منذ بداية الدراسات المتعلقة بخصائص المادة ، توصل العلماء إلى وجود قوة قادرة على إقامة روابط بين الأنواع المختلفة. "الجزيئات تنجذب إلى بعضها البعض بالقوى" هذا ما قاله إسحاق نيوتن، وبعد سنوات، وبفضل اختراع البطارية الفولتية الشهيرة، قام يونس جاكوب بيرزيليوس بتطوير نظرية تتعلق بعملية الاتحاد الكيميائي.
بفضل التقدم الذي أحرزته الدراسات التي أجراها العديد من العلماء، بتنا اليوم على يقين من أن العناصر الكيميائيةتمامًا مثل البشر، يتفاعلون مع بعضهم البعض، ومن هذا التفاعل تنشأ هياكل جديدة، وعمليات اندماج، ومركبات، ومجموعة كبيرة ومتنوعة من التحولات.
تعتمد نتيجة هذا التفاعل على الخصائص الفردية لكل ذرةسيحد هذا من نوع الرابطة المتكونة، واستقرار المركب، والعديد من خصائصه الفيزيائية والكيميائية. ولكي تتكون رابطة داخل الجزيء، يجب أن تتكون رابطة محددة. رابطة تساهمية غير قطبيةيجب أن تكون الأنواع المعنية متشابهة للغاية من حيث السالبية الكهربائية.
الشروط التي تحدد تكوين الروابط
على الرغم من أنه قد يُعتقد أن عمليات تكوين المركبات هذه من خلال إنشاء الروابط تحدث تلقائيًا وفي جميع السيناريوهات الممكنة، إلا أن الحقيقة هي أن الاتحاد بين الذرات لا يحدث ذلك إلا عندما تكون الظروف المحيطة بالعملية مواتية. عوامل مثل درجة الحرارة و الضغط إنها تحد من حدوث التفاعل وتغير أيضًا نتيجة أو خصائص المركب المتكون.
جانب مهم آخر هو تركيز المواديُحدد هذا كمية ونوع المكون الناتج عن عملية التفاعل. في العديد من التفاعلات، قد يؤدي تغيير طفيف في نسبة المواد المتفاعلة إلى تكوين نواتج مختلفة أو منع التفاعل من الحدوث تمامًا.
ال الخصائص الفردية للجسيماتتحدد كهرسلبية الذرات ونصف قطرها الذري وتوزيعها الإلكتروني، على وجه الخصوص، الكمية والأنواع التي تتحد بها؛ كما تحدد أيضًا نوع الرابط والتي ستتطور. يجب أن نتذكر أنه، وفقًا للمقياس الذي اقترحه لينوس باولينغ، سيعتمد نوع الرابطة المتكونة على الفرق في السالبية الكهربية بين الأنواع:
- أيوني: فرق الكهرسلبية أكبر من أو يساوي 1,7هذا يدل على أن هذا النوع من الروابط هو سمة مميزة للأنواع ذات السالبية الكهربية المختلفة للغاية، لذا فإن الذرة الأكثر سالبية كهربية يجذب بقوة إلكترونات التكافؤ، التي تولد أيونات موجبة وسالبة ترتبط معًا بواسطة قوى كهروستاتيكية.
- الرابطة التساهمية القطبية: الفرق بين 1,7 0,5 و تقريبًا. وعادة ما تتشكل بين عناصر من كهرسلبية عالية (وخاصة اللافلزات) ويحدث أن يكون المركب المتكون نتيجة لـ حجرة غير متساوية من الإلكترونات. تجذب إحدى الذرات سحابة الإلكترونات بشكل أكبر إلى حد ما، مما يخلق رابطة ذات طابع قطبي معين.
- رابطة تساهمية غير قطبية: يحدث هذا عندما يكون الفرق المسجل أقل من أو يساوي 0,4 - 0,5 (مع أن قيمته في كثير من الحالات تساوي الصفر عملياً). في هذه الحالة، يتم توزيع الإلكترونات بطريقة أكثر توازناً.
تسمح معايير فرق الكهرسلبية هذه توقع قطبية الرابطةعلى وجه الخصوص، تتوافق القيم بين 0 و 0,4 تقريبًا مع الروابط التساهمية غير القطبية، حيث يتم توزيع السحابة الإلكترونية بشكل شبه منتظم بين الذرتين المرتبطتين.
ما هي الرابطة التساهمية غير القطبية؟
Un رابطة كيميائية هي القوة التي تربط ذرتين معًا. هذه تفاعلات بينهما تمنحهما استقرارًا طاقيًا أكبر. عندما ترتبط عدة ذرات بروابط، فإنها تُشكّل جزيئات أو الشبكات البلورية، التي تشكل أساس كل المادة المعروفة.
من وجهة نظر هيكلية، تتكون الذرة من جوهر (بروتونات ونيوترونات) وسحابة من الإلكترونات التي تتحرك. هذه الإلكترونات، وخاصة تلك الخاصة بـ غلاف التكافؤهذه هي العناصر التي تشارك في الروابط. الذرة المعزولة، بشكل عام، ليست مستقرة للغاية، لذا فهي تميل إلى التفاعل مع الذرات الأخرى لتحقيق تكوينات إلكترونية أكثر استقرارًا، غالبًا ما تكون مشابهة لتلك الموجودة في الغازات النبيلة.
كما هو معروف، فإن نواة الذرات مشحونة بشحنة موجبة، لذا فإن الميل الطبيعي لنوعين كيميائيين هو التنافر. ومع ذلك، فإن سحابة الإلكترون التي تدور حول النواة، مما يجعل تكوين الروابط الكيميائية ممكناً، لأنها تستطيع أن تكون مشتركة o تحويل بين الذرات المختلفة.
لكي تتشكل الرابطة، يجب أن تستوفي الأنواع الكيميائية الموجودة شرطًا عامًا: يجب أن يُظهر أحدهما نقصًا في الإلكترونات في غلافه الخارجي، ويجب أن يكون لدى الآخر إلكترونات متاحة للمشاركة.إن حالة التجاذب بين النوى الموجبة وسحابة الإلكترون المشتركة تجعل من الممكن تعويض قوة التنافر بين النوى بواسطة قوة التجاذب بين الإلكترون والنواة، مما يؤدي إلى استقرار النظام.
رابطة تساهمية غير قطبيةالرابطة التساهمية، وتسمى أيضًا الرابطة التساهمية النقية أو غير القطبية، هي اتحاد ذرتين تتشاركان زوجًا واحدًا أو أكثر من الإلكترونات بطريقة تجعلهما متساوي عملياأي أن الإلكترونات التي تشكل الرابطة تقضي نفس القدر من الوقت تقريبًا بالقرب من إحدى الذرات كما تقضيه بالقرب من الأخرى، دون أي فصل كبير للشحنات.
يحدث هذا النوع من الارتباط بين اثنين ذرات متطابقة (من نفس العنصر) أو بين ذرتين مختلفتين، لكن لهما كهرسلبية مختلفة مشابه جدامن حيث فرق الكهرسلبية، تعتبر الرابطة التساهمية غير قطبية عندما يقع هذا الفرق بين 0 و 0,4 – 0,5تحت هذه القيم، يكون توزيع سحابة الإلكترون متناظرًا بدرجة كافية بحيث لا توجد أقطاب محددة بوضوح.
الجزيئات الناتجة عن هذا النوع من الروابط ليس لها شحنة صافية وغالبًا ما تكون متماثل في بنيتها، مما يساهم في أن يكون عزم ثنائي القطب الكلي صفراً. وهي ليست أكثر أنواع الروابط وفرة في جميع المركبات، ولكنها أساسية، على سبيل المثال، في الجزيئات ثنائية الذرة للعديد من الغازات وفي عدد كبير من المركبات العضوية.
أنواع الروابط التساهمية غير القطبية وفقًا للإلكترونات المشتركة
في الرابطة التساهمية غير القطبية، يمكن للذرات أن تتشارك زوج واحد أو زوجان أو ثلاثة أزواج من الإلكترونات. وبناءً على عدد الأزواج المشتركة، يتم تمييز عدة أنواع:
- رابط بسيط: هو مشترك زوج واحد من الإلكترونات بين الذرتين. هذا هو حال الرابطة H-H في جزيء الهيدروجين (H2).
- رابط مزدوج: يتم مشاركتها دوس باريس من الإلكترونات. مثال على ذلك هو الرابطة C=C في جزيء الإيثيلين (C2H4)، حيث تتوزع الإلكترونات المشتركة بشكل متجانس تقريبًا بين ذرتي الكربون.
- وصلة ثلاثية: يتم مشاركتها ثلاثة أزواج من الإلكترونات. ومن الأمثلة النموذجية على ذلك الرابطة N≡N في جزيء النيتروجين (N2), والتي، على الرغم من قوتها الكبيرة، تظل رابطة تساهمية غير قطبية بسبب تساوي السالبية الكهربية.
في جميع هذه الحالات، لا يقتصر العامل الحاسم على عدد الأزواج المشتركة فحسب، بل يشمل أيضًا التساوي أو التشابه في السالبية الكهربية من الذرات المشاركة، وهو ما يضمن عدم وجود أقطاب مميزة.
أمثلة على الروابط التساهمية غير القطبية
توجد أمثلة عديدة للروابط التساهمية غير القطبية، سواء في الجزيئات المكونة من ذرات متطابقة أو تلك المكونة من ذرات مختلفة ذات كهرسلبية متقاربة. ومن أبرز هذه الأمثلة ما يلي:
- الروابط بين الذرات المتطابقة: عندما تتشكل رابطة بين ذرتين من نفس العنصرالفرق في الكهرسلبية يساوي صفرًا تمامًا. السحابة الإلكترونية مشتركة بالتساوي بين كليهما. ومن الأمثلة الكلاسيكية على ذلك الهيدروجين (H₂) والهيدروجين (H₂).2) ، نيتروجين (ن2) ، الأكسجين (O2) ، الفلور (F.2) البروم (Br2) وجزيئات ثنائية الذرة أخرى من العناصر غير المعدنية.
- جزيء الهيدروجين (H2تتشارك ذرتا هيدروجين إلكترون التكافؤ الوحيد لتكوين رابطة تساهمية أحادية. ولأن الذرتين متطابقتان، فإن فرق الكهرسلبية يساوي صفرًا، لذا فإن الرابطة واضحة. الغير قطبي.
- جزيء الفلور (F2على الرغم من أن الفلور هو العنصر الأكثر كهرسلبية في الجدول الدوري، إلا أنه عندما ترتبط ذرة فلور بأخرى، لا تستطيع أي منهما جذب السحابة الإلكترونية بقوة أكبر من الأخرى. فالكهرسلبية متساوية، والرابطة تساهمية غير قطبية.
- جزيء الأوزون (O3في هذا الجزيء، ترتبط ذرة الأكسجين المركزية بذرتي أكسجين أخريين بروابط تساهمية. روابط OO هي، بشكل فردي، تساهمي غير قطبي لأنها تحدث بين الذرات ذات السالبية الكهربية المتساوية، على الرغم من أن الجزيء الكامل له بنية أكثر تعقيدًا وتأثيرات رنين معينة.
- جزيء النيتروجين (N2): تشارك كل ذرة نيتروجين إلكتروناتها التكافؤية الثلاثة غير المزدوجة مع الذرة الأخرى، لتشكل الوصلة الثلاثيةالفرق في الكهرسلبية يساوي صفرًا، لذا فإن الرابطة N≡N هي رابطة تساهمية غير قطبية وقوية للغاية.
- روابط CH في الميثان (CH4يُعدّ الميثان حالةً مثيرةً للاهتمام، إذ أن روابط الكربون-هيدروجين فيه تحدث بين ذرات عناصر مختلفة. ويقارب فرق الكهرسلبية بين الكربون والهيدروجين... 0,4تقع هذه القيمة على الحد الفاصل بين الرابطة غير القطبية والرابطة القطبية جزئيًا. وفي كثير من السياقات، تُعتبر مثالًا على الرابطة التساهمية غير القطبية، أو على الأقل ذات قطبية منخفضة جدًا. علاوة على ذلك، الهندسة رباعية الأوجه تتسبب خصائص الميثان في أنه على الرغم من أن كل رابطة قد يكون لها قطبية طفيفة، فإن عزم ثنائي القطب يلغي بعضه البعض ويكون الجزيء بأكمله غير قطبي.
- جزيء الإيثيلين (C2H4): يحتوي الإيثيلين على أربع روابط CH ورابطة واحدة الرابطة المزدوجة C=Cتُعتبر كل من روابط CH (ذات القطبية المنخفضة جدًا) ورابطة C=C روابط تساهمية غير قطبية من حيث توزيع الشحنة. ويُظهر الجزيء ككل تناظرًا يُعزز طابعه غير القطبي.
- كبريتيد الكربون (CS2): يتميز هذا المركب بذرة كربون مرتبطة خطيًا بذرتي كبريت من خلال الروابط المزدوجة C=S. الفرق في الكهرسلبية بين الكربون والكبريت ليس كبيرًا جدًا، لذا فإن الروابط ذات قطبية ضعيفة. بالإضافة إلى ذلك، فإن الشكل الهندسي الخطي يؤدي إلى إلغاء أي عزم ثنائي قطب محتمل لبعضه البعض، مما ينتج عنه جزيء غير قطبي بشكل عام.
في جميع هذه الأمثلة، إما أن تكون قيم الكهرسلبية متساوية، أو أن يكون الفرق أقل من ٢٠٢٤/٢٠٢٣مما يضمن توزيعًا شبه موحد للسحابة الإلكترونية المشتركة.
خصائص المركبات ذات الروابط التساهمية غير القطبية
تتميز المركبات التي تتكون أساسًا من روابط تساهمية غير قطبية بمجموعة من الخصائص التي تميزها عن المركبات الأيونية أو تلك التي تحتوي على روابط تساهمية قطبية قوية. ومن أهم خصائصها ما يلي:
- تتميز بانخفاض درجات انصهارها وغليانها بالمقارنة مع المركبات الأيونية أو المعدنية. العديد من المواد من هذا النوع تكون في حالة غازية أو سائلة في درجة حرارة الغرفة، مثل الهيدروجين (H₂).2) النيتروجين (N2) أو البروم (Br2).
- لا توصل الحرارة بشكل جيدلأنها تفتقر إلى الإلكترونات الحرة أو الأيونات المتحركة التي يمكنها نقل الطاقة الحرارية بكفاءة عبر الهيكل.
- إبن غير قابل للذوبان في الماء عند درجات حرارة مختلفة، أو تُظهر قابلية ذوبان منخفضة للغاية. وكقاعدة عامة، فإن هذه المركبات غير قطبي تميل هذه المواد إلى الذوبان بشكل أفضل في المذيبات غير القطبية (مثل بعض الهيدروكربونات)، بينما الماء مذيب قطبي قوي.
- إبن موصلات رديئة للكهرباءبما أن جزيئاتها متعادلة كهربائياً ولا تتفكك إلى أيونات عند ذوبانها، ولا توجد بها حاملات شحنة متحركة، فإن التيار الكهربائي لا ينتقل بسهولة.
- الجزيئات عادة متماثل بالنسبة إلى مستوى أو محور مرجعي، مما يساهم في أن يكون المجموع الاتجاهي لعزوم ثنائيات الأقطاب المحتملة للرابطة مساوياً للصفر. هذا التناظر أساسي لكي يتصرف المركب كمادة غير قطبية بشكل عام.
- حاضر طاقة ربط منخفضة نسبياً بالمقارنة مع بعض الروابط الأيونية أو الشبكات التساهمية الواسعة (مثل الماس)، فإن هذا يعني بشكل عام أن الطاقة المطلوبة لكسر رابطة تساهمية غير قطبية فردية أقل من الطاقة المطلوبة لكسر رابطة أيونية قوية.
- يمكنهم تشكيل المواد الصلبة أو السائلة أو الغازية عند درجة حرارة الغرفة، يعتمد ذلك على قوة القوى بين الجزيئية (قوى تشتت لندن، ثنائي القطب المستحث، إلخ) وحجم الجزيئات. على سبيل المثال، النيتروجين (N2البروم (Br) هو غاز2) هي مركبات سائلة وعضوية مثل النفثالين (C10H8) هي مواد صلبة جزيئية.
مجتمعة، تفسر هذه الخصائص سبب استخدام العديد من المركبات ذات الروابط التساهمية غير القطبية كـ المذيبات العضوية، الوقود أو المواد العازلة، سواء الكهربائية أو الحرارية.
إجراء لتحديد نوع الرابطة في الجزيء
إذا كنت ترغب في تحديد نوع الرابطة في الجزيء بدقة أكبر النوع التساهمي غير القطبييمكنك اتباع إجراء بسيط يعتمد على السالبية الكهربية للعناصر:
- أولاً، حدد العناصر التي يتكون منها الجزيء وطبيعتها: ما إذا كانت المعادنتوجد عادةً على الجانب الأيسر وفي وسط الجدول الدوري؛ إذا كانت لا معادنتوجد على الجانب الأيمن (بما في ذلك الهيدروجين في العديد من مخططات الدراسة).
- قبل إجراء الحساب، يمكنك بالفعل الحصول على واحد مفهوم النتيجةبحسب التعريف، إذا كنت في وجود عنصرين غير فلزيين، فسوف يتشكل مركب. الرابطة التساهميةسيبقى السؤال مطروحاً عما إذا كان قطبياً أم غير قطبي.
- حدد موقع ملف السالبية الكهربية لكل عنصر في الجدول الدوري (عادةً باستخدام قيم مقياس باولينغ). اكتب القيمة المقابلة لكل ذرة تشارك في الرابطة.
- اصنع الطرح البسيط الفرق بين قيم الكهرسلبية (عمومًا، القيمة الأعلى ناقص القيمة الأدنى). ستعطيك النتيجة فرق السالبية الكهربية بين الذرتين.
- قارن القيمة المُستحصلة مع الفترات المرجعية: إذا كان الفرق هو أكبر من أو يساوي 1,7ستكون الرابطة في الغالب أيونية؛ إذا كانت بين 0,5 1,7 و، يعتبر تساهمية قطبيةوإذا كان الأمر كذلك أقل من أو يساوي 0,4 - 0,5، إنه يقع في حوالي رابطة تساهمية غير قطبية أو ذات قطبية منخفضة للغاية.
بالإضافة إلى هذا التحليل الكمي، من المهم مراعاة هندسة الجزيءيمكن أن يحتوي الجزيء على العديد من الروابط القطبية ومع ذلك يكون عالميًا غير قطبي إذا تسبب الترتيب المكاني للروابط في إلغاء عزم ثنائي القطب لبعضه البعض. ومن الأمثلة النموذجية على ذلك ثاني أكسيد الكربون (CO₂).2)، حيث تكون روابط C=O قطبية، لكن الهندسة الخطية تجعل عزم ثنائي القطب الكلي صفراً.
فهم قطبية الرابطة و القطبية الجزيئية من الأمور الأساسية في الكيمياء التنبؤ بخصائص مثل الذوبان، ونقاط الانصهار والغليان، والتفاعلية، وسلوك المواد في أوساط مختلفة.
الدراسة التفصيلية لـ الروابط التساهمية غير القطبية يسمح لنا ذلك بفهم سبب إظهار العديد من المواد اليومية (الغازات الجوية والوقود والبلاستيك والجزيئات العضوية الأخرى) سلوكيات فيزيائية مختلفة تمامًا عن تلك الخاصة بالأملاح الأيونية أو المعادن، على الرغم من كونها تتكون من أنواع قليلة من الذرات التي تتحد بطرق متنوعة.