نظرية VSEPR والأشكال الجزيئية

ما هي نظرية تنافر أزواج إلكترونات التكافؤ؟

نظرية تنافر أزواج الإلكترونات في غلاف التكافؤ هي نموذج يساعدنا على فهم كيفية ترتيب الذرات نفسها في الجزيئات. وهي تركز على فكرة أن أزواج الإلكترونات حول ذرة مركزية تتدافع بعيدًا عن بعضها البعض. وهذا الدفع يخلق أشكالًا جزيئية محددة. ويعطينا هذا النموذج طريقة للتنبؤ بكيفية توجه الذرات في الفضاء. وقد أصبح أداة شائعة في الكيمياء. يستخدمه المعلمون والكيميائيون المتمرسون لشرح التركيب الجزيئي بسهولة. ولا تقتصر فائدة هذه النظرية على الأوساط الأكاديمية فحسب، بل أيضًا في المجالات التطبيقية مثل الهندسة وعلوم المواد.

ماذا تعني VSEPR؟

يرمز VSEPR إلى تنافر أزواج إلكترونات غلاف التكافؤ. يشير مصطلح"غلاف التكافؤ"إلى الطبقة الخارجية للإلكترونات في الذرة. أما "زوج الإلكترونات" فيعني إلكترونين يتواجدان معًا حول النواة. ويوضح مصطلح "التنافر" سبب محاولة هذه الأزواج البقاء متباعدة. بكلمات بسيطة، تدفع أزواج الإلكترونات بعضها بعضًا بعيدًا. يقود هذا التنافر الترتيب الثلاثي الأبعاد للذرات.

الفرضيات الأساسية لنظرية تنافر الذرات

يرتكز جوهر النظرية على بعض الأفكار البسيطة.

1- أولًا، تتنافر أزواج الإلكترونات الموجودة في غلاف التكافؤ لذرة مركزية بعضها عن بعض.

2- ثانيًا، يؤدي هذا التنافر إلى أن ترتب أزواج الإلكترونات نفسها بعيدًا عن بعضها البعض قدر الإمكان.

3- ثالثًا، يتأثر الشكل الجزيئي الملحوظ بكل من أزواج الإلكترونات المترابطة وأزواج الإلكترونات الحرة. على سبيل المثال، في الجزيء الذي يحتوي على أربعة أزواج ترابط ولا يحتوي على أزواج حرة، يميل الشكل إلى أن يكون رباعي الأوجه. وعندما توجد أزواج حرة، يتكيف الشكل لاستيعاب التنافر الإضافي.

وهذا هو السبب في أن الماء، الذي يحتوي على زوجي ترابط وزوجين حرين، يكون شكله منحنيًا بدلًا من رباعي الأوجه. فكل زوج حر يدفع بقوة أكبر من زوج الترابط. تساعد هذه الفكرة البسيطة العلماء على فهم أشكال الجزيئات والتنبؤ بها.

الهندسة الجزيئية مقابل الهندسة الإلكترونية

من المهم ملاحظة أن هناك فرقًا بين الهندسة الجزيئية والهندسة الإلكترونية. تأخذ الهندسة الإلكترونية في الاعتبار جميع أزواج الإلكترونات حول الذرة المركزية. فهي تأخذ في الاعتبار أزواج الترابط وكذلك الأزواج الحرة. من ناحية أخرى، تُظهر الهندسة الجزيئية ترتيب الذرات فقط. على سبيل المثال، يمكن أن يكون للجزيء الذي يحتوي على أربعة أزواج إلكترونات هندسة إلكترونية رباعية الأوجه. إذا كان أحد الأزواج زوجًا حرًّا، فقد يصبح الشكل الجزيئي هرميًّا ثلاثي الأوجه. يساعد هذا التمييز في تفسير سبب اختلاف أشكال الجزيئات ذات الأشكال الهندسية الإلكترونية المتطابقة أحيانًا. من خلال فهم كلا المفهومين، يكتسب المرء نظرة أعمق في بنية الجزيئات.

الأشكال الشائعة لـ VSEPR وزوايا روابطها

هناك العديد من الأشكال الشائعة التي تنشأ من نظرية VSEPR.

أبسط شكل هو الشكل الخطي. في الجزيء الخطي، عادة ما تكون زاوية الرابطة 180 درجة. ويحدث الشكل المنحني عندما يكون هناك زوجان مترابطان وزوج واحد أو أكثر من الأزواج الحرة. في مثل هذه الحالات، تكون الزاوية حوالي 104.5 درجة، كما هو الحال في الماء.

الشكل المألوف الآخر هو الشكل المستوي المثلثي، حيث تكون زوايا الرابطة حوالي 120 درجة. عندما تحتوي الجزيئات على أربعة أزواج إلكترونات، يتشكل الشكل رباعي الأوجه بزوايا رابطة تبلغ حوالي 109.5 درجة. أما إذا حل زوج وحيد محل زوج واحد من أزواج الترابط، فإن الشكل الهندسي يوصف بأنه هرمي ثلاثي الأوجه بزوايا رابطة مماثلة.

الشكل المستوي المربع المستوي أقل شيوعًا. وعادة ما يوجد هذا الشكل في الأيونات المعقدة التي تحتوي على ذرة مركزية محاطة بأربع ذرات بزوايا 90 درجة. هناك أيضًا أشكال أكثر تعقيدًا مثل الأرجوحة وشكل T وثماني الأوجه.

لكل شكل زوايا رابطة قريبة من تلك القيم القياسية. قد تُظهر الجزيئات الواقعية اختلافات طفيفة بسبب الاختلافات في الحجم والسالبية الكهربية للبدائل.

كيفية استخدام مخطط VSEPR

استخدام مخطط VSEPR بسيط ومباشر. يبدأ المرء بحساب عدد أزواج الإلكترونات حول الذرة المركزية. ويشمل هذا العد أزواج الإلكترونات المترابطة والأزواج الحرة. الخطوة التالية هي مطابقة العدد مع الهندسة الإلكترونية المقابلة على المخطط. بعد ذلك، نحدد أجزاء أزواج الإلكترونات التي تمثل أزواج ترابط وأزواج الإلكترونات الحرة. يعطي المخطط تذكيرًا مرئيًّا بالشكل الجزيئي المتوقع. على سبيل المثال، عادة ما تشكل الذرة المركزية التي تحتوي على أربعة أزواج إلكترونات شكلًا هندسيًّا رباعي الأوجه. لكن إذا كان أحد هذه الأزواج زوجًا حرًّا، يتغير الشكل إلى شكل هرمي ثلاثي الأوجه. يسرد مخطط VSEPR المُعد جيدًا جميع السيناريوهات الشائعة، كما يوضح زوايا الرابطة التقريبية لكل شكل هندسي. ويمكنك الرجوع إلى مثل هذا المخطط أثناء الفصل أو العمل البحثي. يمكن أن تكون هذه الطريقة مفيدة بشكل خاص عند التعامل مع جزيئات أكثر تعقيدًا. لمزيد من المعلومات التقنية والدعم، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الخاتمة

باختصار، تعطينا نظرية تنافر أزواج إلكترونات غلاف التكافؤ طريقة واضحة للتنبؤ بشكل الجزيء. ترتكز النظرية على فكرة بسيطة مفادها أن أزواج الإلكترونات تتنافر فيما بينها. ومن خلال عد أزواج الإلكترونات واستخدام مخطط تنافر أزواج الإلكترونات، يمكن للمرء تحديد كل من الشكل الهندسي للإلكترونات والشكل الهندسي للجزيء. يظل هذا النموذج البسيط ذا قيمة في الفصول الدراسية والمختبرات على حد سواء. فهو يلعب دورًا مهمًا في فهم السلوك الكيميائي. وتعد النظرية أداة عملية في الكيمياء والمجالات ذات الصلة. حتى أنها تُستخدم في تصميم المواد الجديدة والتطبيقات الهندسية. وتظل المفاهيم الموضحة هنا أساسًا قويًا في الكيمياء يساعدنا على فهم تراكيب المركبات. وتظل التعاليم القديمة ذات صلة، ويجد الكثيرون الراحة في وضوح نظرية VSEPR.

الأسئلة المتداولة

س: ما الغرض من نظرية VSEPR؟
س: تشرح وتتنبأ بكيفية ترتيب أزواج الإلكترونات نفسها حول ذرة مركزية.

و: ما أهمية عدد أزواج الإلكترونات؟
س: يُحدِّد العدد كلاً من هندسة الإلكترونات والهندسة الجزيئية.

و: هل يمكن تطبيق نظرية VSEPR على الجزيئات المعقدة؟
س: نعم، إنها تعمل بشكل جيد مع معظم الجزيئات، حتى تلك التي تحتوي على أزواج حرة.