فيديو الدرس: الرابطة القطبية الكيمياء

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نحدد الروابط القطبية في الجزيئات، ونقيم تأثيرها على قطبية الجزيء كله.

١٨:٠١

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف يمكن أن تؤدي السالبية الكهربية للذرات في الجزيء إلى تكوين روابط قطبية. وسوف نتعلم كيف نحدد الروابط القطبية في الجزيء ونحدد تأثيرها على قطبية الجزيء كله. قبل أن نتناول موضوع الترابط القطبي، دعونا نتوقف دقيقة لمراجعة السالبية الكهربية.

السالبية الكهربية تصف ميل الذرة إلى جذب الإلكترونات المشتركة في الرابطة. تزيد السالبية الكهربية بالاتجاه من اليسار إلى اليمين في الجدول الدوري وكذلك بالانتقال لأعلى المجموعة. يمكن استخدام مقياس باولينج للسالبية الكهربية لقياس السالبية الكهربية للذرات؛ وهو مقياس غير قائم على استخدام وحدات القياس وإنما هو مقياس مرقم من صفر إلى أربعة، وأربعة هي القيمة الأعلى. الفلور له أعلى قيمة سالبية كهربية وهي 3.98. في حين أن عنصرًا مثل الصوديوم له قيمة سالبية كهربية أقل بكثير. ونلاحظ أن عنصرًا مثل الكربون، الذي له قيمة سالبية كهربية تساوي 2.55 يكون أقل سالبية كهربية من الفلور ولكن أكثر سالبية كهربية من الصوديوم.

إذن، ما تأثير السالبية الكهربية للذرة على الرابطة في الجزيء؟ حسنًا، لنتخيل أن الرابطة بين ذرتين تشبه هذا الرسم. هنا الإلكترونات التي تكون هذه الرابطة مشتركة بين الذرتين. ويوضح الشكل الذي لدينا أن الإلكترونات متشاركة بالتساوي بين الذرتين. ولكن وفقًا للسالبية الكهربية لهاتين الذرتين، قد لا تكون الإلكترونات متشاركة بالتساوي على هذا النحو. على سبيل المثال، إذا كانت هذه الذرة الوردية على الجانب الأيسر أكثر سالبية كهربية من الذرة البرتقالية على الجانب الأيمن، فستجذب الإلكترونات بقوة أكبر من الذرة البرتقالية، وهو ما يعني أن الإلكترونات ستنجذب نحو الذرة الوردية. والعكس بالعكس إذا كانت الذرة البرتقالية على الجانب الأيمن هي الأكثر سالبية كهربية. في هذه الحالة، ستنجذب الإلكترونات نحو الذرة البرتقالية.

يمكننا تمثيل الترابط على هيئة طيف. عند أحد طرفي الطيف، نجد أن الإلكترونات متشاركة بالتساوي تمامًا بين الذرتين في الرابطة. على سبيل المثال، هذا ما نلاحظه في جزيء الكلور. بما أن هاتين الذرتين متماثلتان، فهذا يعني أنه لا يوجد فرق في السالبية الكهربية. ولذا، فلن تجذب إحدى الذرتين الإلكترونات نحوها أكثر من الذرة الأخرى. وفي الطرف الآخر من الطيف، لدينا رابطة أيونية، مثل التي نراها في كلوريد الصوديوم. لدينا هنا فرق كبير جدًّا في السالبية الكهربية بحيث لم تعد الإلكترونات متشاركة بين الذرتين. بدلًا من ذلك، تجذب الذرة الأكثر سالبية كهربية تلك الإلكترونات بقوة، ومن ثم تصبح أيونًا سالب الشحنة، والذرة الأقل سالبية كهربية تصبح أيونًا موجب الشحنة. وبالنسبة لأي رابطة أخرى تقع في منتصف الطيف، سيكون توزيع الإلكترونات غير متساو، كما في جزيء كلوريد الهيدروجين.

لدينا هنا فرق في السالبية الكهربية بين الذرتين، ولكنه ليس كبيرًا مثلما نلاحظ في الرابطة الأيونية. يطلق على مثل هذه الرابطة في جزيء به إلكترونات غير متشاركة بالتساوي اسم الرابطة القطبية، وتوصف الروابط التي بها إلكترونات متشاركة بالتساوي بأنها غير قطبية، وكما قلنا، الروابط التي تقع في الطرف الآخر من الطيف هي روابط أيونية. ويمكننا بصورة عامة استخدام الفرق في السالبية الكهربية بين الذرات لتحديد ما إذا كانت الرابطة قطبية أم غير قطبية أم أيونية.

إذا كان الفرق في السالبية الكهربية بين الذرتين حوالي 0.4 أو أقل من ذلك، يمكننا أن نعتبر أن هذه الرابطة غير قطبية. وإذا كان الفرق أكبر من 1.8، فسنعتبر أن هذه الرابطة أيونية. وبالطبع، أي رابطة في المنتصف ستكون رابطة قطبية. جدير بالذكر أنه نظرًا لوجود هذا النطاق الخاص بالفرق في السالبية الكهربية الذي يحدد الرابطة غير القطبية، فإن الروابط غير القطبية لا تقتصر فقط على الجزيئات التي تحتوي على ذرتين متماثلتين، مثل الكلور. على سبيل المثال، الرابطة بين الكربون والهيدروجين في جزيء الميثان تعد أيضًا رابطة غير قطبية. وذلك لأن السالبية الكهربية للكربون تساوي 2.55، والسالبية الكهربية للهيدروجين تساوي 2.2. إذن، الفرق في السالبية الكهربية يساوي 0.35، أي إنه أصغر من 0.4.

إذن، ما الأثر الذي يحدثه التشارك غير المتساوي بسبب الفرق في السالبية الكهربية على الرابطة والجزيء؟ حسنًا، الإلكترونات الموجودة في الرابطة القطبية تكون أقرب إلى أحد جانبي الجزيء عن الجانب الآخر. لمعرفة تأثير ذلك، دعونا نقارن بين السحابتين الإلكترونيتين لجزيء قطبي وجزيء غير قطبي. بالنظر إلى الجزيء غير القطبي، يمكننا أن نلاحظ أن السحابة الإلكترونية منتظمة تمامًا حول الجزيء. فلا توجد مناطق ذات شحنة سالبة أكثر كثافة أو أقل كثافة. ولكن في الجزيء القطبي، السحابة الإلكترونية غير منتظمة. ذلك لأن الإلكترونات أقرب إلى أحد جانبي الجزيء من الجانب الآخر، ولأن الجانب الذي توجد فيه الإلكترونات تكون شحنته سالبة أكثر من الجانب الآخر. بعبارة أخرى، يوجد جانب سالب وجانب موجب في الجزيء.

إنها ليست شحنة سالبة كليًّا وليست شحنة موجبة كليًّا كما نلاحظ في الرابطة الأيونية؛ نظرًا لعدم وجود أيونات في الرابطة القطبية. بدلًا من ذلك، لدينا شحنات جزئية في الجزيئات القطبية، وهو ما نشير إليه بالحرف اليوناني الصغير ‪𝛿‬‏. عندما يحدث انفصال بين الشحنات عبر مسافة ما، مثلما نلاحظ في هذا الجزيء القطبي؛ حيث تكون لدينا تلك الشحنة السالبة الجزئية والشحنة الموجبة الجزئية، ينتج ما يسمى بالعزم الثنائي القطب. إذن، بما أنه يوجد انفصال بين الشحنات في هذا الجزيء سيوجد عزم ثنائي القطب، ويمكننا الإشارة إليه بسهم مثل ذلك. أحد طرفي هذا السهم به علامة زائد عند طرفه، وهي التي دائمًا ما تكون عند الجانب الموجب من الجزيء، ثم يشير السهم إلى الجانب السالب من الجزيء.

حتى الآن، تناولنا الجزيئات التي تحتوي على ذرتين. إذن، ما تأثير الترابط القطبي على الجزيئات الأكبر من ذلك؟ حسنًا، في الجزيء الذي يحتوي على ذرتين فقط، يجعل الترابط القطبي الجزيء بأكمله قطبيًّا. ولكن عندما توجد ذرات أكثر في الجزيء، فإن تحديد وجود روابط قطبية في الجزيء من عدمه لا يكفي لمعرفة ما إذا كان الجزيء قطبيًّا بأكمله أم لا. وهذا لأن العزوم الثنائية القطب يمكن أن يلغي بعضها بعضًا. يمكن تشبيه ذلك بالكيفية التي يلغي بها العددان سالب واحد وموجب واحد أحدهما الآخر على خط الأعداد. وهذا لأن العزوم الثنائية القطب تسمى متجهات، أي خطوطًا مستقيمة ذات اتجاهات.

لكن هذا المصطلح ليس ضروريًّا لاستيعاب المفهوم الذي نتناوله هنا. على سبيل المثال، قد يكون هذا الجزيء ثاني أكسيد الكربون. الأكسجين أكثر سالبية كهربية من الكربون، ولذلك توجد روابط قطبية في هذا الجزيء. ولكن نظرًا لأن الذرتين في الطرفين المتقابلين من الجزيء متماثلتان، فستجذبان ذرة الكربون المركزية بالتساوي فيما بينهما. بعبارة أخرى، تلغي العزوم الثنائية القطب بعضها بعضًا. أو بمعنى آخر، بالرغم من أن هذا الجزيء به روابط قطبية نظرًا لوجود فرق في السالبية الكهربية بين ذرات الجزيء، فإن الجزيء الكلي غير قطبي لأن العزوم الثنائية القطب يلغي بعضها البعض.

دعونا نلق نظرة على جزيء آخر، وهو ثلاثي فلوريد البورون أو ‪BF3‬‏. الفلور أكثر سالبية كهربية من البورون. ولذلك، فإن جميع ذرات الفلور لها شحنة سالبة جزئية، في حين أن البورون له شحنة موجبة جزئية. وهذا يعني أن جميع الروابط الثلاث ستكون قطبية مع وجود عزم ثنائي القطب في اتجاه الفلور. لكن هل هذا الجزيء قطبي؟ حسنًا، وفقًا لنظرية تنافر أزواج إلكترونات التكافؤ، فإن جميع زوايا الرابطة في هذا الجزيء متطابقة، وقياسها يساوي 120 درجة. وهذا يعني أننا سنلاحظ شيئًا مشابهًا لما رأيناه في ثاني أكسيد الكربون. وبما أن جميع هذه الروابط الثلاث توجد بين البورون والفلور، فإنها متطابقة من حيث القوة والشدة.

ولكي يكون الجزيء قطبيًّا، يجب أن توجد منطقة ذات كثافة إلكترونية أكبر في الجزيء. لكن هذه الروابط الثلاث تقع على مسافات متساوية، وتجذب الإلكترونات بقوى متساوية. إذن، ستكون كثافة الإلكترونات متساوية في جميع الاتجاهات. وهذا يعني أنه كما رأينا في جزيء ثاني أكسيد الكربون، ستلغى العزوم الثنائية القطب في الرابطة، وهو ما يعني أن الجزيء غير قطبي، إلا أنه تصعب ملاحظة ذلك قليلًا مقارنة بثاني أكسيد الكربون. وهناك طريقة أخرى للتفكير في ذلك، وهي أننا إذا قمنا بتدوير الجزيء، فسيبدو على الشكل نفسه. وهكذا، من المؤكد أن العزوم الثنائية القطب يلغي بعضها بعضًا.

والآن لنلق نظرة على هذا الجزيء، رباعي كلوريد الكربون. الكلور أكثر سالبية كهربية من الكربون. إذن، فإن جميع ذرات الكلور لها شحنة سالبة جزئية، في حين أن الكربون له شحنة موجبة جزئية. وهذا بالطبع يعني أن جميع هذه الروابط قطبية. لكن هل هذا الجزيء قطبي؟ مرة أخرى، جميع هذه الزوايا متطابقة. تصنع هذه الروابط كلها زوايا قياسها 109.5 درجات مع بعضها البعض. إذن، مثلما حدث سابقًا، فإن العزوم الثنائية القطب في الرابطة ستكون متماثلة تمامًا ويلغي بعضها بعضًا. لذا فإن هذا الجزيء غير قطبي.

من المؤكد أنك لاحظت نمطًا معينًا هنا. فجميع الجزيئات المتماثلة، حتى إذا كان بها روابط قطبية، ستكون غير قطبية. على سبيل المقارنة، دعونا نلق نظرة على جزيئين آخرين، ونرى ما إذا كانا قطبيين أم لا، ولنبدأ بهذا الجزيء، ‪CH3Cl‬‏. كما ذكرنا من قبل، لا يوجد عمومًا فرق كبير في السالبية الكهربية بين الكربون والهيدروجين يكفي لنعتبر أن هذه الروابط قطبية. لكن الكربون أقل سالبية كهربية من الكلور، وهو ما يعني أن الكلور له شحنة سالبة جزئية، والكربون له شحنة موجبة جزئية. وهذا يعني أنه سيوجد عزم ثنائي القطب يتجه من الكربون إلى الكلور. يمكننا أن نلاحظ بوضوح أن هذا الجزيء ليس متماثلًا كالجزيئات التي تناولناها سابقًا. فالجزيء به عزم ثنائي القطب لا يلغيه عزم آخر، لذا فهو جزيء قطبي.

دعونا نلق نظرة على هذا الجزيء التالي، وهو الأمونيا أو ‪NH3‬‏. النيتروجين أكثر سالبية كهربية من الهيدروجين. لذلك، توجد شحنة سالبة جزئية في النيتروجين، وشحنة موجبة جزئية في الهيدروجين. وهذا يعني أنه ستوجد عزوم ثنائية القطب تتجه من ذرات الهيدروجين إلى النيتروجين. والآن، قد يبدو هذا الجزيء متماثلًا، لكن لا يمكننا أن نتجاهل هذا الزوج الحر. يمكننا أن نتخيل تدوير هذا الجزيء بحيث يصبح الزوج الحر في موضع مختلف. وسنلاحظ أن هذا الجزيء لا يبدو كما كان من قبل. وهذا يعني أن العزوم الثنائية القطب لن يلغي بعضها بعضًا. وستظل محصلة العزوم الثنائية القطب في اتجاه النيتروجين، مما يعني أن الجزيء قطبي.

دعونا نلق نظرة على مثال آخر، وهو الماء أو ‪H2O‬‏. الأكسجين أكثر سالبية كهربية من الهيدروجين. إذن، ذرات الهيدروجين ستكون لها شحنة موجبة جزئية، في حين أن الأكسجين له شحنة سالبة جزئية، مما يعني أن كل رابطة ستكون قطبية مع وجود عزم ثنائي القطب في اتجاه الأكسجين. لكن كما لاحظنا في الأمونيا، لن تلغي هذه العزوم الثنائية القطب بعضها بعضًا نظرًا لوجود الأزواج الحرة في الماء. وبدلًا من ذلك توجد محصلة جذب للإلكترونات في اتجاه الأكسجين. أي إن هذا الجزيء قطبي.

والآن لقد تعلمنا كيفية تحديد الرابطة القطبية وتأثير ذلك على الجزيئات. لذا، دعونا نتناول بعض المسائل قبل الانتهاء من هذا الفيديو.

أي الروابط الآتية تعد قطبية؟ الرابطة الأحادية بين ذرتي بروم، الرابطة الأحادية بين الكربون والهيدروجين، الرابطة الأحادية بين ذرتي كربون، الرابطة الأحادية بين الأكسجين والهيدروجين، أم الرابطة المزدوجة بين ذرتي أكسجين.

تتكون الروابط القطبية بسبب الفرق في السالبية الكهربية بين الذرات. وهذا لأن السالبية الكهربية تصف ميل الذرة لجذب الإلكترونات المشتركة في الرابطة إليها. وهذا يعني أنه إذا كانت إحدى الذرات أكثر سالبية كهربية من الذرة الأخرى، فسوف تنجذب الإلكترونات في اتجاه الذرة الأكثر سالبية كهربية. وعندما يحدث ذلك، تعتبر الرابطة قطبية. إذن، بناء على هذا التفسير، نعلم أنه لا بد من وجود فرق في السالبية الكهربية بين الذرتين، وهو ما يعني أن أي رابطة بين ذرتين متماثلتين لن تكون قطبية، نظرًا لعدم وجود فرق في السالبية الكهربية بين الذرتين.

لذا، يمكننا أن نستبعد بالتأكيد الرابطة الأحادية بين ذرتي بروم، والرابطة الأحادية بين ذرتي كربون، والرابطة المزدوجة بين ذرتي أكسجين. وتتبقى لدينا الرابطة الأحادية بين الكربون والهيدروجين، والرابطة الأحادية بين الأكسجين والهيدروجين. وقد يبدو من المحتمل أن كلا هاتين الرابطتين قطبي نظرًا لوجود فرق في السالبية الكهربية بين الكربون والهيدروجين، وبين الأكسجين والهيدروجين.

وإذا نظرنا إلى مقياس باولينج للسالبية الكهربية، وهو مقياس شائع يستخدم في مقارنة السالبية الكهربية للذرات بتصنيفها من صفر إلى أربعة؛ حيث أربعة هي القيمة العليا، يمكننا ملاحظة وجود فرق كبير في السالبية الكهربية بين الأكسجين والهيدروجين، في حين لا يوجد ذلك الفرق الكبير بين الكربون والهيدروجين. ونظرًا لأن الفرق في السالبية الكهربية هنا صغير جدًّا، لا تعتبر الرابطة بين الكربون والهيدروجين رابطة قطبية عمومًا، ولكن الرابطة بين الأكسجين والهيدروجين تكون قطبية بالتأكيد. إذن، في هذه القائمة، الرابطة التي تعد رابطة قطبية هي الرابطة بين الأكسجين والهيدروجين.

والآن، دعونا نلخص النقاط الرئيسية في هذا الفيديو. الروابط القطبية تحدث بسبب وجود فرق في السالبية الكهربية بين الذرتين. وهذا سيجعل الذرة الأكثر سالبية كهربية لها شحنة سالبة جزئية، وهو ما يمكننا الإشارة إليه باستخدام الحرف اليوناني الصغير ‪𝛿‬‏. والذرة الأقل في السالبية الكهربية ستكون لها شحنة موجبة جزئية. يؤدي هذا الفرق في الشحنات عبر الرابطة إلى وجود عزم ثنائي القطب، ويمكننا الإشارة إليه باستخدام هذا السهم الذي يتجه نحو الذرة الأكثر سالبية كهربية. إذا أردنا تحديد ما إذا كان الجزيء كله قطبيًّا أم غير قطبي، فلن يكفي فقط تحديد ما إذا كانت به روابط قطبية أم لا. الجزيئات المتماثلة تكون غير قطبية أيضًا، لأن العزوم الثنائية القطب في الروابط يلغي بعضها بعضًا.

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