شارح الدرس: نظرية تنافر أزواج إلكترونات التكافؤ الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نُحدِّد شكل الجزيئات باستخدام نظرية تنافر أزواج إلكترونات التكافؤ.

يمكن استخدام نموذج تنافر أزواج إلكترونات التكافؤ (فيسبر) مع مخططات بِنى لويس لتوقُّع أشكال الجزيئات المختلفة.

نستخدم مخططات بِنى لويس لتحديد إلكترونات التكافؤ في الجزيئات المتعدِّدة الذرات، ونستخدم نموذج تنافر أزواج إلكترونات التكافؤ لفهم كيفية ترتيب إلكترونات التكافؤ في فضاء ثلاثي الأبعاد. يَفترض هذا النموذج أنه سيكون هناك دائمًا تنافر كهروستاتيكي بين أزواج من إلكترونات التكافؤ. وستضطر إلكترونات التكافؤ إلى اتخاذ أشكال محدَّدة ثلاثية الأبعاد تقلِّل من التداخلات الكهروستاتيكية المتنافرة ذات الطاقة العالية.

يوضِّح الشكل الآتي بِنى لويس لبعض الأيونات والجزيئات المتعدِّدة الذرات البسيطة. يُستخدَم اللون الأحمر لتمثيل إلكترونات التكافؤ في الذرة المركزية، ويُستخدم اللون الأسود لتمثيل إلكترونات التكافؤ في الذرات الأخرى.

تُستخدم طريقة مع مخططات بِنى لويس لتصنيف الجزيئات المتعدِّدة الذرات والأيونات إلى مجموعات مختلفة. كل مجموعة لها شكل هندسي ثلاثي الأبعاد مفضَّل يمكن أن يتضمَّن، على سبيل المثال، البِنى الخطية أو الثلاثية المستوية. يمكن تحديد الفئة الصحيحة عن طريق اختيار حدود مناسبة تمثِّل و و. يمثِّل الذرة المركزية، ويمثِّل كلٌّ من و أزواج الإلكترونات المترابطة وغير المترابطة. دائمًا ما تكون قيمتا و عددين صحيحين، وهما يمثِّلان عدد أزواج الإلكترونات المترابطة وغير المترابطة.

يوضِّح الشكل الآتي مخططات بِنى لويس والأشكال الهندسية التي تعبِّر عن تنافر أزواج إلكترونات التكافؤ لبعض أنواع الجزيئات المتعدِّدة الذرات البسيطة لـ .

يوضِّح الشكل أن عدد إلكترونات التكافؤ يُحدِّد كيفية ترتيبها حول الذرة المركزية (). تميل الجزيئات إلى الترتيبات الإلكترونية الخطية البسيطة عندما لا يكون لدينا سوى زوجين مترابطين من إلكترونات التكافؤ، وتميل إلى الترتيبات الإلكترونية الأكثر تعقيدًا عند وجود ثلاثة أو أربعة أزواج من إلكترونات التكافؤ المترابطة أو غير المترابطة.

تميل إلكترونات التكافؤ دائمًا إلى بِنى ثلاثية الأبعاد محدَّدة تقلِّل من شدة التداخلات الكهروستاتيكية المتنافرة بين أزواج الإلكترونات المترابطة وغير المترابطة. ويمكن استخدام هذه الفكرة لتوقُّع البِنى الثلاثية الأبعاد للجزيئات الأكثر تعقيدًا. يوضِّح الشكل الآتي شكل فئة من الجزيئات ذات الرتب العليا.

تتكوَّن جزيئات ذات الرتب العليا الأقل شيوعًا بسبب زيادة عدد أزواج إلكترونات التكافؤ المترابطة أو غير المترابطة.

من المفيد أن نترك بِنى الجزيئات العامة ونركِّز على الجزيئات الحقيقية بدلًا من ذلك. فثلاثي فلوريد البورون () هو أحد أبسط الجزيئات الذي يمكننا دراسته لفهم نموذج تنافر أزواج إلكترونات التكافؤ بطريقة أفضل. الذرة المركزية () هي ذرة بورون واحدة تحتوي على ثلاثة أزواج إلكترونات تكافؤ مترابطة ولا تحتوي على أزواج إلكترونات غير مترابطة.

تميل جزيئات ثلاثي فلوريد البورون إلى تكوين بنية ثلاثية مستوية؛ لأنها جزيئات مجموعة . تعمل ذرات الفلور على تقليل الطاقة الكهروستاتيكية المتنافرة في جزيئات عن طريق الانتقال إلى رءوس المثلث الذي مركزه ذرة البورون. تُوجَد زاوية قياسها بين كل رابطة من الروابط التساهمية الثلاث لـ –.

تُعَد جزيئات الميثان () أكثر تعقيدًا بنسبة قليلة، وتُصنَّف على أنها جزيئات مجموعة . وهي تحتوي على ذرة كربون مركزية واحدة وأربعة أزواج من إلكترونات التكافؤ المترابطة. تقلِّل ذرات الهيدروجين الطاقة الكهروستاتيكية المتنافرة في جزيئات الميثان عن طريق الانتقال إلى أربعة رءوس في بنية رباعية الأوجه ثلاثية الأبعاد يقع مركزها عند ذرة الكربون. تُوجَد زاوية قياسها بين كل رابطة من الروابط التساهمية الأربع لـ –.

ينتمي كلٌّ من أيونات الميثان والأمونيوم () إلى مجموعة ، وتميل إلى أن تكوِّن بِنى رباعية الأوجه متماثلة. تحتوي هذه الجزيئات على أربعة أزواج متكافئة ومترابطة من إلكترونات التكافؤ؛ لأن الروابط التناسقية تُطابِق الروابط التساهمية «العادية» بين إلكترونين بشكل أساسي.

وتُعَد جزيئات الأمونيا أكثر إثارة للاهتمام؛ لأنها تحتوي على ثلاثة أزواج متكافئة ومترابطة من إلكترونات التكافؤ وزوج إلكترونات حر واحد غير مترابط. يشغل الزوج الحر غير المترابط مساحة أكبر في غلاف التكافؤ لذرة النيتروجين، وهو ما يجعل الأزواج الثلاثة المترابطة (–) تقترب بعضها من بعض. في النهاية، يصبح لجزيء الأمونيا بنية هرمية ثلاثية مائلة، ونجد زاوية صغيرة نسبيًّا قياسها فقط بين الروابط التساهمية الثلاث لـ –.

تشغل الأزواج الحرة من الإلكترونات أكبر مساحة من غلاف التكافؤ للذرة المركزية، وينتج عنها أقوى تداخلات كهروستاتيكية متنافرة في نموذج تنافر أزواج إلكترونات التكافؤ. تحدث أقوى التداخلات الكهروستاتيكية المتنافرة بين زوجين من الإلكترونات الحرة، وتحدث أضعف التداخلات الكهروستاتيكية المتنافرة بين زوجين مترابطين من الإلكترونات. أما الجمع بين زوج حر واحد وزوج مترابط واحد، فله قوة ما بين هاتين الحالتين.

تُوجَد قواعد متعدِّدة تساعد علماء الكيمياء على فهم زوايا الروابط. وتنص هذه القواعد، على سبيل المثال، على أن قياس زاوية الرابطة –– سيكون أصغر بمقدار تقريبًا مع كل زوج إضافي من الإلكترونات غير المترابطة التي يتم عدها في أي ذرة مركزية رباعية مترابطة . وتتضمَّن جزيئات زوايا الرابطة –– التي قياسها ، وتتضمَّن جزيئات و زوايا الرابطة –– التي قياسها و.

يمكن لجزيئات الماء إذابة المواد القطبية كالكحولات والأحماض الكربوكسيلية؛ لأن لها بنية غير خطية أو «منحنية». جزيئات الماء لها توزيع غير متماثل لكثافة الإلكترونات، ولها عزم ثنائي القطب دائم يمتد من مستوى ذرات الهيدروجين إلى الأزواج الحرة لذرة الأكسجين. يمكن استخدام مخططات بِنى لويس ونموذج تنافر أزواج إلكترونات التكافؤ لفهم شكل جزيئات الماء.

يوضِّح مخطط بنية لويس لجزيئات الماء أن ذرة الأكسجين المركزية لها ستة إلكترونات تكافؤ. يُستخدَم اثنان من إلكترونات التكافؤ هذه لتكوين رابطتين تساهميتين (–)، ونجمع الإلكترونات الأربعة الأخرى على صورة زوجين حرين.

يُصنَّف الماء ضمن مجموعة ، وهذا يعني أن إلكترونات التكافؤ ستميل إلى تكوين بنية رباعية الأوجه مائلة. يشغل الزوجان الحران مساحة في غلاف تكافؤ الأكسجين أكبر من المساحة التي يشغلها الزوجان المترابطان، وسيكون قياس زاوية الرابطة –– أصغر من دائمًا في النهاية. وعادةً ما تكون قيمة قياس زاوية الرابطة –– هي ؛ لأن لدينا زوجَي إلكترونات حرين، وكل زوج إلكترونات حر يجعل زاوية الرابطة –– تقل بمقدار تقريبًا عن .

تحتوي ذرة الأكسجين على زوجين حرين غنيين بالإلكترونات، وهذا يفسِّر بشكل جزئي لماذا يمكن أن تكوِّن روابط هيدروجينية مع جزيئات أخرى. والسبب الآخر هو أن ذرات الأكسجين ذات قيمة سالبية كهربية عالية. تجذب ذرة الأكسجين كمية غير متناسبة من كثافة الإلكترونات من الرابطتين التساهميتين –، ويصبح جزيء الماء شديد الاستقطاب. تُستنفَد كثافة الإلكترونات من ذرات الهيدروجين () في النهاية وتصبح ذرات الأكسجين غنية بكثافة الإلكترونات (). يوضِّح نموذج تنافر أزواج إلكترونات التكافؤ أن جزيء الماء سيميل دائمًا إلى تكوين بنية رُباعية الأوجه مائلة. فسيكون هناك دائمًا عزم ثنائي القطب كهربي يمتد من مستوى ذرات الهيدروجين إلى أزواج ذرة الأكسجين الحرة. وسيكون لجزيئات الماء عزم ثنائي القطب دائم أيضًا، وسيكون بإمكانها دائمًا تكوين روابط هيدروجينية مع جزيئات أخرى.

هيا نلخِّص ما تعلَّمناه في هذا الشارح.