هندسة VSEPR وقطبية الجزيئات

عدّ المناطق الإلكترونية حول الذرة المركزية

تبدأ VSEPR من بنية لويس صحيحة. حول الذرة المركزية، عدّ المناطق الإلكترونية: كل زوج منفرد منطقة واحدة، وكل رابطة مع ذرة أخرى منطقة واحدة سواء كانت أحادية أو ثنائية أو ثلاثية. ويسمى المجموع غالبًا العدد الفراغي. وتُعدّ الرابطة الثنائية مرة واحدة لأن إلكتروناتها تشغل المنطقة نفسها من الفراغ بين الذرتين.

يحدد العدد الفراغي هندسة المناطق الإلكترونية، وهي الترتيب الذي يُبقي المناطق أبعد ما يمكن بعضها عن بعض. المنطقتان خطيتان (180°)، والثلاث مثلثة مستوية (120°)، والأربع رباعية الأوجه (109.5°)، والخمس ثنائية الهرم الثلاثي (90° و120°)، والست ثمانية الأوجه (90°).

يساعد رمز قصير في تتبع العدّ. في الترميز AXₘEₙ، A هي الذرة المركزية، وm هو عدد الذرات المرتبطة X، وn هو عدد الأزواج المنفردة E على الذرة المركزية. الماء هو AX₂E₂: ذرتان مرتبطتان وزوجان منفردان، والعدد الفراغي 4.

هندسة المناطق الإلكترونية مقابل شكل الجزيء

تشغل الأزواج المنفردة حيزًا، لكنها ليست ذرات، فلا تظهر في اسم الشكل الجزيئي. فالهندسة الجزيئية تصف مواضع الذرات فقط. وعندما لا توجد أزواج منفردة على الذرة المركزية تتطابق الهندستان؛ وعندما توجد أزواج منفردة تختلفان.

في الشكل ثنائي الهرم الثلاثي لا تتكافأ المواضع: فالمواضع الاستوائية الثلاثة تتباعد 120° بينها، والموضعان المحوريان يبعدان 90° عن المستوى الاستوائي. وتذهب الأزواج المنفردة إلى المواضع الاستوائية أولًا، لأن للموضع الاستوائي جارين فقط عند 90° بينما للموضع المحوري ثلاثة.

• العدد الفراغي 3: AX₃ مثلثي مستوٍ؛ AX₂E منحنٍ، والزاوية أقل من 120°.
• العدد الفراغي 4: AX₄ رباعي الأوجه؛ AX₃E هرمي ثلاثي؛ AX₂E₂ منحنٍ، والزوايا أقل من 109.5°.
• العدد الفراغي 5: AX₅ ثنائي الهرم الثلاثي؛ AX₄E على شكل أرجوحة؛ AX₃E₂ على شكل T؛ AX₂E₃ خطي.
• العدد الفراغي 6: AX₆ ثماني الأوجه؛ AX₅E هرمي مربع القاعدة؛ AX₄E₂ مربع مستوٍ.

لماذا تضغط الأزواج المنفردة زوايا الروابط

الزوج المنفرد تمسكه نواة واحدة فقط، لذا تنتشر كثافته الإلكترونية قرب الذرة المركزية أوسع مما يفعل الزوج الرابط. ولذلك تتبع قوى التنافر الترتيب: زوج منفرد–زوج منفرد > زوج منفرد–زوج رابط > زوج رابط–زوج رابط، وكل زوج منفرد مضاف يضغط الروابط المتبقية لتقترب أكثر.

تُظهر عائلة الأشكال رباعية الأوجه هذا الاتجاه. فالميثان CH₄، بلا أزواج منفردة، زوايا H–C–H فيه 109.5°. والأمونيا NH₃، بزوج منفرد واحد، زوايا H–N–H فيها أصغر قليلًا. والماء، بزوجين منفردين، زاوية H–O–H فيه 104.5°، وهي القيمة المذكورة في OpenStax Chemistry 2e. وللروابط المتعددة أثر مشابه أصغر، لأن الرابطة الثنائية تحمل كثافة إلكترونية أكبر من الأحادية.

تتنبأ VSEPR بدقة باتجاه هذه الانحرافات، لكن لا تتنبأ بمقدارها الدقيق. وعندما يطلب سؤال زاوية في جزيء فيه أزواج منفردة، فأجب بأنها «أقل قليلًا من» القيمة المثالية ما لم تكن لديك بيانات مقيسة.

أمثلة محلولة: ثلاثي فلوريد الكلور ورباعي فلوريد الزينون

ثلاثي فلوريد الكلور ClF₃. إلكترونات التكافؤ: 7 + 3(7) = 28. ثلاث روابط أحادية Cl–F تستخدم 6 إلكترونات، وإتمام ثمانيات الفلور الثلاث يستخدم 3 × 6 = 18، فالمجموع 24. وتذهب الإلكترونات الأربعة المتبقية إلى الكلور زوجين منفردين. للكلور ثلاث روابط وزوجان منفردان، فهو AX₃E₂ بعدد فراغي 5 وهندسة مناطق إلكترونية ثنائية الهرم الثلاثي.

يشغل الزوجان المنفردان موضعين استوائيين. فيبقى فلور واحد في المستوى الاستوائي واثنان في الموضعين المحوريين، فتشكّل الذرات شكل T. ويدفع الزوجان المنفردان الفلورين المحوريين نحو الفلور الاستوائي، فتكون زوايا F–Cl–F أقل قليلًا من 90°. ولا تتلاشى ثنائيات أقطاب الروابط Cl–F الثلاث في شكل T، لذا فـ ClF₃ قطبي.

رباعي فلوريد الزينون XeF₄. إلكترونات التكافؤ: 8 + 4(7) = 36. أربع روابط Xe–F تستخدم 8 إلكترونات، والأزواج المنفردة على الفلور تستخدم 4 × 6 = 24، فالمجموع 32. والإلكترونات الأربعة المتبقية زوجان منفردان على الزينون. بأربع روابط وزوجين منفردين، الزينون هو AX₄E₂ بعدد فراغي 6 وهندسة مناطق إلكترونية ثمانية الأوجه.

في الشكل ثماني الأوجه تتكافأ كل المواضع، لذا يمكن للزوج المنفرد الأول أن يذهب إلى أي موضع؛ ويذهب الثاني مباشرة في مقابله، على بعد 180°، لتقليل التنافر بين زوج منفرد وآخر. فتقع الفلورات الأربع عندئذٍ في مستوى واحد بزاوية 90° مع جاراتها: مربع مستوٍ. كل رابطة Xe–F قطبية، لكن الروابط المتقابلة تشير في اتجاهين متعاكسين تمامًا، فتتلاشى ثنائيات الأقطاب ويكون XeF₄ غير قطبي.

جمع ثنائيات أقطاب الروابط لإيجاد قطبية الجزيء

الرابطة بين ذرتين مختلفتي السالبية الكهربائية قطبية، وعلى الذرة الأعلى سالبية شحنة جزئية سالبة (δ−). ولكل ثنائي قطب رابطة مقدار واتجاه، فيتصرف كمتجه. وعزم ثنائي القطب الجزيئي هو المجموع المتجهي لكل ثنائيات أقطاب الروابط، ويُذكر عادةً بالديباي (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

تتلاشى ثنائيات أقطاب الروابط عندما تترتب روابط متماثلة ترتيبًا متناظرًا حول الذرة المركزية. ويحدث ذلك في جزيئات AX₂ الخطية وAX₃ المثلثية المستوية وAX₄ رباعية الأوجه وAX₅ ثنائية الهرم الثلاثي وAX₆ ثمانية الأوجه حين تكون كل ذرات X متماثلة، وكذلك في الشكلين AX₄E₂ المربع المستوي وAX₂E₃ الخطي، حيث تترتب الأزواج المنفردة ترتيبًا متناظرًا وتشير كل رابطة في مقابل رابطة مماثلة. وسائر توليفات الشكل والمعوِّضات تترك عمومًا ثنائي قطب صافيًا.

مقارنة محلولة: ثاني أكسيد الكبريت وثالث أكسيد الكبريت. في SO₂ عدد إلكترونات التكافؤ 6 + 2(6) = 18؛ وتضع بنية لويس له منطقتين رابطتين وزوجًا منفردًا على الكبريت (AX₂E)، فالجزيء منحنٍ. يشير ثنائيا القطب S–O جزئيًا في الاتجاه نفسه، ومجموعهما لا يساوي صفرًا، فـ SO₂ قطبي. وفي SO₃ عدد إلكترونات التكافؤ 6 + 3(6) = 24 وفيه ثلاث مناطق رابطة بلا زوج منفرد على الكبريت (AX₃)، فهو مثلثي مستوٍ. وثلاثة ثنائيات أقطاب متساوية تفصل بينها 120° مجموعها صفر، فـ SO₃ غير قطبي مع أن كل رابطة فيه قطبية.

أخطاء الشكل والقطبية الشائعة

تأتي معظم الأخطاء من تخطي بنية لويس أو من قراءة الرسم المسطح على الصفحة كأنه الشكل الحقيقي. وروتين سريع يكشفها: ارسم بنية لويس، وعدّ المناطق على الذرة المركزية، وسمِّ هندسة المناطق الإلكترونية، وأزِل الأزواج المنفردة لتسمية الشكل الجزيئي، ثم اجمع ثنائيات أقطاب الروابط في ثلاثة أبعاد.

يساعد نموذج مادي أو رسم دقيق بالإسفين والخط المتقطع في الخطوة الأخيرة. فإذا استطعت تدوير الجزيء بحيث تبقى ثنائية قطب رابطة بلا نظير يشير في الاتجاه المعاكس، فالجزيء قطبي. وإذا قابلت كل رابطة رابطةٌ مماثلة في الجهة المقابلة، أو مجموعة متناظرة مثل ثلاث روابط عند 120°، فهو غير قطبي.

• تسمية هندسة المناطق الإلكترونية حين يطلب السؤال الشكل الجزيئي. مناطق الماء رباعية الأوجه؛ وشكله منحنٍ.
• نسيان الأزواج المنفردة على الذرة المركزية، مما يحوّل NH₃ إلى جزيء مثلثي مستوٍ خطأً.
• عدّ الرابطة الثنائية أو الثلاثية منطقتين أو ثلاثًا.
• الاستنتاج أن الجزيء قطبي لأن روابطه قطبية، دون التحقق من تلاشي ثنائيات الأقطاب.
• الحكم على التناظر من رسم مسطح. يبدو CH₂Cl₂ متناظرًا على الورق لكنه رباعي الأوجه بنوعين مختلفين من الروابط، فهو قطبي.
• وضع الأزواج المنفردة في المواضع المحورية لشكل ثنائي الهرم الثلاثي، مما يعطي شكلًا خاطئًا لـ SF₄ وClF₃ وXeF₂.