شارح الدرس: الرابطة التساهمية الكيمياء • الصف الثاني الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف الرابطة التساهمية بدلالة التجاذب الكهروستاتيكي بين النَّوى الذرية وأزواج الإلكترونات المُشَاركَة.

المركبات التساهمية عبارة عن جزيئات تحتوي على روابط تساهمية. فالمحيطات مليئة بجزيئات الماء المترابطة تساهميًّا، وعرضها نحو 0.3 nm، والهواء الجوي يتكوَّن من جزيئات تساهمية لا يزيد حجمها على 0.5 nm. وتوجد المركبات التساهمية الصغيرة في جميع أرجاء العالم، ولا بد من وجود قاعدة عامة تفسِّر ميل ذرات العناصر اللافلزية في أغلب الأحيان إلى تكوين روابط تساهمية. يستخدم العلماء عادةً قاعدة الثمانيات لشرح أسباب تكوين ذرات العناصر اللافلزية مركبات مرتبطة بروابط تساهمية. ويستخدمون قاعدة الثمانيات لتوضيح لماذا تكوِّن ذرات اللافلزات في معظم الأحيان مركبات تساهمية صغيرة مستقرة.

وقاعدة الثمانيات فرضية علمية بسيطة للغاية. تنص على أن الذرات عادةً ما تتشارك الإلكترونات أو تنقلها؛ لأن هذا يساعدها في الحصول على ثمانية إلكترونات تكافؤ، والوصول إلى توزيع إلكتروني مماثل للتوزيع الإلكتروني لذرة غاز نبيل. والعديد من ذرات اللافلزات يمكن أن تصل فعليًّا إلى توزيع إلكتروني مماثل لذرة غاز نبيل إذا شاركت إلكترونًا أو أكثر مع ذرات لا فلزات أخرى. ويمكن إعادة صياغة هذه العبارة وقول إن ذرات اللافلزات يمكن أن تصل إلى توزيع إلكتروني مماثل لذرة غاز نبيل إذا كوَّنت رابطة تساهمية أو أكثر؛ لأن الروابط التساهمية ليست سوى أزواج من الإلكترونات المشتركة. يوضِّح الشكل الآتي التوزيع الإلكتروني لثلاث ذرات لغازات نبيلة تقوم على أساسها قاعدة الثمانيات. ولذرات الغازات النبيلة توزيع إلكتروني مستقر للغاية؛ لأن لها ثمانية إلكترونات تكافؤ.

يوضِّح الشكل الآتي أن ذرة الأكسجين الواحدة يمكن أن تحصل على توزيع إلكتروني مماثل للتوزيع الإلكتروني لذرة غاز نبيل إذا كوَّنت رابطتين تساهميتين أحاديتين مع ذرتَي هيدروجين. ويوضِّح الشكل أن ذرة الأكسجين تحتوي على ستة إلكترونات تكافؤ عندما لا تكون مرتبطة، وثمانية إلكترونات تكافؤ عندما تكوِّن رابطتين تساهميتين مع ذرتَي هيدروجين. وحينها يصبح التوزيع الإلكتروني لذرة الأكسجين أكثر استقرارًا في حالة تكوين رابطتين تساهميتين مع ذرتَي هيدروجين. عندما تكوِّن ذرة الأكسجين رابطتين تساهميتين مع ذرتَي هيدروجين، يصبح لها توزيع إلكتروني مماثل للتوزيع الإلكتروني لذرة النيون.

الروابط التساهمية مستقرة؛ وذلك بسبب قوى الجذب والتنافر الكهروستاتيكية بين البروتونات والإلكترونات في الذرات المترابطة تساهميًّا. يوجد تنافر كهروستاتيكي بين الجسيمات التي لها شحنات متشابهة، وجذب كهروستاتيكي بين الجسيمات التي لها شحنات متعاكسة. وقوى الجذب تجذب الذرات بعضها نحو بعض، وقوى التنافر تدفع الذرات بعضها بعيدًا عن بعض. وفي النهاية، تصبح الذرات على مسافة مستقرة تتوازن فيها قوى الجذب والتنافر الكهروستاتيكية.

مخططات بنى لويس عبارة عن رسوم توضيحية بسيطة توضِّح كيفية تشارك إلكترونات غلاف التكافؤ بين الذرات في المركبات المترابطة تساهميًّا أو أيونيًّا. ويُمثَّل كل إلكترون في غلاف التكافؤ بنقطة أو علامة x صغيرة، وتمثَّل النوى الذرية وإلكتروناتها الداخلية بالرموز الكيميائية، مثل ، .

غاز الهيدروجين () له بنية من أبسط بنى لويس؛ لأن جزيئات الهيدروجين تحتوي على ذرتَي هيدروجين فقط ()، وكل ذرة هيدروجين لها إلكترون واحد في غلاف التكافؤ. ويوضِّح الشكل الآتي جزيء الهيدروجين ومخطط بنية لويس له.

أحد إلكترونَي التكافؤ ممثَّل بنقطة حمراء، والآخر ممثَّل بنقطة سوداء. واستعملنا اللونين المتباينين الأحمر والأسود، لمساعدة القارئ في التمييز بين إلكترون التكافؤ في ذرة الهيدروجين الأولى وإلكترون التكافؤ في ذرة الهيدروجين الثانية. وسنستخدم نقاطًا باللونين المتباينين الأحمر والأسود في هذا الشارح لنساعد القارئ في التمييز بين إلكترونات التكافؤ في الذرات المترابطة تساهميًّا.

ويمكن أيضًا رسم مخططات بنى لويس بحيث تُمثَّل الرابطة التساهمية بخطٍّ مستقيم. الشكل الآتي يقارِن بين مخططات بنى لويس لجزيء الهيدروجين () وجزيء الأمونيا (). نرسم جزيء الهيدروجين به خطٌّ واحد مستقيم؛ لأنه يحتوي على رابطة تساهمية أحادية بين ذرتَي الهيدروجين (). ونرسم جزيء الأمونيا به ثلاثة خطوط مستقيمة؛ لأنه يحتوي على ثلاث روابط تساهمية بين النيتروجين والهيدروجين (). وكل خط مستقيم يُستخدم لتمثيل رابطة تساهمية واحدة. ويجب أن نلاحظ هنا أن إلكترونات التكافؤ غير المرتبطة في ذرة النيتروجين ممثَّلة بزوجٍ من النقاط الصغيرة. والزوج غير المرتبط من إلكترونات التكافؤ يُسمَّى زوجًا حرًّا من الإلكترونات

ويوضِّح الشكلان الآتيان مخطَّطات بنى لويس لمركبين بسيطين شائعين. يوضِّح الشكل الأول مخطط بنية لويس لجزيء الماء () ويوضِّح الشكل الثاني مخطط بنية لويس لجزيء الميثان (). ويُظهر مخطط بنية لويس أن ذرتَي الأكسجين والكربون يمكنهما الوصول إلى توزيع إلكتروني مماثل للتوزيع الإلكتروني لذرة غاز نبيل، إذا كوَّنتا العدد الصحيح من الروابط التساهمية مع ذرات الهيدروجين. يمكن أن تحصل ذرة الأكسجين على توزيع إلكتروني مماثل للتوزيع الإلكتروني لذرة غاز نبيل إذا كوَّنت ذرة الأكسجين رابطتَي () مع ذرتَي هيدروجين. ومن الممكن أن تحصل ذرة الكربون على توزيع إلكتروني مماثل للتوزيع الإلكتروني لذرة غاز نبيل إذا كوَّنت أربع روابط () مع أربع ذرات هيدروجين.

تكوِّن بعض الذرات ما يُسمَّى بالروابط التساهمية المزدوجة عندما تشارك كل ذرة بإلكترونَي تكافؤ. ويوضِّح الشكل الآتي رابطة تساهمية مزدوجة بين ذرتَي أكسجين. تحتوي الرابطة المزدوجة إجمالًا على أربعة إلكترونات تكافؤ. ويأتي إلكترونان من إحدى ذرتَي الأكسجين، ويأتي الإلكترونان الآخران من ذرة الأكسجين الأخرى. ويمكن تفسير تكوين الرابطة التساهمية المزدوجة بقاعدة الثمانيات. تحتوي ذرة الأكسجين على ستة إلكترونات تكافؤ في حال عدم تكوين روابط، وتحتوي على ثمانية إلكترونات تكافؤ عندما تكوِّن رابطة تساهمية مزدوجة مع ذرة أكسجين أخرى. وتحصل ذرة الأكسجين على توزيع إلكتروني مماثل للتوزيع الإلكتروني لذرة النيون عندما تكوِّن رابطة مزدوجة مع ذرة أكسجين أخرى.

وينبغي ألا نتفاجأ بأن بعض الذرات أيضًا يمكنها مشاركة ثلاثة إلكترونات تكافؤ مع ذرات أخرى للحصول على توزيع إلكتروني مماثل للتوزيع الإلكتروني لذرة غاز نبيل. يساعد تكوين الروابط التساهمية المزدوجة والثلاثية الذرات في الحصول على ثمانية إلكترونات تكافؤ والوصول إلى توزيع إلكتروني أكثر استقرارًا. ويوضِّح الشكل الآتي كيف يمكن لذرة نيتروجين واحدة أن تتشارك ثلاثة إلكترونات تكافؤ مع ذرة نيتروجين أخرى لتكوين جزيء نيتروجين () ثلاثي الرابطة.

يمكن استخدام مخططات بنى لويس في تمثيل الجزيئات المرتبطة بروابط تساهمية مزدوجة وثلاثية. تُمثَّل الرابطة المزدوجة بأربع نقاط أو خطين مستقيمين بين رمزين كيميائيين. وتُمثَّل الرابطة الثلاثية بست نقاط أو ثلاثة خطوطٍ مستقيمة بين رمزين كيميائيين. ويوضِّح الشكل الآتي مخططات بنى لويس لبعض المركبات الجزيئية البسيطة التي تحتوي على روابط تساهمية مزدوجة وثلاثية. المخطط الأول هو مخطط بنية لويس لجزيء الأكسجين ()، والمخططان التاليين هما مخططا بنى لويس لجزيء ثاني أكسيد الكربون () وجزيء النيتروجين ().

ويحتوي مخطط بنية لويس لجزيء الأكسجين على أربع نقاط أو خطين مستقيمين بين الرمزين الكيميائيين لذرتَي أكسجين (). ويوضِّح كلٌّ من طريقتي التمثيل بالنقاط والتمثيل بالخطوط أن الرابطة بين ذرتَي الأكسجين () مكوَّنة من أربعة إلكترونات تكافؤ. ويختلف مخططا بنى لويس لجزيئَي ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين اختلافًا طفيفًا. يحتوي مخطط بنية لويس لثاني أكسيد الكربون على أربع نقاط أو خطين مستقيمين بين الرمز الكيميائي للكربون () والرمز الكيميائي لكلٍّ من ذرتَي الأكسجين (). وتحتوي بنية لويس لجزيء النيتروجين على ثلاثة خطوط بين الرمزين الكيمائيين لذرتَي النيتروجين (). توضِّح مخططات بنى لويس أن الرابطة بين ذرتَي النيتروجين () في جزيء تحتوي على ستة إلكترونات، والروابط بين الأكسجين والكربون () في جزيء تحتوي كل رابطة منها على أربعة إلكترونات.

توضِّح الفقرات السابقة كيف تتَّحد الذرات لتكوِّن أنواعًا مختلفة من الروابط التساهمية. فقد أوضحت أن بعض الذرات يمكن أن تكوِّن روابط تساهمية أحادية عندما تشارك بإلكترون، وأن الذرات الأخرى يمكنها تكوين روابط تساهمية مزدوجة عندما تشارك بزوج من الإلكترونات. وأوضحت أيضًا أن بعض الذرات يمكنها تكوين روابط تساهمية ثلاثية عند مشاركتها بثلاثة إلكترونات. ويلخِّص الجدول الآتي هذه المعلومات. يوضِّح الجدول كيف تكوِّن الذرات أنواعًا مختلفة من الروابط التساهمية عن طريق مشاركة أعداد مختلفة من الإلكترونات. ينبغي أن تلاحظ هنا أن الروابط التساهمية الأحادية تمثَّل بخطٍّ مستقيمٍ واحد بين رمزين كيميائيين. والروابط التساهمية المزدوجة تمثَّل بخطين مستقيمين بين رمزين كيميائيين، والروابط التساهمية الثلاثية تمثَّل بثلاثة خطوط مستقيمة بين رمزين كيميائيين.

قاعدة الثمانيات ليست فرضية علمية لا تشوبها شائبة. هناك الكثير من الذرات التي يبدو أن قاعدة الثمانيات لا تنطبق عليها. لا يكتسب الكثير من الذرات توزيعًا إلكترونيًّا مماثلًا للتوزيع الإلكتروني لذرة غاز نبيل إذا كوَّنت روابط تساهمية ومركبات مترابطة تساهميًّا. والكثير من الذرات لا يشارك إلكترونات التكافؤ لمجرد أن ذلك يساعدها في الحصول على ثمانية إلكترونات والتوزيع الإلكتروني نفسه لذرة غاز نبيل.

ثالث فلوريد البورون جزيء صغير نسبيًّا مترابط تساهميًّا، ويبدو أنه يخالف قاعدة الثمانيات. الجزيء صيغته الكيميائية ، وبنية لويس له موضَّحة في الشكل الآتي. يمكننا أن نرى أن البورون في جزيء يحتوي على ستة إلكترونات تكافؤ بدلًا من الثمانية التي تتوقَّعها قاعدة الثمانيات. فذرة البورون لا تتشارك إلكترونات التكافؤ لمجرد أن ذلك يساعدها في الحصول على توزيعٍ إلكتروني مماثل للتوزيع الإلكتروني لذرة غاز نبيل. تتشارك ذرة البورون الإلكترونات لأسباب مختلفة لن نتناولها في هذا الشارح.

وتوجد جزيئات أخرى مترابطة تساهميًّا تبدو أنها تخالف قاعدة الثمانيات. خامس كلوريد الفوسفور مركب مترابط تساهميًّا يحتوي على ذرة فوسفور واحدة مرتبطة تساهميًّا بخمس ذرات كلور. الصيغة الكيميائية لهذا الجزيء ، وبنية لويس له موضَّحة في الشكل الآتي. يمكننا ملاحظة أن الفوسفور في جزيء يحتوي على عشرة إلكترونات بدلًا من الثمانية التي تتوقَّعها قاعدة الثمانيات. لا تتشارك ذرة الفوسفور إلكتروناتها لمجرد أن ذلك يساعدها في الوصول إلى توزيع إلكتروني مماثل للتوزيع الإلكتروني لذرة غاز نبيل.

يوضِّح كلٌّ من ثالث فلوريد البورون وخامس كلوريد الفوسفور أن ذرات اللافلزات لا تكتسب دومًا توزيعًا إلكترونيًّا مماثلًا للتوزيع الإلكتروني لذرة غاز نبيل عند تكوين مركبات جزيئية بسيطة. بعض ذرات اللافلزات يحتوي على أكثر من ثمانية إلكترونات تكافؤ عندما تكون مركبات مترابطة تساهميًّا، وبعضها يحتوي على أقل من ثمانية إلكترونات تكافؤ عندما تكون مركبات مترابطة تساهميًّا. من الواضح أن قاعدة الثمانيات لها حدود، ولا يمكن استخدامها لفهم ارتباط جميع الجزيئات المترابطة تساهميًّا. وهي محدودة أيضًا لأنه لا يمكن استخدامها في توقُّع البنية الهندسية لمركب تساهمي. عادةً ما نستخدم نظرية تنافر أزواج إلكترونات التكافؤ (VSEPR) لتوقُّع البنية الهندسية للجزيئات.

يميل الكثير من المركبات الجزيئية البسيطة المتكوِّنة بالترابط التساهمي إلى التشابه في الخواص الفيزيائية. فمعظم المركبات التساهمية البسيطة لها درجات انصهار ودرجات غليان منخفضة نسبيًّا؛ لأنه لا توجد تداخلات بين جزيئية قوية جدًّا بين الجزيئات المتجاورة المترابطة تساهميًّا. الرابطة التساهمية نفسها قوية جدًّا ويصعب كسرها، لكن التداخلات بين الجزيئية بين الجزيئات التساهمية ضعيفة جدًّا ويسهل التغلُّب عليها بسهولة بكمية صغيرة نسبيًّا من الطاقة. يوضِّح الجدول الآتي الخواص الفيزيائية المشتركة للمركبات الجزيئية التساهمية البسيطة.

يوضِّح الجدول أن المركبات التساهمية ليست من الموصلات الجيدة للحرارة أو الكهرباء. ويمكن فهم التوصيلية الكهربية المنخفضة للمركبات التساهمية بالتفكير في الجسيمات المتحرِّكة الحاملة للشحنة. من المعلوم أن المواد توصِّل التيار الكهربي فقط إذا كانت تحتوي على جسيمات متحرِّكة حاملة للشحنة. الجسيمات الحاملة للشحنة توصِّل التيار الكهربي وتجعل المادة موصلة جيدة للكهرباء. لا تنتج الجزيئات المترابطة تساهميًّا جسيمات حاملة للشحنة حتى يمكنها إيصال التيار الكهربي؛ ومن ثَمَّ فإن التوصيلية الكهربية للمركبات التساهمية البسيطة منخفضة.

ولا يمكن للجزيئات الصغيرة المترابطة تساهميًّا أن توصِّل الحرارة جيدًا بسبب الفراغات الكبيرة بين الجزيئات التساهمية المتجاورة، وأن الجزيئات لا تتصادم ببعضها كثيرًا. وهذا يُصعِّب نقل الحرارة؛ لأن التوصيل الحراري يحدث عندما تصطدم الجزيئات بعضها ببعض. يوضِّح الشكل الآتي كيفية انتقال الحرارة بين الجزيئات عندما تصطدم بعضها ببعض. أحد الجزيئين ساخن، والآخر بارد (الخطوة 1). ثم يصطدم الجزيئان، وهذا يجعل الطاقة الحرارية تنتقل من الجزيء الساخن إلى الجزيء البارد (الخطوة 2). يكتسب الجزيء البارد طاقة حرارية، أما الجزيء الآخر فيفقد طاقة حرارية. ويصبح للجزيئين كميتان متماثلتان من الطاقة الحرارية بعد وقوع التصادم (الخطوة 3).

هيا نلخِّص ما تعلَّمناه في هذا الشارح.