العلومالكيمياءالكيمياء العضوية

نظرية تنافر الأزواج الإلكترونية لغلاف التكافؤ VSEPR

اقرأ في هذا المقال
  • ما هي نظرية VSEPR؟
  • افتراضات نظرية VSEPR
  • حدود نظرية VSEPR
  • كيف من الممكن توقع أشكال الجزيئات؟
  • أشكال الجزيئات
  • كيف يمكن استخدام نظرية VSEPR للتنبؤ بأشكال الجزيئات؟

ما هي نظرية VSEPR؟

 

نظرية تنافر زوج الإلكترون (Valence Shell) التي تمّ اختصارها على أنّها نظرية (VSEPR) تستند إلى فرضية وجود تنافر بين أزواج إلكترونات التكافؤ في جميع الذرات، وتميل الذرات دائمًا إلى ترتيب نفسها بطريقة يكون فيها تنافر زوج الإلكترون هذا الحد الأدنى. يحدد ترتيب الذرة هذا هندسة الجزيء الناتج. وفقًا لنظرية (VSEPR)، فإنّ التنافر بين إلكترونين ناتج عن مبدأ استبعاد باولي الذي له أهمية أكبر من التنافر الكهروستاتيكي في تحديد الهندسة الجزيئية.

تُستخدم نظرية (VSEPR) للتنبؤ بشكل الجزيئات من أزواج الإلكترونات التي تحيط بالذرات المركزية للجزيء. تمّ تقديم النظرية لأول مرة من قبل (Sidgwick) و(Powell) في عام 1940. تستند نظرية (VSEPR) على افتراض أنّ الجزيء سوف يأخذ شكلاً بحيث يتم تقليل التنافر الإلكتروني في غلاف التكافؤ لتلك الذرة.

افتراضات نظرية VSEPR:

 

  •  في الجزيئات متعددة الذرات (أي الجزيئات المكونة من ثلاث ذرات أو أكثر)، يتم تحديد إحدى الذرات المكونة على أنّها الذرة المركزية التي ترتبط بها جميع الذرات الأخرى التي تنتمي إلى الجزيء.

 

  • يحدد العدد الإجمالي لأزواج غلاف التكافؤ شكل الجزيء.

 

  • تميل أزواج الإلكترون إلى توجيه نفسها بطريقة تقلل من تنافر الإلكترون بينهما وتزيد من المسافة بينهما.

 

  • يمكن اعتبار غلاف التكافؤ كرة، حيث يتم توطين أزواج الإلكترون على السطح بطريقة تزيد المسافة بينهما إلى أقصى حد.

 

  • إذا كانت الذرة المركزية للجزيء محاطة بأزواج روابط من الإلكترونات، فيمكن توقع الجزيء غير المتماثل الشكل.

 

  • إذا كانت الذرة المركزية محاطة بأزواج منفردة وأزواج رابطة من الإلكترونات، فإنّ الجزيء يميل إلى أن يكون له شكل مشوه.

 

  • يمكن تطبيق نظرية (VSEPR) على كل بنية رنين للجزيء.

 

  • تكون قوة التنافر أقوى في زوجين منفردين وأضعف في زوجين من الروابط.

 

  • إذا كانت أزواج الإلكترون حول الذرة المركزية أقرب إلى بعضها البعض، فسوف تتنافر. ينتج عن هذا زيادة في طاقة الجزيئات. إذا كانت أزواج الإلكترونات بعيدة عن بعضها البعض، فإنّ التنافر بينهما سيكون أقل، وفي النهاية، ستكون طاقة الجزيء منخفضة.

 

حدود نظرية VSEPR:

 

تتضمن بعض القيود المهمة لنظرية (VSEPR) ما يلي:

  • فشلت هذه النظرية في تفسير الأنواع الإلكترونية المتساوية (أي العناصر التي لها نفس عدد الإلكترونات).

 

  • قد تختلف الأنواع في الأشكال على الرغم من وجود نفس عدد الإلكترونات.

 

 

  • لا يمكن وصف بنية العديد من هذه المركبات بشكل صحيح من خلال هذه النظرية؛ وذلك لأنّ نظرية (VSEPR) لا تأخذ في الاعتبار الأحجام المرتبطة للمجموعات البديلة والأزواج الوحيدة غير النشطة.

 

  • تتمثل أحد القيود الأخرى لنظرية (VSEPR) في أنّها تتوقع أن يكون لهاليدات عناصر المجموعة 2 بنية خطية، في حين أنّ هيكلها الفعلي هو هيكل منحني.

 

كيف من الممكن توقع أشكال الجزيئات؟

 

يجب اتباع الخطوات التالية من أجل تحديد شكل الجزيء:

  • يجب اختيار أقل ذرة كهربية كذرة مركزية؛ لأنّ هذه الذرة لديها أعلى قدرة على مشاركة إلكتروناتها مع الذرات الأخرى التي تنتمي إلى الجزيء.

 

  • يجب حساب العدد الإجمالي للإلكترونات التي تنتمي إلى الغلاف الخارجي للذرة المركزية.

 

  • يجب حساب العدد الإجمالي للإلكترونات التي تنتمي إلى ذرات أخرى والمستخدمة في روابط مع الذرة المركزية.

 

  • يجب إضافة هاتين القيمتين من أجل الحصول على رقم زوج إلكترون غلاف التكافؤ أو رقم (VSEP).

 

أشكال الجزيئات:

 

لا يمكن استخدام نظرية (VSEPR) للحصول على زوايا الرابطة الدقيقة بين الذرات في الجزيء.

الشكل الخطي للجزيء:

 

في هذا النوع من الجزيئات، نجد مكانين في غلاف التكافؤ للذرة المركزية. يجب أن يتم ترتيبها بهذه الطريقة بحيث يمكن التقليل من التنافر (الإشارة في الاتجاه المعاكس).

الشكل الثلاثي المستوي للجزيء:

 

في هذا النوع من الجزيئات، نجد ثلاثة جزيئات مرتبطة بذرة مركزية. يتم ترتيبها بهذه الطريقة بحيث يمكن تقليل التنافر بين الإلكترونات (باتجاه زوايا مثلث متساوي الأضلاع). مثال: BF3.

شكل رباعي السطوح للجزيء:

 

في الجزيئات ثنائية الأبعاد، تقع الذرات في نفس المستوى، وإذا وضعنا هذه الشروط على الميثان، فسنحصل على هندسة مستوية مربعة تكون فيها زاوية الرابطة بين H-C-H 900. الآن، إذا أخذنا في الاعتبار كل هذه الشروط لجزيء ثلاثي الأبعاد، فسنحصل على جزيء رباعي السطوح، حيث تكون زاوية الرابطة بين HCH 109028 (باتجاه زوايا مثلث متساوي الأضلاع) CH4.

الشكل الثلاثي ثنائي الهرم للجزيء:

 

لنأخذ مثالاً على PF5، هنا يمكن التقليل من التنافر عن طريق التوزيع المتساوي للإلكترونات نحو زاوية الهرم المثلثي، ففي مثلث ثنائي الهرمون، توجد ثلاثة مواضع على طول خط الاستواء للجزيء. يقع الموضعان على طول محور عمودي على المستوى الاستوائي.

كيف يمكن استخدام نظرية VSEPR للتنبؤ بأشكال الجزيئات؟

 

تكمن قوة التنافر بين زوج وحيد وزوج من الإلكترونات الرابطة بين التنافر بين زوجين منفردين وبين زوجين من السندات. يكون ترتيب التنافر بين أزواج الإلكترونات كما يلي: زوج وحيد – زوج وحيد، زوج وحيد – زوج سندات، زوج سندات – زوج سندات.

العدد الإجمالي لأزواج الإلكترونات حول الذرة المركزية = (عدد إلكترونات التكافؤ للذرة المركزية + عدد الذرات المرتبطة بالذرة المركزية بواسطة روابط مفردة) بالنسبة للأيونات السالبة، يتم إضافة عدد الإلكترونات المساوي لوحدات الشحنة السالبة على الأيونات إلى إلكترونات التكافؤ للذرة المركزية. بالنسبة للأيونات الموجبة يتم طرح عدد الإلكترونات التي تساوي وحدات الشحنة الموجبة على الأيون من إلكترونات التكافؤ للذرة المركزية.

عدد زوج السندات= إجمالي عدد الذرات المرتبطة بالذرة المركزية بواسطة روابط مفردة. عدد الأزواج المنفردة = إجمالي عدد الإلكترون – عدد الأزواج المشتركة، حيث تتنافر أزواج الإلكترون حول الذرة المركزية بعضها البعض وتتحرك بعيدًا عن بعضها البعض بحيث لا يوجد تنافر أكبر بينهما.

ينتج عن هذا الجزيء طاقة دنيا وأقصى قدر من الاستقرار. دائمًا ما يكون شكل الجزيء الذي يحتوي على ذرتين فقط خطيًا، بالنسبة للجزيئات التي تحتوي على ثلاث ذرات أو أكثر، تسمى إحدى الذرات الذرة المركزية وترتبط الذرات الأخرى بالذرة المركزية. إذا كانت الذرة المركزية مرتبطة بذرات متشابهة ومحاطة بأزواج رابطة من الإلكترونات فقط، فإنّ التنافر بينهما يكون متشابهًا، ونتيجة لذلك يكون شكل الجزيء متماثلًا ويقال أنّ للجزيء هندسة منتظمة.

إذا كانت الذرة المركزية مرتبطة بذرات مختلفة أو كانت محاطة بزوج من الروابط بالإضافة إلى زوج وحيد من الإلكترونات، فإنّ التنافر بينهما يكون متشابهًا، ونتيجة لذلك فإنّ شكل الجزيء له هندسة غير منتظمة أو مشوهة، يعتمد الشكل الدقيق للجزيء على العدد الإجمالي لأزواج الإلكترونات الموجودة حول الذرة المركزية.

 

المصدر
VSEPR TheoryValence-Shell Electron-Pair Repulsion Theory (VSEPR)10.1: VSEPR Theory and the Basic ShapesVSEPR Theory

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

زر الذهاب إلى الأعلى