التفاعلية 3.4 · تفاعلات مشاركة أزواج الإلكترونات

دبلومة البكالوريا الدولية · IB Diploma · Chemistry · SL · الموضوع 21

21.1

النطاق والشروط المسبقة

تغطي هذه الورقة موضوعات مختارة من المستوى العادي للمادة الأولى التي تم تقييمها في 2025؛ وهي لا تمثل المنهج الكامل.

المسبقات: الروابط التساهمية والقطبية من البنية 2.2، والألكينات والهالوجينوألكانات من البنية 3.2، وآليات الجذور الحرة (مشاركة الإلكترونات) من التفاعلية 3.3.

الأمثلة أصيلة ومخترعة: فهي ليست قياسات حقيقية أو تحقيقات طلابية فعلية.

مفردات تدريب

English	العربية
nucleophilic substitution/ˌnjuːklɪəˈfɪlɪk ˌsʌbstɪˈtjuːʃn/	استبدال نوكليوفيلي
heterolytic fission/ˌhetrəˈlɪtɪk ˈfɪʃn/	انقسام غير متجانس
nucleophile/ˈnjuːklɪɒfaɪl/	ناشط نووي
electrophile/ɪˌlektrəʊˈfaɪl/	ناشف إلكتروني

21.2

تفاعلات مشاركة أزواج الإلكترونات

ما الذي قد يفسر هذه الملاحظة؟

عند هز بروموإيثان مع محلول هيدروكسيد الصوديوم الدافئ، يتحول إلى إيثانول، بينما يتجاهل الهيكل العظمي للألكان نفسه الذي لا يحتوي على رابطة C–Br الهيدروكسيد تمامًا. ماذا تجعل رابطة C–Br ممكنة؟

بنِ النموذج

يمكن للرابطة التساهمية أيضًا أن تنكسر بواسطة الانشقاق غير المتجانس: تنتقل كلا إلكتروني الزوج المشترك إلى ذرة واحدة، مكونة أيونات. يشير سهم الكيرلي ذو الشفرتين المزدوجين إلى حركة زوج إلكترونات.
النيوكليوفيل هو متبرع لأزواج الإلكترونات (OH⁻، CN⁻، NH₃) يهاجم ذرة كربون ذات شحنة جزئية موجبة δ+. والإلكتروفيل هو مستقبل لأزواج الإلكترونات (Br₂، H⁺) يستقبل زوجًا من منطقة غنية بالإلكترونات مثل الرابطة المزدوجة C=C. في استبدال بروموإيثان، يتبرع OH⁻ بزوج إلكتروني لذرة الكربون δ+ بينما يغادر Br⁻ مع الزوج المرتبط: CH₃CH₂Br + OH⁻ → CH₃CH₂OH + Br⁻.
الانشقاق غير المتجانس: انكسار الرابطة حيث تأخذ ذرة واحدة كلا الإلكترونات المشتركة؛ النيوكليوفيل: متبرع بأزواج الإلكترونات يجذب نحو مركز موجب أو δ+؛ الإلكتروفيل: مستقبل لأزواج الإلكترونات يجذب نحو منطقة غنية بالإلكترونات.

انشطار أيوني لـ H–Br مع انتقال كلا الإلكترونين إلى Br؛ بجانبه، يهاجم OH⁻ ذرة الكربون δ+ في بروموإيثان ويغادر Br⁻، مما يعطي إيثانول — في الانشطار الأيوني، تذهب الزوج الإلكتروني إلى ذرة واحدة؛ OH⁻ يتبرع بزوج إلكتروني لذرة الكربون δ+ ويغادر Br⁻

اختر الأدلة القادرة على اختبار النموذج

تعتمد سرعة التفاعل على تركيز كل من بروموإيثان والهيدروكسيد، مما يدعم آلية يلتقي فيها الاثنان في الخطوة الحاسمة. تظهر أيونات البروميد في المحلول أثناء تكون الكحول، مما يتوافق مع توقع مجموعة المغادرة.
يفقد ماء البروم لونه البرتقالي مع الألكين ولكن ليس مع الألكان المقابل — دليل على أن الرابطة Mزدوجة C=C الغنية بالإلكترونات هي ما يجذب الإلكتروفيل.

اعمل من الكميات المعروفة

معلوم: Mr(CH₃CH₂OH) = 46؛ Mr(CH₃CH₂Br) = 109؛ Mr(OH⁻) = 17. تقاس الكفاءة الذرية مقدار كتلة المتفاعل الذي ينتهي في المنتج المطلوب: الكفاءة الذرية = Mr(المنتج المطلوب) / ΣMr(جميع المتفاعلات) × 100%. الاستبدال: 46/(109 + 17) × 100% = 46/126 × 100% = 36.5%. تملك تفاعلات الاستبدال كفاءة ذرية منخفضة لأن المجموعة المغادرة تحمل الكتلة بعيداً.

مثال:

لدى كلوروإيثان Mr = 64.5. أوجد اقتصاد الذرات لتفاعل CH₃CH₂Cl + OH⁻ → CH₃CH₂OH + Cl⁻ باستخدام نفس التسلسل: كميات معروفة ← نموذج ← علاقة ← تعويض ← وحدة وتفسير. (الإجابة: 46/(64.5 + 17) × 100% = 46/81.5 × 100% = 56.4% — المجموعة الخفيفة من المغادرة ترفع اقتصاد الذرات، رغم أنها لا تزال أقل بكثير من اقتصاد ذرات تفاعل الإضافة 100%).

تحقق من الاستنتاج وحدوده

يظهر نموذج دفع الأسهم تدفق الإلكترونات في الخطوة الحاسمة؛ تعتمد السرعات الفعلية أيضًا على المذيب ودرجة الحرارة، وهذا المخطط لا يعكس ذلك. يقارن اقتصاد الذرات الطرق نظريًا؛ يتطلب التقييم الكامل للعملية بيانات عن العائد والطاقة والسلامة أيضًا.

تحذير:

النيوكليوفيل هو أيون سالب، لذا فإن أي أيون سالب هو نيوكليوفيل وأي نوع موجب هو إلكترونفيل. هذا الادعاء خاطئ: التعريف يتعلق بتبرع أزواج الإلكترونات — فالأمونيا المتعادلة NH₃ هي نيوكليوفيل لأنها تحمل زوجًا حرًا، والبروميد Br⁻ هو مجموعة مغادرة وليس نيوكليوفيل مهاجم في هذا الاستبدال.

المفتاح:

تفاعلات مشاركة أزواج الإلكترونات: ينقل الانشقاق غير المتجانس كلا الإلكترونات المشتركة إلى ذرة واحدة؛ تتتبع الأسهم ذات الشفرات المزدوجة أزواج الإلكترونات. تبرع النيوكليوفيلات بالأزواج نحو مراكز δ+ ويستقبل الإلكتروفيلات الأزواج من المناطق الغنية بالإلكترونات؛ تستنتج آليات الاستبدال والإضافة من هذا التدفق.