الدرس الثاني: الروابط والأفلاك المتداخلة (نظرية رابطة التكافؤ، التهجين، العزم القطبي).
الثانوي - الصف الحادي عشر - المسار الأكاديمي
1. الفكرة الرئيسية
تنشأ الرابطة التساهمية نتيجة تداخل أفلاك التكافؤ نصف الممتلئة لذرتين، بحيث يشترك كل منهما بإلكترون واحد ليصبح الفلك المشترك ممتلئاً بإلكترونين، مما يخلق منطقة كثافة إلكترونية عالية بين النواتين تسمى الرابطة.
2. المفاهيم الأساسية
نظرية رابطة التكافؤ (VBT)
الفرضية الأساسية: تتكون الرابطة التساهمية عندما يتداخل فلك تكافؤ نصف ممتلئ لذرة مع فلك تكافؤ نصف ممتلئ لذرة أخرى.
الكثافة الإلكترونية
هي المنطقة بين الذرتين حيث يتركز وجود إلكترونات الرابطة. كلما زادت الكثافة الإلكترونية، كانت الرابطة أقوى.
3. أمثلة على تداخل الأفلاك وتكوين الروابط
تتكون الرابطة التساهمية عندما يتشارك كل إلكترون منفرد في فلك تكافؤ من ذرة مع إلكترون منفرد في فلك تكافؤ من ذرة أخرى.
جزيء الهيدروجين (H₂): تداخل s-s
H: 1s¹
H: 1s¹
H-H (رابطة σ)
يتداخل فلك 1s نصف الممتلئ من كل ذرة هيدروجين لتكوين رابطة سيجما (σ) ممتلئة بإلكترونين.
جزيء كلوريد الهيدروجين (HCl): تداخل s-p
H: 1s¹
Cl: ...3p⁵
يتداخل فلك 1s من الهيدروجين مع فلك 3p نصف الممتلئ (بالأحمر) من الكلور لتكوين رابطة سيجما.
جزيء الأكسجين (O₂): رابطة ثنائية (1σ + 1π)
تمتلك كل ذرة أكسجين فلكين p نصف ممتلئين. يتداخل أحدهما رأسياً لتكوين رابطة سيجما، ويتداخل الآخر جانبياً لتكوين رابطة باي. النتيجة: O=O.
جزيء النيتروجين (N₂): رابطة ثلاثية (1σ + 2π)
تمتلك كل ذرة نيتروجين ثلاثة أفلاك p نصف ممتلئة. يتداخل فلك واحد رأسياً (σ)، ويتداخل الفلكان الآخران جانبياً (π). النتيجة: N≡N.
4. أنواع الروابط حسب طريقة التداخل
أ. الرابطة سيجما (σ-bond)
تتكون من تداخل رأسي (head-to-head) على طول المحور بين النواتين. هي أقوى أنواع الروابط التساهمية.
ب. الرابطة باي (π-bond)
تتكون من تداخل جانبي (side-by-side) لأفلاك p. هي أضعف من سيجما وتوجد فقط في الروابط الثنائية والثلاثية.
5. التهجين (Hybridization)
ما هو التهجين؟
هو اندماج أفلاك ذرية مختلفة (مثل s و p) في الذرة نفسها لتكوين أفلاك مهجنة جديدة متساوية في الطاقة والشكل، وذلك لتفسير الأشكال الهندسية والزوايا التي لا تتوافق مع توزيع الإلكترونات الأصلي.
sp³ - شكل رباعي الأوجه
يحدث عند اندماج فلك s واحد مع ثلاثة أفلاك p، لتكوين أربعة أفلاك مهجنة sp³. تترتب بزوايا 109.5°.
الميثان CH₄
غير قطبي (محصلة العزوم = 0)sp³ - هرمي ثلاثي (زوج حر)
تهجين sp³ للنيتروجين: زوج غير رابط + ثلاث روابط. الزاوية ≈ 107°.
زوج غير رابط + 3 أزواج رابطة
الأمونيا NH₃
قطبي (وجود زوج حر)sp³ - منحني (زوجان حران)
تهجين sp³ للأكسجين: زوجان غير رابطين + رابطتان. الزاوية ≈ 104.5°.
زوجان غير رابطين + زوجان رابطان
الماء H₂O
قطبي (زوجان حران)sp² - مثلث مستو
اندماج s + 2p → 3sp²، زاوية 120°. يبقى فلك p غير مهجن.
BCl₃
غير قطبي (مثلث مستو)sp - شكل خطي
اندماج s + p → 2sp، زاوية 180°. يبقى فلكا p غير مهجنين.
BeF₂
غير قطبي (خطي)PCl₅ (هرم ثنائي المثلث)
غير قطبي
SF₆ (ثماني السطوح)
غير قطبي
CO₂ (خطي)
غير قطبي
6. الروابط في الجزيئات ذات الروابط المتعددة
أحادية
1 σ
C-C in C₂H₆
ثنائية
1 σ + 1 π
C=C in C₂H₄
ثلاثية
1 σ + 2 π
C≡C in C₂H₂
7. خطوات تحديد نوع التهجين
| عدد أزواج الإلكترونات | نوع التهجين | الشكل الهندسي الأساسي |
|---|---|---|
| 2 | sp | خطي |
| 3 | sp² | مثلث مستو |
| 4 | sp³ | رباعي الأوجه |
8. قطبية الجزيئات (Molecular Polarity)
لا تعتمد قطبية الجزيء فقط على وجود روابط قطبية، بل تعتمد أيضاً على الشكل الهندسي الذي يحدد محصلة عزوم ثنائي القطب.
أولاً: قطبية الرابطة
تنشأ عندما يكون هناك فرق في السالبية الكهربائية بين الذرتين المرتبطتين.
العزم القطبي (Dipole Moment - μ)
مقياس كمي لفصل الشحنات، ويقاس بالديباي (Debye).
ثانياً: علاقة الشكل الهندسي بالقطبية
قد يحتوي الجزيء على روابط قطبية، ومع ذلك يكون الجزيء ككل غير قطبي إذا كانت محصلة العزوم صفراً (بسبب التماثل).
جزيئات غير قطبية
- CO₂ (خطي): روابط C=O قطبية لكنها متعاكسة.
- BF₃ (مثلث مستو): تماثل 120°.
- CH₄ (رباعي الأوجه): تماثل تام.
جزيئات قطبية
- H₂O (منحني): زوجان حران يمنعان التماثل.
- NH₃ (هرمي ثلاثي): وجود زوج حر.
- HCl (خطي غير متماثل): فرق في السالبية.
قواعد عامة للتنبؤ بقطبية الجزيئات
| الصيغة العامة | الشكل الهندسي | القطبية | أمثلة |
|---|---|---|---|
| AX₂ | خطي (180°) | غير قطبي | BeCl₂, CO₂ |
| AX₂ / AX | خطي (ذرات مختلفة) | قطبي | HCl, CO, HCN |
| AX₃ | مثلث مستو (120°) | غير قطبي | BF₃, SO₃ |
| AX₄ | رباعي الأوجه (109.5°) | غير قطبي | CH₄, SiCl₄ |
| AX₂E / AX₂E₂ | منحني | قطبي | SO₂, H₂O |
| AX₃E | هرم ثلاثي | قطبي | NH₃, PCl₃ |
| AX₅ | هرم ثنائي المثلث | غير قطبي | PCl₅ |
| AX₆ | ثماني السطوح | غير قطبي | SF₆ |
9. خلاصة الدرس: خريطة مفاهيمية
نظرية رابطة التكافؤ (VBT)
تفسر تكون الرابطة التساهمية بتداخل الأفلاك الذرية نصف الممتلئة.
التهجين (Hybridization)
اندماج أفلاك مختلفة (s, p) لإنتاج أفلاك مهجنة متكافئة تفسر الأشكال الهندسية والزوايا.
أنواع التداخل
- سيجما (σ) تداخل رأسي (قوي).
- باي (π) تداخل جانبي (أضعف).
القطبية (Polarity)
تعتمد على فرق السالبية والشكل الهندسي. الجزيء المتماثل غير قطبي.