شرح قطبية الرابطة وعزوم ثنائي القطب، مع فاحص مجاني
إجابة مختصرة: تكون الرابطة قطبية عندما تختلف ذرتاها في الكهروسلبية. ووفق قيم باولنغ، يكون ΔEN أقل من 0.4 تساهميًا غير قطبي، ومن 0.4 إلى 1.7 تساهميًا قطبيًا، وفوق 1.7 أيونيًا عادةً. والذرة الأعلى كهروسلبية تحمل δ−. ويكون الجزيء قطبيًا عندما لا تلغي ثنائيات القطب لروابطه بعضها، وهذا يعتمد على شكله وفق VSEPR: H₂O (منحنٍ) قطبي بعزم 1.85 D، وCO₂ (خطي) غير قطبي. ويحسب فاحص قطبية الرابطة وعزم ثنائي القطب المجاني في MolDraw الأمرين معًا.
قطبية الرابطة والكهروسلبية
الكهروسلبية (χ) هي قدرة الذرة على جذب الإلكترونات في الرابطة. على مقياس باولنغ يكون الفلور الأعلى عند 3.98، ثم الأكسجين 3.44، والكلور 3.16، والنيتروجين 3.04. والكربون 2.55 والهيدروجين 2.20.
في الرابطة بين ذرتين مختلفتين تقضي الإلكترونات وقتًا أطول قرب الذرة الأعلى كهروسلبية، فتكتسب شحنة سالبة جزئية (δ−) وتكتسب الذرة الأخرى شحنة موجبة جزئية (δ+). وهذا الفصل بين الشحنات هو ثنائي قطب الرابطة.
| ΔEN أقل من 0.4 | تساهمية غير قطبية. أمثلة: Cl–Cl (0)، وC–H (0.35). |
|---|---|
| ΔEN من 0.4 إلى 1.7 | تساهمية قطبية. أمثلة: C–O (0.89)، وH–Cl (0.96)، وO–H (1.24). |
| ΔEN من 1.7 إلى 2.0 | حالة حدّية. تقول معظم الكتب المدرسية إنها أيونية فوق 1.7، ويقول بعضها فوق 2.0. وH–F (1.78) جزيء تساهمي. |
| ΔEN فوق 2.0 | أيونية. أمثلة: Na–Cl (2.23)، وK–F (3.16). |
يمكن تقدير الصفة الأيونية المئوية بمعادلة باولنغ: الصفة الأيونية % = (1 − e^(−ΔEN²/4)) × 100. فقيمة ΔEN مقدارها 1.7 تعطي نحو 51% صفة أيونية، ومن هنا جاء الحد الفاصل 1.7.
متى يكون الجزيء قطبيًا؟
ثنائيات القطب للروابط متجهات. اجمعها باستخدام الشكل ثلاثي الأبعاد للجزيء:
- ارسم تركيب لويس وأوجد الشكل باستخدام VSEPR.
- ارسم سهم ثنائي القطب على كل رابطة قطبية، يشير إلى الذرة δ−.
- اجمع الأسهم. فإذا ألغت بعضها، فالجزيء غير قطبي، وإلا فهو قطبي.
اختبار بسيط: يكون الجزيء غير قطبي عندما لا تكون على الذرة المركزية أزواج حرة وتكون جميع الذرات الخارجية متماثلة (CO₂ وBF₃ وCCl₄ وPCl₅ وSF₆). وهناك شكلان فيهما أزواج حرة يبقيان متماثلين وغير قطبيين: الخطي AX₂E₃ (XeF₂) والمربع المستوي AX₄E₂ (XeF₄). أما الأزواج الحرة في الأشكال الأخرى (NH₃ وH₂O وSF₄ وClF₃) أو اختلاف الذرات الخارجية (CHCl₃ وCH₂Cl₂) فتعطي عزم ثنائي قطب صافيًا.
كيف تستخدم فاحص قطبية الرابطة وعزم ثنائي القطب
- افتح فاحص قطبية الرابطة وعزم ثنائي القطب.
- في رابطة: عنصران، اختر العنصر A والعنصر B، أو اضغط مثالًا مثل H–Cl أو C–O أو Na–Cl. تُظهر النتيجة ΔEN، ونوع الرابطة على مقياس لوني، والذرة التي تحمل δ−، والصفة الأيونية المئوية مع خطوات الحل. ويعكس بدّل A وB الزوج.
- انتقل إلى جزيء: قطبي أم غير قطبي؟. اكتب صيغة مثل
XeF4أو سلسلة SMILES مثلCl/C=C\Clواضغط افحص القطبية، أو اضغط مثالًا. - اقرأ الشكل، والهندسة الإلكترونية، وزاوية الرابطة، والمجموع المتجهي لثنائيات القطب للروابط، وعزم ثنائي القطب المقيس بالديباي حيثما كان معروفًا.
- يُظهر الرسم δ+ وδ− على كل ذرة، وسهمًا بنفسجيًا على كل رابطة قطبية، وسهمًا فيروزيًا لعزم ثنائي القطب الصافي عندما يكون الجزيء قطبيًا. والروابط المتقطعة تتجه بعيدًا عنك.
- تشرح قائمة الاستدلال كل خطوة، لتنقل المنطق إلى إجابتك.
أمثلة محلولة
1. الرابطة H–Cl
ΔEN = 3.16 − 2.20 = 0.96، فالرابطة تساهمية قطبية، Cl تحمل δ− وH تحمل δ+. الصفة الأيونية % = (1 − e^(−0.2304)) × 100 = 20.6%. ولـ HCl عزم ثنائي قطب مقداره 1.11 D.
2. الماء، H₂O
لذرة O ذرتان مرتبطتان وزوجان حران: AX₂E₂، منحنٍ، 104.5°. ولكل رابطة O–H قيمة ΔEN = 1.24 مع O تحمل δ−. يشير ثنائيا القطب جزئيًا في الاتجاه نفسه، فيتجمعان. الماء قطبي، 1.85 D.
3. CCl₄ وCHCl₃
كلاهما رباعي الأوجه. في CCl₄ تلغي ثنائيات القطب الأربعة C–Cl (ΔEN 0.61) بعضها: غير قطبي، 0 D. وفي CHCl₃ تُستبدل ذرة Cl بذرة H، فلا تعود ثنائيات القطب تلغي بعضها: قطبي، 1.04 D.
4. SF₄ وXeF₄
SF₄ من نوع AX₄E، على شكل أرجوحة: لا تلغي ثنائيات القطب S–F بعضها، فهو قطبي (0.63 D). أما XeF₄ فمن نوع AX₄E₂، مربع مستوٍ والزوجان الحران متقابلان: تلغي ثنائيات القطب Xe–F بعضها، فهو غير قطبي.
5. cis- وtrans-1,2-ثنائي كلورو الإيثين
كلاهما مستوٍ. في المتشاكل cis يشير ثنائيا القطب C–Cl إلى الجهة نفسها: قطبي، 1.90 D. وفي المتشاكل trans يشيران في اتجاهين متعاكسين ويلغيان بعضهما: غير قطبي، 0 D. ولهذا الفرق يغلي المتشاكل cis عند درجة أعلى (60 °C) من المتشاكل trans (48 °C).
جدول ملخص
| H₂O | منحنٍ (AX₂E₂): قطبي، 1.85 D |
|---|---|
| NH₃ | هرمي ثلاثي (AX₃E): قطبي، 1.47 D |
| CO₂ | خطي (AX₂): غير قطبي، 0 D |
| BF₃ | مثلث مستوٍ (AX₃): غير قطبي |
| CCl₄ | رباعي الأوجه، ذرات متماثلة: غير قطبي |
| CHCl₃، CH₂Cl₂ | رباعي الأوجه، ذرات مختلفة: قطبي، 1.04 D و1.60 D |
| SO₂ | منحنٍ (AX₂E): قطبي، 1.63 D |
| SF₄ | أرجوحة (AX₄E): قطبي، 0.63 D |
| XeF₄ | مربع مستوٍ (AX₄E₂): غير قطبي |
| PCl₅ | ثنائي الهرم المثلثي (AX₅): غير قطبي |
أخطاء شائعة
- افتراض أن الروابط القطبية تعطي دائمًا جزيئًا قطبيًا. فالتماثل قد يلغيها.
- الحكم على الشكل من رسم مستوٍ. فـ CH₂Cl₂ المرسوم على شكل صليب مستوٍ يبدو متماثلًا، لكنه رباعي الأوجه وقطبي.
- نسيان الأزواج الحرة على الذرة المركزية، التي تغيّر الشكل.
- توجيه سهم ثنائي القطب نحو الذرة δ+.
- معاملة 0.4 و1.7 حدودًا حادة. فصفة الرابطة تتغير تدريجيًا مع ΔEN.
- وصف كل مركّب قيمة ΔEN فيه فوق 1.7 بأنه أيوني. فـ H–F جزيء تساهمي؛ والروابط بين لافلزين تبقى تساهمية.
نصائح للامتحانات (JEE وNEET وAP وA-level)
- اذكر الشكل أولًا دائمًا، ثم ما إذا كانت ثنائيات القطب تلغي بعضها.
- كثيرًا ما تسأل JEE وNEET عن ترتيب عزوم ثنائي القطب، مثل NH₃ (1.47 D) > NF₃ (0.24 D): في NH₃ يشير الزوج الحر وثنائيات القطب للروابط في الاتجاه نفسه، وفي NF₃ تتعاكس.
- تربط AP Chemistry القطبية بالقوى بين الجزيئية: للجزيئات القطبية قوى ثنائي قطب–ثنائي قطب ودرجات غليان أعلى عادةً.
- ينبغي أن تذكر إجابات A-level عن متشاكلات cis/trans أن المتشاكل trans غير قطبي لأن ثنائيات القطب C–Cl تلغي بعضها.
- اذكر ΔEN بمنزلتين عشريتين باستخدام قيم باولنغ الواردة في كتيّب البيانات.
أسئلة وأجوبة
ما فرق الكهروسلبية الذي يجعل الرابطة قطبية؟
وفق قيم باولنغ، يجعل الفرق 0.4 أو أكثر الرابطة تساهمية قطبية. وتحت 0.4 تُعامل الرابطة على أنها غير قطبية. وفوق نحو 1.7 تُسمّى الرابطة عادةً أيونية، مع أن بعض الكتب تستخدم 2.0.
ما عزم ثنائي القطب؟
يقيس عزم ثنائي القطب مدى تباعد مركزي الشحنة الموجبة والسالبة في الجزيء. ويساوي الشحنة مضروبة في المسافة، ويُعطى بوحدة الديباي (D). للماء 1.85 D، ولـ CO2 صفر D.
في أي اتجاه يشير سهم ثنائي القطب؟
في الكيمياء يشير السهم نحو الذرة الأعلى كهروسلبية، أي الطرف δ−، وفيه علامة تقاطع صغيرة عند الطرف δ+. أما الفيزياء فتستخدم الاتجاه المعاكس لمتجه ثنائي القطب.
هل يمكن أن يكون جزيء ذو روابط قطبية غير قطبي؟
نعم. إذا ترتبت ثنائيات القطب للروابط ترتيبًا متماثلًا فإنها تلغي بعضها. فلكل من CO2 (خطي) وBF3 (مثلث مستوٍ) وCCl4 (رباعي الأوجه) وPCl5 وSF6 روابط قطبية دون عزم ثنائي قطب صافٍ.
لماذا NH3 قطبي بينما BF3 غير قطبي؟
لـ NH3 زوج حر على N يجعله هرميًا ثلاثيًا، فلا تلغي ثنائيات القطب N–H بعضها. أما BF3 فلا زوج حر على B وهو مثلث مستوٍ، فتلغي ثنائيات القطب الثلاثة B–F بعضها.
لماذا SO2 قطبي بينما CO2 غير قطبي؟
لـ SO2 زوج حر على الكبريت وهو منحنٍ (نحو 119°)، فتتجمع ثنائيات القطب S=O لتعطي 1.63 D. أما CO2 فلا زوج حر على الكربون وهو خطي، فتلغي ثنائيتا القطب C=O بعضهما.
ما الصفة الأيونية المئوية لـ HCl؟
باستخدام معادلة باولنغ مع ΔEN = 0.96: الصفة الأيونية % = (1 − e^(−0.96²/4)) × 100 = (1 − e^(−0.23)) × 100 = 20.6%. ومن عزم ثنائي القطب المقيس، تبلغ الصفة الأيونية لـ HCl نحو 18%، فالتقدير قريب.