الرابطة الكيميائية

السالبية الكهربية هي قدرة الذرة على جذب الإلكترونات في الرابطة نحو نفسها.

ثلاثة عوامل تحدد مدى سالبية الذرة الكهربية:

• الشحنة النووية: زيادة البروتونات تجذب إلكترونات الرابطة بشكل أقوى.
• نصف قطر الذرة: كلما كانت الرابطة أقرب إلى النواة، كان الجذب أقوى.
• التظليل بواسطة المدارات الداخلية وشبه المدارات: زيادة الإلكترونات الداخلية تضعف الجذب على إلكترونات الرابطة.

لذلك تزداد السالبية الكهربية عبر الدورة (شحنة نووية أكثر، نصف قطر أصغر) وتنخفض نزولاً في المجموعة (نصف قطر أكبر، تظليل أكثر). الفلور هو العنصر الأعلى سالبية كهربية.

يمكنك استخدام الفرق في قيم سالبية باولينغ الكهربية للتنبؤ بنوع الرابطة. الفرق الكبير يعطي رابطة أيونية؛ والفرق الصغير يعطي رابطة تساهمية.

الرابطة الأيونية هي الجذب الكهروستاتيكي بين أيونات ذات شحنات متعاكسة — كاتيونات موجبة وأنيونات سالبة.

تتشكل عندما يعطي فلز إلكترونات للافلز. أمثلة جيدة هي كلوريد الصوديوم ($\text{NaCl}$)، وأكسيد المغنيسيوم ($\text{MgO}$)، وفلوريد الكالسيوم ($\text{CaF}_2$). تتراص الأيونات في شبكة بلورية عملاقة منتظمة، مترابطة بالجذب في جميع الاتجاهات.

الترابط الفلزي هو تجاذب كهروستاتيكي بين أيونات الفلز الموجبة و"بحر" من الإلكترونات غير الموضحة.

الإلكترونات الخارجية حرة الحركة عبر كامل الفلز. وهذا يفسر لماذا توصل الفلزات الكهرباء وتتماسك قوتها.

الترابط التساهمي هو تجاذب كهروستاتيكي بين نواتي ذرتين وزوج من الإلكترونات المشتركة.

تشمل الجزيئات البسيطة ذات الروابط التساهمية $\text{H}_2$، $\text{O}_2$، $\text{N}_2$، $\text{Cl}_2$، $\text{HCl}$، $\text{CO}_2$، $\text{NH}_3$، $\text{CH}_4$، $\text{C}_2\text{H}_6$ و $\text{C}_2\text{H}_4$. الرابطة المزدوجة تشترك في زوجين؛ والرابطة الثلاثية (كما في $\text{N}_2$) تشترك في ثلاثة أزواج.

يمكن للذرات في الدورة 3 وما دونها توسيع ثمانيات الكوكب — أن تحمل أكثر من ثمانية إلكترونات في غلافها الخارجي. أمثلة على ذلك $\text{SO}_2$، $\text{PCl}_5$ و$\text{SF}_6$.

الرابطة التناسقية (وتسمى أيضاً الرابطة التساهمية المنقولة) هي رابطة تساهمية يأتي فيها كل من الإلكترونين المشتركين من نفس الذرة. فعلى سبيل المثال، عندما يلتقي غازا الأمونيا وهيدروكلوريد الهيدروجين، يُكوّن الزوج الحر الموجود على النيتروجين رابطة تناسقية مع $\text{H}^+$، مما يُنتج أيون الأمونيوم $\text{NH}_4^+$. كما تربط الروابط التناسقية نصفي جزيء $\text{Al}_2\text{Cl}_6$ معاً.

روابط سيجما وبي

تتكون الروابط التساهمية عندما تتداخل المدارات:

• تتشكل رابطة سيجما σ عن طريق التداخل المباشر والمباشر للمدارات بين الذرتين.
• تتشكل رابطة بي π عن طريق التداخل الجانبي لمداري p، فوق وتحت رابطة سيجما.

الرابطة الأحادية هي رابطة سيجما واحدة. والرابطة المزدوجة (كما في $\text{C}_2\text{H}_4$) هي رابطة سيجما واحدة بالإضافة إلى رابطة بي واحدة. والرابطة الثلاثية (كما في $\text{N}_2$ و $\text{HCN}$) هي رابطة سيجما واحدة بالإضافة إلى رابطتي بي.

الهجينة

الهجينة تمزج المدارات الموجودة في نفس الغلاف لإنتاج مدارات جديدة ومتساوية للترابط:

• $\text{sp}$: مداران متساويان، يُستخدمان في جزيء خطي.
• $\text{sp}^2$: ثلاث مدارات متساوية، تُستخدم في جزيء مسطح مثل $\text{C}_2\text{H}_4$.
• $\text{sp}^3$: أربع مدارات متساوية، تُستخدم في $\text{CH}_4$.

طاقة الرابطة وطول الرابطة

• طاقة الرابطة هي الطاقة اللازمة لكسر مول واحد من رابطة تساهمية معينة في الحالة الغازية.
• طول الرابطة هو المسافة بين مركزَي الذرتين المرتبطتين.

عادةً ما تكون الرابطة الأقصر أقوى (طاقة رابطة أعلى). الروابط الثلاثية أقصر وأقوى من الروابط المزدوجة، التي بدورها أقصر وأقوى من الروابط الأحادية. الروابط الأقوى تجعل الجزيء أصعب في التفاعل.

لحساب الشكل، استخدم نظرية VSEPR: تدفع أزواج الإلكترونات حول الذرة المركزية بعضها البعض لأبعد مدى ممكن، لأن الشحنات المتشابهة تتنافر.

الزوج الحر (غير الموجود في رابطة) يدفع بقوة أكبر من الزوج الرابط. كل زوج حر يقلل زاوية الرابطة بمقدار حوالي $2.5°$.

يحتوي $\text{NH}_3$ على زوج حر واحد ويحتوي $\text{H}_2\text{O}$ على زوجين حرين، ولهذا السبب تنخفض زواياهما تحت زاوية $109.5°$ الخاصة بـ $\text{CH}_4$. يمكنك التنبؤ بأشكال الجزيئات والأيونات المشابهة بنفس الطريقة.

مثال محلل. تنبأ بالشكل وزاوية الرابطة لـ $\text{NH}_3$ ولـ $\text{H}_2\text{O}$. يحتوي النيتروجين على 5 إلكترون خارجي ويشكل 3 روابط، مما يترك 3 أزواج رابطة و1 زوج حر — أربعة أزواج إجمالاً، لذا تبدأ من الهندسة الرباعية الأوجه $109.5°$. يدفع الزوج الحر بقوة أكبر ويضغط الزاوية بحوالي $2.5°$، مما يعطي شكلاً هرمياً عند زاوية تقارب $107°$.而形成 2 روابط ويبقي 2 أزواج حرة: لا يزال أربعة أزواج، لكن هنا يوجد ضغطان، لذا الشكل منحني عند زاوية تقارب $104.5°$. عُد جميع الأزواج لتحديد الهندسة الأساسية، انقص $2.5°$ لكل زوج حر، وسمّ الشكل بناءً على الذرات — $\text{NH}_3$ له أربعة أزواج لكنه هرمي، ليس رباعي الأوجه.

القوى بين الجزيئات هي القوى بين الجزيئات. وهي أضعف بكثير من الروابط الأيونية والتساهمية والمعدنية داخل المواد.

قطبية الرابطة والأزواج القطبية

عند مشاركة ذرتين مختلفتين في الكهروسالبية للرابطة، تتجمع الإلكترونات closer إلى الذرة الأكثر كهروسالبية. تصبح الرابطة حينها ذات قطبية: طرف سالب قليلاً ($\delta-$) وطرف موجب قليلاً ($\delta+$). هذا الانفصال للشحنة يُسمى ازدواجاً قطبياً (dipole).

إذا لم تلغِ الأزواج القطبية بعضها البعض في الجزيء، فإن الجزيء بأكمله يمتلك عزم ازدواج قطبي ويكون قطبياً. أما إذا ألغت بعضها البعض بالتناظر (كما في $\text{CO}_2$)، يكون الجزيء غير قطبي.

قوى فان دير فالس

قوى فان دير فالس هو الاسم العام لجميع القوى بين الجزيئات. هناك نوعان رئيسيان.

النوع الأول هو قوة الازدواج القطبي الفوري - المحفز، وتُعرف أيضاً باسم قوة لندن للتشتت. تحريك الإلكترونات يولد ازدواجاً قطبياً فورياً مؤقتاً، مما يخلق ازدواجاً قطبياً محفزاً مماثلاً في جزيء مجاور. تعمل هذه القوى بين جميع الجزيئات وتزداد قوتها كلما زاد عدد الإلكترونات.

النوع الثاني هو قوة الازدواج القطبي الدائم - الازدواج القطبي الدائم. تعمل بين الجزيئات التي تكون دائماً قطبية، لأن كل منها يحتوي على ازدواج قطبي دائم.

الرابطة الهيدروجينية

الرابطة الهيدروجينية حالة خاصة قوية من قوى الازدواج القطبي الدائم. تتكون عندما يرتبط الهيدروجين بذرة عالية الكهروسالبية جداً — نيتروجين، أكسجين أو فلور — ويجذب نحو زوج حر على ذرة N أو O أو F في جزيء مجاور. ابحث عن مجموعات N–H و O–H، كما في الأمونيا والماء.

تشرح الرابطة الهيدروجينية السلوك الغريب للماء:

• ارتفاع نقطة انصهاره ونقطة غليانه، بسبب الحاجة لكسر العديد من الروابط الهيدروجينية.
• ارتفاع توتره السطحي.
• الثلج أقل كثافة من الماء السائل، لأن الروابط الهيدروجينية تحتفظ بالجزيئات في بنية مفتوحة ومتباعدة، مما يجعل الثلج يطفو.

مخطط النقاط والعلامات X يعرض الإلكترونات الخارجية لكل ذرة، باستخدام نقاط لذرة وإشارات X للأخرى. يجعل هذا واضحاً的来源 كل إلكترون رابط. يمكنك رسمها للروابط الأيونية والتساهمية والتناسقية، بما في ذلك الجزيئات ذات القشرة الثمانية الممتدة أو العدد الفردي من الإلكترونات.

• بالنسبة لـ الأشكال، عد المجموعات الرابطة والأزواج الحرة، سمّ الشكل، ثم أعط الزاوية الرابطة الدقيقة (مثلاً $\text{NH}_3$: هرمي، $107^\circ$) — كل زوج حر يقلل الزاوية بمقدار حوالي $2.5^\circ$.
• الرابطة التناسقية (الموجهة) تحتوي على كلا الإلكترونين من ذرة واحدة (مثلاً $\text{NH}_4^+$، $\text{H}_3\text{O}^+$)؛ ارسم السهم من الزوج الحر.
• سمِّ القوة بين الجزيئات بدقة: الرابطة الهيدروجينية تتطلب H مرتبطاً بـ N أو O أو F؛ وإلا فهي أزواج قطبية دائمة أو محفزة (فان دير فالس). لا تطلق أبداً على قوى فان دير فالس اسم "روابط".
• اشرح خاصية فيزيائية عن طريق تحديد أي القوى يتم كسرها، وليس فقط "الروابط القوية".