الشكل الجزيئي والقطبية

عزم ثنائي القطب في جزيء

تربط الروابط التساهمية القطبية ذرتين بكهرسلبية مختلفة، تاركة ذرة واحدة بشحنة موجبة جزئية (δ⁺) والذرة الأخرى بشحنة سالبة جزئية (δ^–)، حيث يتم سحب الإلكترونات نحو الذرة الأكثر كهرسلبية. يؤدي فصل الشحنة هذا إلى نشوء عزم رابطة ثنائي القطب. يتم تمثيل مقدار عزم الرابطة ثنائي القطب بالحرف اليوناني mu (µ) ويتم الحصول عليه بالصيغة الموضحة هنا، حيث Q هو مقدار الشحنات الجزئية (يتم تحديدها من خلال فرق الكهربية) و r هي المسافة بين الشحنات: μ = Qr.

يمكن تمثيل عزم الرابطة هذه كسهم اتجاه، وكمية لها اتجاه وحجم. يتم عرض المتجهات ثنائية القطب على شكل أسهم تشير على طول الرابطة من الذرة الأقل كهرسلبية نحو الذرة الأكثر كهرسلبية. يتم رسم علامة زائد صغيرة على الطرف الأقل سلبياً للإشارة إلى النهاية الموجبة جزئياً للرابطة. يتناسب طول السهم مع حجم فرق الكهربية بين الذرتين.

العوامل التي تحدد قطبية الجزيء

قد يكون للجزيء كله أيضًا فصل في الشحنة ، اعتمادًا على هيكله الجزيئي وقطبية كل من روابطه. في حالة وجود فصل الشحنة هذا، يُقال أن الجزيء جزيء قطبي؛ خلاف ذلك، يُقال أن الجزيء غير قطبي. تقيس العزم ثنائي القطب مدى صافي فصل الشحنة في الجزيء ككل. نحدد العزم ثنائي القطب عن طريق إضافة لحظات الرابطة في فضاء ثلاثي الأبعاد، مع مراعاة التركيب الجزيئي.

بالنسبة للجزيئات ثنائية الذرة، هناك رابطة واحدة فقط، لذلك تحدد عزم الرابطة ثنائي القطب القطبية الجزيئية. الجزيئات ثنائية النواة متجانسة النواة مثل Br₂ و N ₂ ليس لها فرق في الكهرسلبية، لذا فإن عزمها ثنائي القطب هو صفر. بالنسبة للجزيئات ذات الأنوية غير المتجانسة مثل CO، هناك عزم ثنائي القطب صغير. بالنسبة إلى HF، هناك عزم ثنائي القطب أكبر نظراً لوجود فرق أكبر في الكهرسلبية.

عندما يحتوي الجزيء على أكثر من رابطة، يجب مراعاة الهندسة. إذا تم ترتيب الروابط في جزيء بحيث تلغي لحظات الرابطة الخاصة بها (مجموع المتجه يساوي صفراً) ، فإن الجزيء يكون غير قطبي. هذا هو الوضع في CO₂. كل من الروابط قطبية، لكن الجزيء ككل غير قطبي. من بنية لويس، وباستخدام نظرية فسيبر، نحدد أن جزيء CO₂ خطي مع روابط قطبية C=O على جوانب متقابلة من ذرة الكربون. تلغى أعزام الرابطة لأنها موجهة في اتجاهين متعاكسين. في حالة جزيء الماء، يُظهر هيكل لويس مرة أخرى أن هناك رابطين بذرة مركزية، ويظهر فرق الكهرسلبية مرة أخرى أن كل من هذه الروابط لها عزم رابطة غير صفري. ومع ذلك، في هذه الحالة، ينحني التركيب الجزيئي بسبب الأزواج المنفردة الموجودة على O، ولا يتم إلغاء عزمي الرابطة. لذلك، يحتوي الماء على عزم صافي ثنائي القطب وهو جزيء قطبي (ثنائي القطب).

في جزيء OCS، يكون التركيب مشابهاً لـ CO₂، لكن ذرة الكبريت تحل محل إحدى ذرات الأكسجين.  

رابطة C-O قطبية إلى حد كبير. على الرغم من أن C و S لهما قيم كهرسلبية متشابهة جداً، إلا أن S أكثر كهرسلبية قليلاً من C، وبالتالي فإن الرابطة C-S قطبية قليلاً. لأن الأكسجين أكثر كهرسلبيًا من الكبريت، فإن نهاية الأكسجين للجزيء هي النهاية السلبية.

الكلوروميثان، CH₃Cl، هو جزيء رباعي السطوح مع ثلاث روابط C-H قطبية قليلاً ورابطة C-Cl أكثر قطبية. الكهرسلبية النسبية للذرات المترابطة هي H < C < Cl، وهكذا، فإن جميع لحظات الرابطة تشير إلى نهاية Cl للجزيء وتنتج كمية كبيرة من عزم ثنائي القطب (الجزيئات قطبية نسبياً).

للجزيئات ذات التناظر العالي مثل BF₃ (مستوى ثلاثي الزوايا)، CH₄ (رباعي السطوح)، PF₅ (مثلث ثنائي الهرم)، و SF₆ (ثماني السطوح)، جميع الروابط ذات قطبية متطابقة (نفس عزم الرابطة) وهي موجهة في الأشكال الهندسية التي تنتج جزيئات غير قطبية (العزم ثنائي القطب هو صفر). ومع ذلك، قد تكون الجزيئات ذات التناظر الهندسي الأقل قطبية حتى عندما تكون كل لحظات الرابطة متطابقة. بالنسبة لهذه الجزيئات، تكون اتجاهات لحظات الرابطة المتساوية بحيث يتم جمعها لإعطاء عزم ثنائي القطب غير صفري وجزيء قطبي. تتضمن أمثلة هذه الجزيئات كبريتيد الهيدروجين، H₂S (غير خطي) ، والأمونيا، NH₃ (هرمي ثلاثي الزوايا)

للتلخيص، لكي يكون الجزيء قطبياً، يجب أن:

1. يحتوي على رابطة تساهمية قطبية واحدة على الأقل.
2. لديك بنية جزيئية بحيث لا يتم إلغاء مجموع متجهات كل عزم رابطة ثنائي القطب.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 7.6 Molecular Structure and Polarity.