وعندما تتصل مجموعة من البالونات بنقطة مركزية، وهي تمثل الذرة المركزية، فمن الطبيعي أن تأخذ هذه البالونات شكلًا يقلل من التصادم بينها.

تتنافر أزواج الإلكترونات في الجزيء بطريقة مماثلة، وتعمل قوى التنافر هذه على تثبيت مواقع الذرات في الجزيء بحيث تصنع زوايا ثابتة بعضها مع بعض.

وتعرف الزاوية بين ذرتين جانبيتين والذرة المركزية بزاوية الرابطة. وتكون قيم زوايا الروابط التي يمكن توقعها بنموذج التنافر بين أزواج إلكترونات التكافؤ مدعومة بأدلة تجريبية.

وتؤثر أزواج الإلكترونات غير الرابطة أيضًا في تحديد شكل الجزيء؛ إذ تؤخذ أزواج الإلكترونات غير الرابطة في البنية الفراغية للجزيء، ولكن نظرًا لأنها تشغل حيزًا أكبر من أزواج الرابطة المشتركة بين الذرات، فإنها تضغط أزواج الرابطة المشتركة بين الذرات.

الشكل 4-18

الصورة التابعة: صفحة140_الشكل_4_18_تنافر_أزواج_الإلكترونات_وأشكال_البالونات.png

تبين أزواج الإلكترونات في الجزيء بعضها عن بعض مثل ذلك، كما هو مبين في البالونات:

• إذا وجد زوجان يكون الشكل خطيًا.
• إذا وجدت ثلاثة أزواج يكون الشكل مثلثًا مستويًا.
• إذا وجدت أربعة أزواج يكون الشكل رباعي الأوجه منتظمًا.

الأشكال الظاهرة:

• رباعي الأوجه منتظم.
• مثلث مستو.
• شكل خطي.

---

الربط مع الأحياء

يشكل شكل جزيئات الطعام عاملًا مهمًا في تحديد طعمها؛ حيث تغطي براعم التذوق سطح اللسان، ويحتوي كل برعم منها على 50 إلى 100 من خلايا مستقبلات الذوق.

وتجد خلايا مستقبلات الذوق 5 نكهات، هي:

• الحلو.
• المر.
• المالح.
• الحامض.
• نكهة طعم جلوتامات الصوديوم الأحادية MSG.

وتستجيب كل خلية مستقبلة للذوق لنكهة واحدة فقط.

تتحدد أشكال جزيئات الطعام اعتمادًا على تركيبها الكيميائي. وحينما يدخل الجزيء نسيج التذوق يجب أن يكون له الشكل الصحيح لتتمكن كل خلية عصبية من تمييزه، وإرسال رسالة إلى الدماغ الذي يحللها بوصفها نكهة معينة.

وعندما ترتبط هذه الجزيئات بمستقبلات الطعم الحلو يكون مذاقها حلوًا. وكلما ازداد عدد جزيئات الطعام المرتبطة بمستقبلات الطعم الحلو زادت حلاوة الطعام.

فالسكر والمحليات المصنعة ليست الجزيئات الحلوة الوحيدة، بل يرتبط بعض البروتينات الموجودة في الفاكهة بجزيئات حلوة الطعم.

وقد تم إدراج بعض أشكال الجزيئات المعروفة في الجدول 4-6.

---

التهجين

Hybridization

يحدث التهجين عند دمج شيئين معًا، بحيث يكون للشيء المهجن خواص كلا الشيئين معًا.

فالسيارات الهجينة مثلًا تستخدم الكهرباء والجازولين مصادر للطاقة. وخلال الترابط الكيميائي يخضع العديد من الذرات للتهجين.

يحتاج الكربون في الميثان CH4 إلى أربع روابط. ولذرة الكربون 4 إلكترونات تكافؤ، وتوزيعها الإلكتروني في الحالة المستقرة هو:

[He] 2s² 2p²

وربما تتوقع أن ترتبط الإلكترونات المفردة من p بذرات أخرى، وأن تبقى إلكترونات 2s أزواجًا غير مرتبطة. ولكن تحصل لذرات الكربون عملية التهجين، حيث تختلط المستويات الفرعية لتكوين مستويات مهجنة جديدة متماثلة.

يبين الشكل 4-19 المستويات المهجنة في ذرة الكربون، حيث يحتوي كل مستوى مهجن على إلكترون واحد.

كما أن المستوى المهجن، الذي يسمى المستوى المهجن sp³، له خواص مستوى s وثلاثة مستويات p.

وبعدد المستويات المهجنة التي تخضع لعملية التهجين يكون عدد المستويات التي تختلط معًا، وتكون المستوى المهجن مساويًا لمجموع أعداد أزواج الإلكترونات، كما في الجدول 4-6.

بالإضافة إلى ذلك يكون عدد المستويات المهجنة الناتجة مساويًا لعدد المستويات المتداخلة.

فعلى سبيل المثال، لـ AlCl3 ثلاثة أزواج من الإلكترونات، ويتوقع نموذج VSEPR أن يكون شكل الجزيء مثلثًا مستويًا. وينتج هذا الشكل عند تداخل المستوى الفرعي s مع مستويين فرعيين p من ذرة الألومنيوم. لذلك نرى أن ذرة Al تكون ثلاث مستويات مهجنة من نوع sp².

في الروابط الثنائية والثلاثية لا تدخل كل المستويات p في التهجين؛ لأن الروابط من نوع سيجما فقط هي التي تكون من مستويات مهجنة، أما بقية مستويات p غير المهجنة فتكون روابط باي π.

وإذا علمت أن الروابط التساهمية الأحادية والثنائية والثلاثية تحتوي على مستوى مهجن واحد، لذلك فإن CO2 يحتوي على رابطتين ثنائيتين ويكون المستوى المهجن من نوع sp.

ماذا قرأت؟

اذكر عدد الإلكترونات المتوافرة للترابط في المستوى المهجن من نوع sp³.

---

مفردات

أصل الكلمة

الصورة التابعة: صفحة141_مفردات_أصل_كلمة_مثلث_مستو.png

Trigonal planar
مثلث مستو

من أصل لاتيني trigonum، وتعني شكله له ثلاث زوايا في سطح مستو.

---

الشكل 4-19

الصورة التابعة: صفحة141_الشكل_4_19_تهجين_مستويات_الكربون_في_الميثان_CH4.png

تشغل إلكترونات ذرة الكربون الموجودة في المستويات 2s و2p مستويات مهجنة من نوع sp³.

لاحظ أن قيمة طاقة المستويات المهجنة دائمًا متوسطة بين طاقة وضع مستويات s وp الأصلية.

وتبعًا لنظرية VSEPR فإن الشكل رباعي الأوجه المنتظم يقلل التنافر بين المستويات المهجنة في جزيء CH4.

---

الجدول 4-6

الأشكال الفراغية للجزيئات

الصورة التابعة: صفحة142_الجدول_4_6_الأشكال_الفراغية_للجزيئات.png

| الجزيء | العدد الكلي لأزواج الإلكترونات | الأزواج المشتركة | الأزواج غير الرابطة | المستويات المهجنة | شكل الجزيء | زاوية الرابطة |
| ------ | -----------------------------: | ---------------: | ------------------: | ----------------- | -------------------------- | ------------: |
| BeCl2 | 2 | 2 | 0 | sp | خطي | 180° |
| AlCl3 | 3 | 3 | 0 | sp² | مثلث مستو | 120° |
| CH4 | 4 | 4 | 0 | sp³ | رباعي الأوجه منتظم | 109.5° |
| PH3 | 4 | 3 | 1 | sp³ | مثلث هرمي | 107.3° |
| H2O | 4 | 2 | 2 | sp³ | منحني | 104.5° |
| NbBr5 | 5 | 5 | 0 | sp³d | ثنائي الهرم الثلاثي الأوجه | 90° و120° |
| SF6 | 6 | 6 | 0 | sp³d² | ثماني الأوجه منتظم | 90° |

توضيحات الشكل في الهامش

• يحتوي جزيء BeCl2 على زوجين فقط من الإلكترونات الرابطة في ذرة Be المركزية، لذا تكون الجزيئات الخطية على أبعد مسافة ممكنة بينها، وزاوية الرابطة 180°، ويكون الشكل الجزيئي خطيًا.
• تتكون أزواج الإلكترونات الثلاثة في جزيء AlCl3 على أبعد مسافة ممكنة في شكل مثلث مستو، وزوايا بين الروابط 120°.
• عندما تحتوي الذرة المركزية في جزيء CH4 على أربعة أزواج من الإلكترونات الرابطة فإنها تتوزع على شكل رباعي الأوجه منتظم، وتبلغ زوايا الروابط 109.5°.
• في جزيء PH3 توجد ثلاث روابط تساهمية أحادية وزوج غير مرتبط، فينتج الشكل مثلثًا هرميًا، وتبلغ زاوية الرابطة 107.3°.
• للماء رابطتان تساهميتان وزوجان غير رابطين، فتقل قيمة زاوية الرابطة إلى 104.5° مما يجعل شكل جزيء الماء منحنيًا.
• جزيء NbBr5 له خمسة أزواج من الإلكترونات الرابطة، لذلك يأخذ شكل ثنائي الهرم الثلاثي الأوجه.
• ليس لجزيء SF6 أزواج إلكترونات غير رابطة مع الذرة المركزية، فيأخذ شكلًا ثماني الأوجه منتظمًا.

---

مثال 4-7

الصورة التابعة: صفحة143_مثال_4_7_شكل_جزيء_ثلاثي_هيدريد_الفوسفور_PH3.png

المسألة

ما شكل الجزيء؟

لثلاثي هيدريد الفوسفور غاز عديم اللون ينتج عن تعفن المواد العضوية، ومنها السمك. ما شكل جزيء ثلاثي هيدريد الفوسفور؟ حدد مقدار زاوية الرابطة والمستويات المهجنة فيه.

1. تحليل المسألة

تعلم من المعطيات أن الجزيء ثلاثي هيدريد الفوسفور، وله 3 ذرات هيدروجين جانبية متصلة بذرة فوسفور مركزية.

2. حساب المطلوب

أوجد العدد الكلي لإلكترونات التكافؤ:

5 إلكترونات تكافؤ / 1 atom P × 1 atom P

• 1 إلكترون تكافؤ / 1 atom H × 3 atom H

= 8 إلكترونات تكافؤ

حدد العدد الكلي للأزواج الرابطة:

8 إلكترونات / 2 إلكترون لكل زوج = 4 أزواج

ارسم تركيب لويس باستخدام زوج من الإلكترونات بين كل ذرة هيدروجين وذرة الفوسفور المركزية، ثم ضع الزوج غير المرتبط على ذرة الفوسفور.

التركيب:

H
|
H — P — H
مع زوج غير رابط على ذرة الفوسفور.

الشكل الجزيئي يكون مثلثًا هرميًا، ويكون مقدار زاوية الرابطة 107.3°، ونوع التهجين sp³ في المستويات المهجنة.

3. تقويم الإجابة

كل أزواج الإلكترونات مستخدمة، وكل ذرة لها التوزيع الإلكتروني المستقر.

---

مسائل تدريبية

ما شكل الجزيء، ومقدار زاوية الرابطة، والمستويات المهجنة في كل مما يأتي:

• BF3
• OCl2
• BeF2
• CF4
• تحفيز: ما شكل أيون NH4+ وقيمة زاوية الرابطة ونوع التهجين؟

---

التقويم 4-4

الخلاصة

الصورة التابعة: صفحة143_التقويم_4_4_الخلاصة_والأسئلة.png

الخلاصة

• ينص نموذج VSEPR على أن أزواج الإلكترونات تتنافر بعضها مع بعض، وتحدد شكل الجزيء وزوايا الرابطة فيه.
• يفسر التهجين أشكال الجزيئات المعروفة من خلال مستويات التهجين المتكافئة.

أسئلة التقويم 4-4

• الفكرة الرئيسية: لخص فكرة نموذج VSEPR للترابط.

• عرف زاوية الرابطة.

• اشرح كيف يؤثر وجود زوج الإلكترونات غير رابطة في المسافات بين مستويات الروابط المشتركة؟

• قارن بين حجم المستوى الذي يحتوي زوج إلكترون مشترك وآخر يحتوي زوج الإلكترونات غير رابط.

• حدد نوع المستويات المهجنة وزوايا الروابط في جزيء له شكل رباعي الأوجه منتظم.

• قارن بين شكل الجزيء والمستويات المهجنة في BrF5 و PF5 و PF3.

• نظم كلًا مما يأتي في جدول: تركيب لويس، شكل الجزيء، وزاوية الرابطة، والمستويات المهجنة لكل من:

NCl3 ،CCl2F2 ،H2Se ،CH2O ،CS2.