شارح الدرس: الرابطة القطبية الكيمياء • الصف الثاني الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نحدِّد الروابط القطبية فيما بين الجزيئات، ونقيِّم تأثيرها على قطبية الجزيء كله.

الجزيئات القطبية لها توزيع غير متماثل للكثافة الإلكترونية؛ لأن إحدى الذرات المترابطة تساهميًّا تكون لها قيمة سالبية كهربية أعلى من الأخرى. تقيس السالبية الكهربية ميل ذرة ما إلى جذب زوج إلكترونات الترابط في الرابطة الكيميائية. في عام 1932، قدَّم لينوس باولنج مقياسًا دقيقًا للسالبية الكهربية يمكن استخدامه لتحديد قدرة أي عنصر على سحب الكثافة الإلكترونية من أزواج إلكترونات الترابط.

يوضِّح الشكل الآتي جزيئًا واحدًا من كلوريد الهيدروجين. توضِّح الصورة أن كثافة إلكترونات الترابط (السحابة الملونة) تتركَّز حول ذرة الكلور الأكثر سالبيةً.

يمكن استخدام قيم السالبية الكهربية وفق مقياس باولنج لفهم سبب تكوين بعض الذرات مركبات جزيئية بسيطة، في حين ترتبط الذرات الأخرى معًا وتشكِّل شُبيكات أيونية عملاقة. عادةً ما ترتبط العناصر معًا وتكوِّن مركبات بسيطة ذات روابط تساهمية عندما تكون لها نفس قيم السالبية الكهربية أو قيم متشابهة للغاية. عادةً ما يرتبط عنصران أيونيًّا ويُكوِّنان بنى أيونية عملاقة عندما تكون قيمة السالبية الكهربية لأحد العنصرين منخفضة جدًّا، وتكون قيمة السالبية الكهربية للعنصر الآخر أعلى بكثير.

ويمكن تعريف الفرق المطلق بين قيم السالبية الكهربية كالآتي: ؛ حيث يكون و قيمتَي السالبية الكهربية لعنصرين مترابطين كيميائيًّا. يرتبط عادةً العنصران معًا، ويكوِّنان روابط تساهمية عندما يكون الفرق بين قيمتَي السالبية الكهربية أقل من 1.7. يرتبط عادةً العنصران معًا، ويكوِّنان روابط أكثر أيونية عندما يكون الفرق بين قيمتَي السالبية الكهربية أكبر من 1.7.

يحدِّد أيضًا الفرق المطلق بين قِيَم السالبية الكهربية إذا ما كانت المركبات الجزيئية البسيطة تُكوِّن جزيئات ذات روابط تساهمية قطبية أو غير قطبية. ويرتبط عادةً عنصران معًا ويكوِّنان جزيئات ذات روابط تساهمية غير قطبية عندما يكون الفرق بين قيمتَي السالبية الكهربية لهما أقل من 0.4. ويرتبط عادةً عنصران معًا ويكوِّنان جزيئات ذات روابط تساهمية قطبية عندما يكون الفرق بين قيمتَي السالبية الكهربية لهما أكبر من 0.4، لكنه أقل من 1.7.

تُوزَّع إلكترونات الترابط في المركبات الأيونية بشكل غير متساوٍ، لكنها تكُون مُتشاركة بشكل متساوٍ أكثر قليلًا في المركبات ذات الروابط التساهمية القطبية. تكُون أزواج إلكترونات الترابط مُتشاركة بشكل متساوٍ أكثر في المركبات التساهمية غير القطبية، وتكون متشاركة بالتساوي تمامًا في المركبات التساهمية النقية. تحتوي المركبات التساهمية النقية دائمًا على ذرات لها نفس قِيَم السالبية الكهربية.

على سبيل المثال، تحتوي جزيئات غاز الهيدروجين () على ذرتَي هيدروجين قيمتاهما متطابقتان على مقياس باولنج للسالبية الكهربية؛ وهما 2.20. لا يستطيع أيٌّ من ذرتَي الهيدروجين سحب كثافة إلكترونية أكبر من ذرة الهيدروجين الأخرى. الكثافة الإلكترونية، كما هو موضَّح في الآتي، مُتشاركة بالتساوي تمامًا بين ذرتَي الهيدروجين المترابطتين، وتُوصَف الرابطة باعتبارها تساهمية نقية أو غير قطبية تمامًا.

أزواج إلكترونات الترابط متشاركة بشكل غير متساوٍ في المركبات التساهمية القطبية، مثل جزيئات كلوريد الهيدروجين (). قيمة السالبية الكهربية للهيدروجين منخفضة نسبيًّا، وهي 2.20، وقيمة السالبية الكهربية للكلور أعلى بكثير، وهي 3.16. في جزيء ، تكون ذرة الكلور أكثر فاعليةً بكثير في سحب زوج إلكترونات الترابط، والرابطة التساهمية تكون تقريبًا ذات قطبية عالية دائمًا. تتحرَّك الكثافة الإلكترونية السالبة الشحنة نحو ذرة الكلور، ليصبح لها في النهاية شحنة كهروستاتيكية سالبة جزئية ()، ويكون لذرة الهيدروجين في النهاية شحنة كهروستاتيكية موجبة جزئية ().

مثال ٤: فهم كيفية توزيع الكثافة الإلكترونية في جزيئات كلوريد الهيدروجين

أيُّ المُخطَّطات الآتية يوضِّح التمثيل الصحيح للسحابة الإلكترونية التي تُحِيط بجزيء ؟

الحل

قيمة السالبية الكهربية للهيدروجين هي 2.20، وقيمة السالبية الكهربية لذرات الكلور أعلى بكثير، وهي 3.16. تتحرَّك الكثافة الإلكترونية السالبة الشحنة نحو ذرة الكلور ذات السالبية الكهربية العالية، وتحصل في النهاية على شحنة كهروستاتيكية سالبة جزئية ()، وتصبح ذرة الهيدروجين المترابطة تساهميًّا ذات شحنة كهروستاتيكية موجبة جزئية (). إذن من المتوقَّع وجود سحابة أكبر من الكثافة الإلكترونية حول ذرة الكلور، مع وجود سحابة أصغر من الكثافة الإلكترونية حول ذرة الهيدروجين. وأفضل توضيح لمثل هذا التوزيع يكون في الخيار ج.

يكون توزيع الكثافة الإلكترونية غير متماثل حول مركز الرابطة التساهمية . يكون أحد جانبَي جزيء كلوريد الهيدروجين ذا شحنة كهروستاتيكية موجبة جزئية، ويكون الجانب الآخر ذا شحنة كهروستاتيكية سالبة جزئية. يوجد فرق كبير في الكثافة الإلكترونية عند طرفَي جزيئات كلوريد الهيدروجين، وهناك عزم كهربي ثنائي القطب يسري من ذرة الهيدروجين إلى ذرة الكلور. يُطلَق على القياس الكمي لثنائي القطب العزم الثنائي القطب، ويمثِّله الحرف .

من المهم معرفة أن أي جزيء لا يمكن تلقائيًّا افتراض أنه جزيء قطبي لمجرد احتوائه على رابطة تساهمية قطبية واحدة على الأقل. ستولِّد الذرات المترابطة التي لها قيم مختلفة اختلافًا كبيرًا في السالبية الكهربية عزمًا كهربيًّا ثنائي القطب في اتجاه واحد، لكن يمكن أن تحتوي الجزيئات على عزوم كهربية أخرى ثنائية القطب لها اتجاه واحد، ويمكن أن يلغي اثنان أو أكثر من هذه المتجهات أحدهما الآخر.

يوضِّح الشكل الآتي كيف يمكن أن تلغي ثلاث روابط تساهمية قطبية لجزيئات ثلاثي فلوريد البورون بعضها بعضًا. يتضمَّن هذا الجزيء ثلاث روابط قطبية ليس لها إجمالي عزم ثنائي القطب؛ لأن الجزيء له شكل متماثل للغاية. تعاكس الروابط القطبية بعضها بعضًا بشكل فعَّال، ولا يصبح للجزيء في النهاية إجمالي عزم ثنائي القطب. ولن تكون للجزيئات عادةً إجمالي عزم ثنائي القطب إذا كانت لها أشكال متماثلة للغاية.

عادةً ما يستخدم الكيميائيون الأسهم الثنائية القطب لتوضيح اتجاه جذب زوج إلكترونات الترابط في الجزيئات القطبية. توضِّح علامة «+» الذرة التي لها شحنة كهروستاتيكية موجبة جزئية، ويوضِّح رأس السهم الجانب الذي له شحنة كهروستاتيكية سالبة جزئية. يوضِّح الشكل الآتي كيف يمكن استخدام سهم واحد ثنائي القطب لتمثيل العزم الكهربي الثنائي القطب الذي يمر بامتداد الرابطة في كلوريد الهيدروجين.

يجب أن ندرس الأشكال الهندسية للجزيئات عندما نحاول تحديد القطبية الكلية لمركَّب كيميائي يحتوي على ذرة واحدة على الأقل ذات سالبية كهربية عالية، وذرة واحدة على الأقل جاذبة بشكل ضعيف. الماء () وثاني أكسيد الكربون () مركَّبان جزيئيان بسيطان يحتوي كلٌّ منهما على ثلاث ذرات، لكن أحدهما فقط له إجمالي عزم ثنائي القطب؛ لأن الجزيئات لها أشكال مختلفة تمامًا. توضِّح الصورة الآتية هذه المركَّبات وقِيم عزمها الثنائي القطب.

ثاني أكسيد الكربون جزيء متماثل، والسهمان المتعاكسان للعزم الثنائي القطب يلغي أحدهما الآخر. أما الماء، فله تركيب زاوي (منحنٍ)، ويدعم سهما العزم الثنائي القطب أحدهما الآخر، وهذا يُنتج عزمًا كبيرًا ثنائي القطب يسري من ذرات الهيدروجين إلى زوج الإلكترونات الحرة على ذرة الأكسجين. وفي النهاية يصبح لجزيئات الماء إجمالي عزم ثنائي القطب، وإجمالي العزم الثنائي القطب لجزيئات ثاني أكسيد الكربون يساوي صفرًا.

تُعد الأمونيا جزيئًا قطبيًا آخر. تحتوي على ذرة نيتروجين مرتبطة بثلاث ذرات هيدروجين، وصيغتها الجزيئية . تعتبر جميع الروابط بين النيتروجين والهيدروجين قطبية؛ لأن الفرق المطلق بين السالبية الكهربية يساوي 0.84. يحتوي جزئ الأمونيا على إجمالي عزم ثنائي القطب لأن الجزيء له شكل غير متماثل. الأسهم الثلاثة للعزم الثنائي القطب في الرابطة يقوي بعضها بعضًا، ويوجد عزم ثنائي القطب من المستوى الذي توجد فيه ذرات الهيدروجين إلى المستوى الذي يوجد فيه زوج الإلكترونات الحرة على ذرة النيتروجين.

تُعد روابط الموجودة في الماء أكثر قطبية من روابط في الأمونيا؛ نظرًا للفرق في قيم . تُعد القطبية في روابط أكثر وضوحًا؛ لأن بها ، أمَّا روابط فبها . تتمتع جزيئات الماء بخصائص فيزيائية غير عادية؛ لأنها تحتوي على روابط ذات قطبية عالية. تتميز بدرجات انصهار عالية ودرجات غليان مرتفعة نظرًا لأن بها روابط ذات قطبية عالية.

يمكن تطبيق مجموعة الأسباب نفسها على المركبات الجزيئية البسيطة المتوسطة الحجم لتحديد إذا ما كان لها إجمالي عزم ثنائي القطب، ولحساب قيمة أي عزم ثنائي القطب موجود بالفعل. يحتوي رابع كلوريد الكربون () على ذرة كربون مرتبطة تساهميًّا مع أربع ذرات كلور أخرى ذات سالبية كهربية عالية. موضَّح في الآتي جزيء يتضمَّن أربع روابط تساهمية متطابقة ، كلٌّ منها رابطة قطبية. على الرغم من أن رابع كلوريد الكربون يتضمَّن أربع روابط تساهمية قطبية، فليس له إجمالي عزم ثنائي القطب؛ لأن الروابط التساهمية الأربع التي تمثِّلها أسهم العزم الثنائي القطب، يلغي بعضها بعضًا. لا يتضمَّن الجزيء إجمالي عزم ثنائي القطب بسبب شكله المتماثل للغاية.