الشكل الهندسي حسب VSEPR والقطبية الجزيئية

عدّ نطاقات الإلكترونات حوالين الذرة المركزية

VSEPR بتبدأ من تركيب لويس صحيح. حوالين الذرة المركزية، عُدّ نطاقات الإلكترونات: كل زوج حر نطاق واحد، وكل رابطة بذرة تانية نطاق واحد سواء أحادية أو ثنائية أو ثلاثية. المجموع بيتسمى كتير العدد الفراغي. الرابطة الثنائية بتتعدّ مرة واحدة لأن إلكتروناتها بتشغل نفس منطقة الفراغ بين الذرتين.

العدد الفراغي بيحدد الشكل الهندسي للنطاقات الإلكترونية، الترتيب اللي بيبقّي النطاقات أبعد ما يمكن. نطاقين شكلهم خطي (180°)، وتلاتة مثلث مستوي (120°)، وأربعة رباعي الأوجه (109.5°)، وخمسة ثنائي هرم ثلاثي (90° و120°)، وستة ثماني الأوجه (90°).

تسمية قصيرة بتتابع العدد. في الترميز AXₘEₙ، A هي الذرة المركزية، وm عدد الذرات المرتبطة X، وn عدد الأزواج الحرة E على الذرة المركزية. الماء AX₂E₂: ذرتين مرتبطتين وزوجين حرين، عدد فراغي 4.

الشكل الهندسي للنطاقات الإلكترونية مقابل شكل الجزيء

الأزواج الحرة بتاخد مساحة، لكنها مش ذرات، فهي مش باينة في اسم شكل الجزيء. الشكل الهندسي للجزيء بيوصف بس مكان الذرات. لما مفيش أزواج حرة على الذرة المركزية، الشكلين نفسهم؛ ولما فيه أزواج حرة، بيختلفوا.

في الهرم الثلاثي الثنائي، المواضع مش متكافئة: المواضع الاستوائية التلاتة بينها 120° والموضعين المحوريين على 90° من خط الاستواء. الأزواج الحرة بتروح المواضع الاستوائية الأول، لأن الموضع الاستوائي ليه جارين بس على 90° بينما الموضع المحوري ليه تلاتة.

• العدد الفراغي 3: AX₃ مثلث مستوي؛ AX₂E منحني، زاوية أقل من 120°.
• العدد الفراغي 4: AX₄ رباعي الأوجه؛ AX₃E هرم ثلاثي؛ AX₂E₂ منحني، زوايا أقل من 109.5°.
• العدد الفراغي 5: AX₅ ثنائي هرم ثلاثي؛ AX₄E أرجوحة؛ AX₃E₂ شكل T؛ AX₂E₃ خطي.
• العدد الفراغي 6: AX₆ ثماني الأوجه؛ AX₅E هرم رباعي القاعدة؛ AX₄E₂ مربع مستوي.

ليه الأزواج الحرة بتضغط زوايا الروابط

الزوج الحر بيمسكه نواة واحدة بس، فكثافته الإلكترونية بتنتشر أوسع قرب الذرة المركزية من زوج الرابطة. فالتنافرات بتمشي بالترتيب زوج حر–زوج حر > زوج حر–زوج رابطة > زوج رابطة–زوج رابطة، وكل زوج حر مضاف بيضغط الروابط الباقية أقرب لبعضها.

عيلة الشكل رباعي الأوجه بتوضح الاتجاه. الميثان، CH₄، من غير أزواج حرة، زوايا H–C–H فيه 109.5°. والأمونيا، NH₃، بزوج حر واحد، زوايا H–N–H فيها أصغر شوية. والماء، بزوجين حرين، زاوية H–O–H فيه 104.5°، وهي القيمة المذكورة في OpenStax Chemistry 2e. الروابط المتعددة ليها تأثير مشابه أصغر، لأن الرابطة الثنائية بتشيل كثافة إلكترونية أكتر من الأحادية.

VSEPR بتتوقع اتجاه الانحرافات دي بشكل موثوق، لكن مش حجمها بالظبط. لما سؤال بيطلب زاوية في جزيء فيه أزواج حرة، جاوب «أقل شوية من» القيمة المثالية إلا لو معاك بيانات مقاسة.

أمثلة محلولة: ثلاثي فلوريد الكلور ورباعي فلوريد الزينون

ثلاثي فلوريد الكلور، ClF₃. إلكترونات التكافؤ: 7 + 3(7) = 28. تلات روابط أحادية Cl–F بتستخدم 6 إلكترونات، وإكمال ثمانيات الفلور التلاتة بيستخدم 3 × 6 = 18، فالمجموع 24. الـ 4 إلكترونات الباقية بتروح على الكلور كزوجين حرين. الكلور فيه تلات روابط وزوجين حرين، فهو AX₃E₂ بعدد فراغي 5 وشكل نطاقات إلكترونية ثنائي هرم ثلاثي.

الزوجين الحرين بياخدوا مواضع استوائية. ده بيسيب فلور واحد في المستوى الاستوائي واتنين في المواضع المحورية، فالذرات بتكوّن شكل T. الزوجين الحرين بيدفعوا الفلورين المحوريين ناحية الاستوائي، فزوايا F–Cl–F أقل من 90° شوية. ثنائيات القطب التلاتة Cl–F مبتتلغيش في شكل T، فـ ClF₃ قطبي.

رباعي فلوريد الزينون، XeF₄. إلكترونات التكافؤ: 8 + 4(7) = 36. أربع روابط Xe–F بتستخدم 8 إلكترونات والأزواج الحرة في الفلور بتستخدم 4 × 6 = 24، فالمجموع 32. الـ 4 إلكترونات الباقية زوجين حرين على الزينون. بأربع روابط وزوجين حرين، الزينون AX₄E₂، عدد فراغي 6، وشكل نطاقات إلكترونية ثماني الأوجه.

في ثماني الأوجه كل المواضع متكافئة، فالزوج الحر الأول يقدر يروح أي مكان؛ والتاني بيروح مقابله مباشرة، على بُعد 180°، عشان يقلل التنافر بين زوجين حرين. الفلورات الأربعة بتبقى في مستوى واحد على 90° من جيرانها: مربع مستوي. كل رابطة Xe–F قطبية، لكن الروابط المتقابلة بتشاور في اتجاهين متعاكسين بالظبط، فثنائيات القطب بتتلغي وXeF₄ غير قطبي.

جمع ثنائيات القطب في الروابط لإيجاد القطبية الجزيئية

الرابطة بين ذرات مختلفة السالبية الكهربية قطبية، بشحنة جزئية سالبة (δ−) على الذرة الأعلى سالبية كهربية. كل ثنائي قطب رابطة ليه حجم واتجاه، فبيتصرف كمتجه. عزم ثنائي القطب الجزيئي هو المجموع الاتجاهي لكل ثنائيات القطب في الروابط، وبيتذكر عادةً بوحدة الديباي (1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m).

ثنائيات القطب في الروابط بتتلغي لما روابط متطابقة تترتب بتماثل حوالين الذرة المركزية. ده بيحصل في جزيئات AX₂ الخطي وAX₃ المثلث المستوي وAX₄ رباعي الأوجه وAX₅ ثنائي الهرم الثلاثي وAX₆ ثماني الأوجه لما كل ذرات X نفسها، وكمان في شكلي AX₄E₂ المربع المستوي وAX₂E₃ الخطي، اللي الأزواج الحرة فيهم مترتبة بتماثل وكل رابطة بتشاور عكس رابطة متطابقة. التركيبات التانية من الشكل والبدائل بتسيب عادةً ثنائي قطب صافي.

مقارنة محلولة: ثاني أكسيد الكبريت وثالث أكسيد الكبريت. SO₂ فيه 6 + 2(6) = 18 إلكترون تكافؤ؛ وتركيب لويس بتاعه بيحط نطاقين رابطين وزوج حر على الكبريت (AX₂E)، فالجزيء منحني. ثنائيا القطب S–O بيشاوروا جزئيًا في نفس الاتجاه، ومجموعهم مش صفر، فـ SO₂ قطبي. أما SO₃ فيه 6 + 3(6) = 24 إلكترون تكافؤ وتلات نطاقات رابطة من غير زوج حر على الكبريت (AX₃)، فهو مثلث مستوي. تلات ثنائيات قطب متساوية بينها 120° مجموعها صفر، وSO₃ غير قطبي مع إن كل رابطة فيه قطبية.

أخطاء شائعة في الشكل والقطبية

أغلب الأخطاء بتيجي من تخطي تركيب لويس أو من قراءة الرسمة المسطحة على الصفحة كأنها الشكل الحقيقي. روتين سريع بيكشفها: ارسم تركيب لويس، وعُدّ النطاقات على الذرة المركزية، وسمّي شكل النطاقات الإلكترونية، وشيل الأزواج الحرة عشان تسمّي شكل الجزيء، وبعدين اجمع ثنائيات القطب في الروابط في تلات أبعاد.

نموذج مادي أو رسمة دقيقة بالأسهم المصمتة والمتقطعة بيساعد في الخطوة الأخيرة. لو تقدر تدوّر الجزيء بحيث ثنائي قطب رابطة مفيش ليه شريك بيشاور في الاتجاه المعاكس، يبقى الجزيء قطبي. ولو كل رابطة ليها رابطة متطابقة في الجهة المقابلة، أو مجموعة متماثلة زي تلات روابط على 120°، يبقى غير قطبي.

• تسمية شكل النطاقات الإلكترونية لما السؤال بيطلب شكل الجزيء. نطاقات الماء رباعية الأوجه؛ وشكله منحني.
• نسيان الأزواج الحرة على الذرة المركزية، وده بيحوّل NH₃ لجزيء مثلث مستوي بالغلط.
• عدّ الرابطة الثنائية أو الثلاثية على إنها نطاقين أو تلاتة.
• الاستنتاج إن الجزيء قطبي لأن روابطه قطبية، من غير فحص هل ثنائيات القطب بتتلغي.
• الحكم على التماثل من رسمة مسطحة. CH₂Cl₂ شكله متماثل على الورق لكنه رباعي الأوجه بنوعين مختلفين من الروابط، فهو قطبي.
• وضع الأزواج الحرة في المواضع المحورية في ثنائي الهرم الثلاثي، وده بيدّي الشكل الغلط لـ SF₄ وClF₃ وXeF₂.