الروابط الكيميائية للماء

📅 آخر تحديث: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 6 صور
الموسوعة الحرة
بنية لويس لجزيء الماء (H₂O ) موضحة زاوية الرابطة وطولها

الماء ( H)جزيء الهيدروجين ( H₂O ) هو جزيء ثلاثي الذرات بسيط ذوتناظر جزيئي₨ وزاوية رابطة تبلغ 104.5° بينذرةالأكسجينالهيدروجين. على الرغم من كونه أحد أبسطالجزيئات ثلاثية الذرات، إلا أن نظام روابطه الكيميائية معقد، حيث لا يمكن تفسير العديد من خصائص روابطه، مثلزاوية الرابطةوطاقةالتأينالحالة الإلكترونية،بنموذج روابط موحد. بدلاً من ذلك، نناقش أدناه عدة نماذج روابط تقليدية ومتقدمة، مثلبنيةVSEPRونظرية رابطة التكافؤ،ونظرية المدارات الجزيئية،والتهجين متساوي التكافؤ،وقاعدة بنت،وذلك لتوفير نموذج روابط شامل لجزيءالهيدروجين.2 O، شرح وتفسير الخصائص والميزات الإلكترونية والفيزيائية المختلفة التي تظهر من خلال ترتيبات الترابط الخاصة بها.

تهجين sp3 لجزيء H2O
الطيف الكهروضوئي للماء ( H₂O )

بنية لويس ونظرية الرابطة التكافؤية

بنية لويس للهيدروجين​يصف الرمز 2O الروابط بأنهارابطتان سيجمابين ذرة الأكسجين المركزية وذرتي الهيدروجين المحيطيتين، حيث تمتلك ذرة الأكسجينزوجينمن الإلكترونات غير الرابطة. وتشير نظرية الرابطة التكافؤية إلى أنHذرة الأكسجين ( 2O )نوع sp³،حيث يتهجنالمدار الذريمع مدارات 2p الثلاثة للأكسجين لتكوين أربعةمدارات مهجنة، تشارك بدورها في تكوين الروابط من خلال التداخل مع مدارات 1s للهيدروجين. ونتيجة لذلك، يكون الشكل المتوقع وزاوية الرابطة في حالة التهجين sp³رباعيالأوجه، وقيمتهما 109.5 درجة. وهذا يتوافق تمامًا مع زاوية الرابطة الحقيقية البالغة 104.45 درجة. يُفسر الفرق بين زاوية الرابطة المتوقعة والمقاسة تقليديًا بتنافر الإلكترونات بين الزوجين الإلكترونيين غير الرابطين اللذين يشغلان مدارين مهجنين من نوع sp³.في حين أن نظرية رابطة التكافؤ مناسبة للتنبؤ بهندسة وزاوية رابطة الهيدروجين (H₂)2O ،لا يتوافق تنبؤها بالحالات الإلكترونية مع الواقع المقاس تجريبياً. في نموذج الرابطة التكافؤية، تكون الرابطتان سيجما متطابقتين في الطاقة، وكذلك الزوجان الإلكترونيان الحران، لأنهما يقعان في نفس المدارات الرابطة وغير الرابطة، مما يُقابل مستويين من الطاقة في الطيف الكهروضوئي. بعبارة أخرى، إذا تشكل الماء من رابطتين OH متطابقتين وزوجين إلكترونيين حرين متطابقين من نوع sp3علىذرة الأكسجين كما تنبأت به نظرية الرابطة التكافؤية،الكهروضوئي(PES) قمتين (متساويتين في الطاقة)، ​​إحداهما لرابطتي OH والأخرى للزوجين الإلكترونيين الحرين من نوع sp3.ومع ذلك، فإن الطيف الكهروضوئي لـHيكشف تحليل جزيء الأكسجين (2O )عن أربعة مستويات طاقة مختلفة تتوافق مع طاقات تأين زوجين من الإلكترونات الرابطة وزوجين من الإلكترونات غير الرابطة عند 12.6 إلكترون فولت، و14.7 إلكترون فولت، و18.5 إلكترون فولت، و32.2 إلكترون فولت. [ 1 ] يشير هذا إلى أن روابط OH وزوجي الإلكترونات غير الرابطة sp3ليستمتساوية في الطاقة.

المعالجة المدارية الجزيئية

بسيط

المدار الجزيئي البسيط لجزيء الماء H2O

على عكس نظرية الرابطة التكافؤية التي تُحدد مواقع الإلكترونات داخل مداراتها الذرية، فإن منهج المدارات الجزيئية يعتبر الإلكترونات غير متمركزة عبر الجزيء بأكمله. مخطط المدارات الجزيئية البسيط لجزيء الهيدروجين (H₂).يظهر الشكل 2O على اليمين. [ 2 ] [ 3 ] باتباع معالجات التناظر البسيطة، يتم مزج مدارات 1s لذرة الهيدروجين مسبقًا على شكلa1وb1.يمكن بعد ذلك مزج المدارات ذات التناظر نفسه ومستويات الطاقة المتشابهة لتكوين مجموعة جديدة من المدارات الجزيئية ذات خصائص ترابطية وغير ترابطية ومضادة للترابط. في مخطط المدارات الجزيئية البسيطلـHفيحالة ذرة الأكسجين (2O )،يختلط المدار 2s مع مدارات الهيدروجين الممزوجة مسبقًا، مُشكِّلًا مدارًا رابطًا جديدًا (2a1)ومدارًا مضادًا للترابط (4a1يختلطالمدار 2p (b1) مع مدارات الهيدروجين 1s الأخرى الممزوجة مسبقًا (b11b1ومدارمضاد للترابط2b1الإلكتروناتأنمداري الترابط يختلفان بشكل واضح، مما يُتيح التمييز بين مستويات طاقة إلكترونات الترابط. 

مهجن

لزيادة تمييز فروق طاقة الإلكترون بين المدارين غير الرابطين، يمكن إجراء مزج مداري بين المدار 2p (3a1 ) على ذرة الأكسجين والمدار المضاد للترابط 4a1 ، نظرًا لتشابههما في التناظر وتقاربهما في مستوى الطاقة. ينتج عن مزج هذين المدارين مجموعتان جديدتان من المدارات ، كما هو موضح في المربع الأحمر على اليمين. يؤدي المزج الكبير لهذين المدارين إلى تغيرات في الطاقة وشكل المدار الجزيئي. [ 4 ] يُلاحظ الآن تهجين sp ملحوظ لم يكن موجودًا سابقًا في مخطط المدارات الجزيئية البسيط. ونتيجة لذلك، أصبح المداران غير الرابطين عند طاقات مختلفة، [ 5 ] مما يوفر مستويات الطاقة الأربعة المتميزة المتوافقة مع سطح طاقة الوضع. بدلاً من ذلك، وبدلًا من مزج المدار غير الرابط 3a1 مع المدار المضاد للترابط 4a1 ، يمكن أيضًا مزج المدار غير الرابط 3a1 مع المدار الرابط 2a1 لإنتاج مخطط مدارات جزيئية مشابه للهيدروجين .2 O.هذا البديلHيمكن أيضًا اشتقاق مخطط المدارات الجزيئية للأكسجين (2O MO) من خلال تطبيقمعالجة مخطط والش،وذلك بتغيير هندسة الروابط من شكل خطي إلى شكل منحني. إضافةً إلى ذلك، يمكن إنشاء هذه المخططات من الأسفل إلى الأعلى عن طريق تهجين مدارات الأكسجين 2s و2p ​​أولًا (بافتراض تهجين sp²)، ثم مزج المدارات ذات التناظر نفسه. بالنسبة للجزيئات البسيطة، يمكن إنشاء مخطط المدارات الجزيئية لها تصويريًا دون الحاجة إلى معرفة واسعةالزمر النقطية، وذلك باستخدامالتمثيلات القابلة للاختزال وغير القابلة للاختزال.

المدار الجزيئي المهجن لـ H2O

لاحظ أن حجم المدارات الذرية في المدار الجزيئي النهائي يختلف عن حجم المدارات الذرية الأصلية، ويعود ذلك إلى اختلاف نسب المزج بين مدارات الأكسجين والهيدروجين نظرًا لاختلاف طاقات مداراتهما الذرية الأولية. بعبارة أخرى، عند مزج مدارين، تتناسب كمية المزج عكسيًا مع الفرق الأولي في طاقة المدارين. لذلك، تختلط المدارات المتقاربة في الطاقة (أي تتفاعل) أكثر من المدارات المتباعدة في الطاقة. عند مزج مدارين مختلفي الطاقة (أي تفاعلهما)، يشبه التركيب ذو الطاقة المنخفضة المدار الأولي ذي الطاقة المنخفضة، بينما يشبه التركيب ذو الطاقة الأعلى المدار الأولي ذي الطاقة العالية. عندما يتفاعل مداران لهما نفس الطاقة الأولية، فإن المدارين الناتجين يُشتقان بالتساوي من المدارين الأوليين ( نظرية الاضطراب من الرتبة الثانية ). [ 6 ] بالإضافة إلى ذلك، بينما تتنبأ نظرية الرابطة التكافؤية بـ Hذرة الأكسجين (2O )نوعsp³لذافإن التنبؤ من نظرية المدارات الجزيئية أكثر تعقيدًا. بما أن المدار 2pzلا يشارك إطلاقًا في التفاعلات مع ذرات الهيدروجين ويصبح زوجًا إلكترونيًا حرًا غير مهجن (nO(π))، فقد يجادل البعض بأنHذرة الأكسجين ( O)منsp². ويصدق هذا في ظل الافتراض المثالي بأن خصائص s و p موزعة بالتساوي بين رابطتي OH والزوج الإلكتروني الحر للأكسجين (nO(σ)). إلا أن هذا التوقع (زوايا الرابطة 120°) لا يتوافق مع زاوية رابطة الهيدروجين (H).2O هي 104.5 درجة. التهجينالفعليللهيدروجينيمكن تفسير ذرة الأكسجين (2O ) من خلال مفهوم التهجين متساوي التكافؤ أو قاعدة بنت. باختصار، تتراكم خاصية s في مدارات الأزواج الإلكترونية غير الرابطة لأن خاصية s تخفض الطاقة مقارنةً بخاصية p، وتكون هذه الأزواج الإلكترونية مرتبطة ارتباطًا وثيقًابكثافة إلكترونية. في المقابل، تكون أزواج الترابط أبعد، وتُشارك الكثافة الإلكترونية مع ذرة أخرى، لذا فإن خاصية s الإضافية لا تخفض الطاقة بنفس الفعالية. ومن ثم، تتوزع خاصية p بشكل أكبر نسبيًا في مدارات الترابط.

معالجة الماء باستخدام مخطط والش

التهجين متساوي التكافؤ وقاعدة بنت

يشير التهجين متساوي التكافؤ إلى مزج المدارات الذرية من الدرجة الثانية أو المتقدمة، والذي لا ينتج عنه أنماط تهجين بسيطة من نوع sp و sp² و sp³. بالنسبة للجزيئات التي تحتوي على أزواج إلكترونية حرة، تكون مدارات الترابط هجينة متساوية التكافؤ ، حيث يتم مزج نسب مختلفة من مدارات s و p لتحقيق الترابط الأمثل. يُستخدم التهجين متساوي التكافؤ لتفسير زوايا الروابط في هذه الجزيئات، والتي لا تتوافق مع أنماط التهجين البسيطة المعممة sp و sp² و sp³ . بالنسبة للجزيئات التي تحتوي على أزواج إلكترونية حرة، يعتمد التهجين الحقيقي لهذه الجزيئات على مقدار خصائص s و p للذرة المركزية، والتي ترتبط بكهرسلبيتها . وفقًا لقاعدة بنت ، كلما زادت السالبية الكهربية للمجموعات البديلة ، اتجهت المدارات ذات الطابع p الأكبر نحو تلك المجموعات. وبناءً على ما سبق، سيؤدي ذلك إلى تقليل زاوية الرابطة. عند التنبؤ بزاوية رابطة الماء، تشير قاعدة بنت إلى أن المدارات المهجنة ذات الطابع s الأكبر يجب أن تتجه نحو الأزواج الإلكترونية الحرة ذات الكهروإيجابية العالية، بينما تتجه المدارات ذات الطابع p الأكبر نحو ذرات الهيدروجين. هذه الزيادة في الطابع p في تلك المدارات تُقلل زاوية الرابطة بينها إلى أقل من 109.5 درجة، وهي الزاوية الرباعية السطوح.

نظرية المدارات الجزيئية مقابل نظرية الرابطة التكافؤية

لطالما كان الجدل قائمًا حول نظرية المدارات الجزيئية مقابل نظرية الرابطة التكافؤية منذ أوائل ومنتصف القرن العشرين. ورغم استمرار النقاش الحاد حول أي النموذجين يُمثل بدقة أكبر بنية الروابط الحقيقية في الجزيئات، ينظر العلماء اليوم إلى نظريتي المدارات الجزيئية والرابطة التكافؤية على أنهما متكاملتان ومتكاملتان. ومع تطور الحواسيب الحديثة فائقة السرعة وبرامج نمذجة الجزيئات المتقدمة، تُستخدم كلتا النظريتين على نطاق واسع اليوم، وإن كان ذلك لأغراض مختلفة عمومًا. بشكل عام، تستطيع نظرية المدارات الجزيئية التنبؤ بدقة بطاقة الحالة الأرضية للنظام، وطاقات الحالات الإلكترونية المختلفة للمدارات الرابطة وغير الرابطة، والخصائص المغناطيسية وخصائص التأين بطريقة مباشرة. من ناحية أخرى، تُستخدم نظرية الرابطة التكافؤية تقليديًا للتنبؤ بزاوية الرابطة ورسم آلية التفاعل. تستطيع نظرية الرابطة التكافؤية الحديثة توفير المعلومات الإلكترونية نفسها التي توفرها نظرية المدارات الجزيئية، على الرغم من أن العملية أكثر تعقيدًا. إضافةً إلى ذلك، تستطيع نظرية الرابطة التكافؤية الحديثة أيضًا التنبؤ بطاقات الحالات المثارة التي يصعب على نظرية المدارات الجزيئية الوصول إليها. في الحقيقة، كلا النظريتين على نفس القدر من الأهمية في فهم الروابط الكيميائية، ورغم أن أياً منهما لا تُغطي كل شيء بشكل كامل، إلا أنهما معاً تُقدمان نموذجاً معمقاً للروابط الكيميائية. وكما قال روالد هوفمان : [ 7 ] "إن نظريتي المدارات الجزيئية والروابط التكافؤية، مجتمعتين، لا تُشكلان ترسانة، بل مجموعة أدوات... إن الإصرار على خوض رحلة... مُجهزاً بمجموعة أدوات واحدة دون الأخرى يُضعف من فرص النجاح. إن التخلي عن أي من النظريتين يُقوّض التراث الفكري للكيمياء . " [ 8 ] [ 9 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ليفين، إن (1991). الكيمياء الكمية (  الطبعة الرابعة). برنتيس هول. ص  475. ISBN 978-0-7923-1421-9.
  2. ↑ "مخطط المدارات الجزيئية للماء " (ملف PDF) . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 22 أبريل 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 21 أبريل 2017 .
  3. ↑ "المدارات الجزيئية في الكيمياء غير العضوية: مجموعة هانت البحثية، إمبريال كوليدج لندن" . www.huntresearchgroup.org.uk . تاريخ الاسترجاع: 21 أبريل 2017 .
  4. ↑ "المدارات الجزيئية في الكيمياء غير العضوية" (ملف PDF) . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 22-04-2017 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 21-04-2017 .
  5. ↑ لاينغ، مايكل (1987). "لا وجود لآذان أرنب على الماء. بنية جزيء الماء: ماذا يجب أن نخبر الطلاب؟". مجلة التعليم الكيميائي . 64 (2): 124. Bibcode : 1987JChEd..64..124L . doi : 10.1021/ed064p124 .
  6. ↑ "كيمياء ٢١٦: الكيمياء العامة المتقدمة : كيمياء الحالة الصلبة لمجموعة لي في مجموعة لي" . leelab.chem.cornell.edu . تم الاطلاع عليه بتاريخ ٢١ أبريل ٢٠١٧ . 
  7. ↑ "الصفحة الرئيسية" . www.roaldhoffmann.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29-04-2017 .
  8. ↑ هوفمان، روالد؛ شيك، ساسون؛ هيبيرتي، فيليب سي. (1 أكتوبر 2003). "حوار حول نظرية الرابطة التكافؤية مقابل نظرية المدارات الجزيئية: منافسة لا تنتهي؟". مجلة أبحاث الكيمياء . 36 (10): 750-756 . doi : 10.1021/ar030162a . ISSN 0001-4842 . PMID 14567708 .  
  9. ↑ "مقارنة بين نظريتي المدارات الجزيئية والرابطة التكافؤية" . نصوص الكيمياء الحرة . 2013-10-02 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2017-04-21 .