تم إلغاء تنشيط البوابة. يُرجَى الاتصال بمسؤول البوابة لديك.

شارح الدرس: الرابطة القطبية الكيمياء

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.

تعريف: الرابطة القطبية

الرابطة القطبية نوعٌ من الرابطة التساهمية توزَّع خلالها إلكترونات الترابط بشكل غير متساوٍ بين الذرات المترابطة.

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.

تعريف: السالبية الكهربية

تقيس السالبية الكهربية ميل ذرة ما إلى جذب زوج إلكترونات الترابط في الرابطة الكيميائية.

مثال ١: فهم كيفية تعريف الكيميائيين لقدرة ذرة على سحب زوج إلكترونات الترابط

املأ الفراغ: تُعرَف قدرة إحدى الذرات على جذب زوج من الإلكترونات في الرابطة الكيميائية بـ .

  1. الميل النووي
  2. السالبية الكهربية
  3. الميل الإلكتروني
  4. التوصيلية
  5. طاقة التأيُّن

الحل

تقيس السالبية الكهربية ميل ذرة ما إلى جذب زوج إلكترونات الترابط في الرابطة الكيميائية. قدَّم لنا لينوس باولنج مقياسًا دقيقًا للسالبية الكهربية لمعظم العناصر الكيميائية. يمكننا استخدام هذه العبارات لتحديد أن الخيار ب هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

ويمكن تعريف الفرق المطلق بين قيم السالبية الكهربية كالآتي: Δ𝐸𝑁=|𝐸𝐸|؛ حيث يكون 𝐸 و𝐸 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.

تعريف: الفرق المطلق بين قيم السالبية الكهربية (Δ𝐸𝑁)

يمكن تعريف الفرق المُطلَق بين قيم السالبية الكهربية كالآتي: Δ𝐸𝑁=|𝐸𝐸|؛ حيث يكون 𝐸 و𝐸 قيمتَي السالبية الكهربية لعنصرين مترابطين كيميائيًّا.

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.

نوع الرابطةفرق السالبية الكهربيةأمثلة للجزيئات
تساهمية نقية0غاز الهيدروجين (H2)
تساهمية غير قطبيةأقل من 0.4الميثان (CH4)
تساهمية قطبيةبين 0.4 و1.7فلوريد الهيدروجين (HF)
أيونيةأكبر من 1.7فلوريد الصوديوم (NaF)

مثال ٢: فهم الخواص الكيميائية التي تحدِّد قطبية رابطة بين عنصرين

أيٌّ من الآتي يُحدِّد قطبية رابطة بين عنصرين؟

  1. الفرق في السالبية الكهربية بين العنصرين
  2. الحجم الذري للعنصرين
  3. عدد إلكترونات التكافؤ في العنصرين
  4. نوع الرابطة بين العنصرين
  5. الفرق في طاقة التأيُّن الأولى بين العنصرين

الحل

تقيس السالبية الكهربية ميل ذرة ما إلى جذب زوج إلكترونات الترابط في الرابطة الكيميائية. يمكن استخدام الفرق المطلق بين قيمتَي السالبية الكهربية (Δ𝐸𝑁) لتحديد إذا ما كان عنصران مترابطان كيميائيًّا يكوِّنان مركبًا ذا رابطة تساهمية أو أيونية.

يمكن أيضًا استخدام الفرق المطلق بين قيمتَي السالبية الكهربية لتحديد إذا ما كان مركب جزيئي بسيط يكوِّن جزيئًا ذا رابطة تساهمية غير قطبية أو قطبية. يمكن استخدام هذه العبارات لتحديد أن الخيار أ هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

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.

نوع الرابطةتوزيع إلكترونات الترابط
تساهمية نقيةمتساوٍ تمامًا
تساهمية غير قطبية غير متساوٍ إلى حدٍّ ما
تساهمية قطبيةغير متساوٍ بشكل ملحوظ
أيونيةغير متساوٍ للغاية

تعريف: الرابطة التساهمية النقية

أزواج إلكترونات الترابط تكُون متشاركة بالتساوي تمامًا في الروابط التساهمية النقية.

على سبيل المثال، تحتوي جزيئات غاز الهيدروجين (H2) 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 HH باعتبارها تساهمية نقية أو غير قطبية تمامًا.

مثال ٣: فهم كيفية تعريف الكيميائيين الروابط التساهمية غير القطبية بالكامل

أيٌّ من الآتي يُمثِّل نوع الرابطة التي تتكوَّن عندما تتم مشاركة إلكترونين بالتساوي في رابطة كيميائية؟

  1. الرابطة الأيونية
  2. الرابطة التساهمية النقية
  3. الرابطة التساهمية القطبية
  4. الرابطة الهيدروجينية

الحل

الروابط الهيدروجينية إحدى أقوى القوى بين الجزيئية التي تتكوَّن بين أزواج الإلكترونات الحرة وذرات الهيدروجين، والتي ترتبط ارتباطًا تساهميًّا بذرات لها بعضٌ من أعلى القيم الممكنة للسالبية الكهربية.

الروابط الأيونية قوًى داخل الجزيئات تتكوَّن عندما تنتقل إلكترونات التكافؤ من ذرة عنصر فلزي إلى ذرة أخرى لعنصر لا فلزي. تُنتج هذه العملية أيونات فلزية موجبة الشحنة، وأيونات لا فلزية سالبة الشحنة ينجذب بعضها إلى بعض من خلال القوى الكهروستاتيكية. يمكننا استخدام هذه العبارات لتحديد أن الخيارين د، أ لا يمكن أن يكونا إجابتين صحيحتين لهذا السؤال. علينا الآن المقارنة بين الروابط التساهمية النقية والقطبية لتحديد إذا ما كان الخيار ب أو ج هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

تتكوَّن الروابط التساهمية القطبية من ذرات لها قيم مختلفة في السالبية الكهربية. تجذب إحدى الذرات المرتبطة كمية غير متناسبة من الكثافة الإلكترونية، وتصبح الكثافة الإلكترونية مُركَّزة على أحد جانبَي الرابطة الكيميائية. تتكوَّن الروابط التساهمية النقية من ذرات لها نفس قيم السالبية الكهربية، وتكون الإلكترونات مُتشاركة بالتساوي تمامًا بين الذرتين المرتبطتين. لا يستطيع أيٌّ من الذرتين المرتبطتين سحب كثافة إلكترونية من زوج إلكترونات الترابط أكثر من الذرة المرتبطة الأخرى. يمكننا استخدام هذه العبارات لتحديد أن الإجابة ب يجب أن تكون الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

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

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

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

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 (𝛿)، وتصبح ذرة الهيدروجين المترابطة تساهميًّا ذات شحنة كهروستاتيكية موجبة جزئية (𝛿+). 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 HCl. 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 𝜇.

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.

تعريف: العزم الثنائي القطب

يقيس العزم الثنائي القطب قطبية جزيء مترابط كيميائيًّا.

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 HCl في كلوريد الهيدروجين.

Hδ+Clδ–

تعريف: السهم الثنائي القطب

تُستخدَم الأسهم الثنائية القطب لتوضيح اتجاه جذب زوج إلكترونات الترابط في الجزيئات القطبية.

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 (HO2) وثاني أكسيد الكربون (CO2) 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.

COOOHH

ثاني أكسيد الكربون جزيء متماثل، والسهمان المتعاكسان للعزم الثنائي القطب CO يلغي أحدهما الآخر. أما الماء، فله تركيب زاوي (منحنٍ)، ويدعم سهما العزم الثنائي القطب OH 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 NH3. 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 NH 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.

NHHH

تُعد روابط OH الموجودة في الماء أكثر قطبية من روابط NH في الأمونيا؛ نظرًا للفرق في قيم Δ𝐸𝑁. تُعد القطبية في روابط OH أكثر وضوحًا؛ لأن بها Δ𝐸𝑁=1.24، أمَّا روابط NH فبها Δ𝐸𝑁=0.84. 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.

مثال ٥: فهم كيفية توزيع الإلكترونات في الجزيئات البسيطة الثنائية والثلاثية الذرة

تُكوَّن الشحنات الجزئية من التوزيع غير المتماثل للإلكترونات في روابط كيميائية داخل الجزيئات.

  1. في الشكل الآتي، حدِّد الذرة التي لها شحنة دلتا موجبة.
    1. الكلور
    2. الهيدروجين
  2. في الشكل الآتي، حدِّد الذرة التي لها شحنة دلتا سالبة.
    1. الهيدروجين
    2. الأكسجين

الحل

الجزء الأول

تُستخدَم الأسهم الثنائية القطب لتوضيح اتجاه جذب زوج إلكترونات الترابط في الجزيئات القطبية. يُشير السهم إلى أن الكثافة الإلكترونية تُسحب بعيدًا عن ذرات الهيدروجين؛ ومن ثَمَّ، شحنة دلتا الموجبة (𝛿+) ستكون على ذرة الهيدروجين. يمكننا استخدام هذه العبارات لتحديد أن الخيار ب هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

الجزء الثاني

تُستخدَم الأسهم الثنائية القطب لتوضيح اتجاه جذب زوج إلكترونات الترابط في الجزيئات القطبية. يُشير السهم إلى أن الكثافة الإلكترونية تجذب في اتجاه ذرة الأكسجين؛ ومن ثَمَّ، شحنة دلتا السالبة (𝛿) ستكون على ذرة الأكسجين. يمكننا استخدام هذه العبارات لتحديد أن الخيار ب هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

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 (CCl4) على ذرة كربون مرتبطة تساهميًّا مع أربع ذرات كلور أخرى ذات سالبية كهربية عالية. موضَّح في الآتي جزيء CCl4 يتضمَّن أربع روابط تساهمية متطابقة CCl، 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 CCl الأربع التي تمثِّلها أسهم العزم الثنائي القطب، يلغي بعضها بعضًا. لا يتضمَّن الجزيء إجمالي عزم ثنائي القطب بسبب شكله المتماثل للغاية.

النقاط الرئيسية

  • تقيس السالبية الكهربية ميل ذرة ما إلى جذب زوج إلكترونات الترابط في رابطة كيميائية.
  • يمكن استخدام الفرق المطلق بين قيم السالبية الكهربية (Δ𝐸𝑁) لتحديد إذا ما كان عنصران مترابطان كيميائيًّا يكوِّنان مركبًا ذا رابطة تساهمية أو أيونية.
  • يمكن استخدام الفرق المطلق بين قيم السالبية الكهربية (Δ𝐸𝑁) لتحديد إذا ما كانت الرابطة التساهمية قطبية أو غير قطبية.
  • تحتوي المركبات القطبية المرتبطة تساهميًّا على ذرة واحدة على الأقل لها شحنة كهروستاتيكية سالبة جزئية (𝛿) وذرة واحدة على الأقل تحتوي على شحنة كهروستاتيكية موجبة جزئية (𝛿+).
  • تُستخدَم الأسهم الثنائية القطب لتوضيح اتجاه جذب زوج إلكترونات الترابط في الجزيئات القطبية.
  • يمكن أن يحدِّد شكل أي جزيء قطبي إذا ما كان له إجمالي عزم ثنائي القطب، أو إذا كانت الأسهم المنفصلة للعزم الثنائي القطب يلغي بعضها بعضًا.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.