شكل جزيء الماء
يفسّر الشكل المنحني لجزيء الماء بوجود زوجين من الإلكترونات غير الرابطة على ذرة الأكسجين، ويقارن زاوية الرابطة فيه بزاوية الشكل رباعي الأوجه.
المحاكاة التفاعلية
محاكاة تفاعلية: أشكال الجزيئات — من PhET
لا تُحمَّل المحاكاة إلا بطلبك. اضغط لبدء التشغيل — قد تستغرق لحظات على الاتصال البطيء.
في كتابك
- نشاط (١): جزيء الماء — ص ٥٢
- نشاط (٣): نشاط تعزيزي: شكل جزيء الماء بمحاكاة PhET — ص ٥٢
خطوات التجربة
افتح شاشة «النماذج»، وفعّل «عرض زوايا الرابطة»، ومن «الاسم» فعّل «الهندسة الجزيئية» و«هندسة الالكترونات».
أضف إلى الذرة المركزية ذرتين بروابط أحادية من «الرابطة». سجّل الشكل وزاوية الرابطة.
أضف «زوج غير مرتبط» واحدًا ثم زوجًا ثانيًا، وسجّل بعد كل إضافة اسم الشكل الجزيئي وزاوية الرابطة. هذا تركيب ذرة الأكسجين في جزيء الماء: رابطتان وزوجان غير رابطين.
قارن اسم «الهندسة الجزيئية» باسم «هندسة الالكترونات» في الحالة الأخيرة، ولاحظ أن أزواج الإلكترونات الأربعة تتجه نحو رؤوس رباعي أوجه.
احذف الزوجين غير الرابطين وأضف ذرتين أخريين حتى تصير أربع روابط، وسجّل الشكل والزاوية للمقارنة.
افتح شاشة «جزيئات حقيقية»، واختر H2O من قائمة «جزئ»، وقارن زاويته في «عرض حقيقي» بزاويته في «عرض النموذج».
الفكرة العلمية
تحمل ذرة الأكسجين في جزيء الماء أربعة أزواج من الإلكترونات: زوجين رابطين مع ذرتي الهيدروجين، وزوجين لا يشاركان في صنع روابط يسميان أزواج الإلكترونات غير الرابطة. وأزواج الإلكترونات حول الذرة المركزية تتنافر فتتباعد أكبر ما يمكن، فتتجه الأزواج الأربعة نحو رؤوس رباعي أوجه، وهذه هندسة الإلكترونات. لكن الشكل الجزيئي يصف مواضع الذرات وحدها، فيكون جزيء الماء منحنيًا لا خطيًا. والزوج غير الرابط مشدود إلى نواة واحدة فيشغل حيزًا أكبر ويدفع الزوجين الرابطين، فتقل الزاوية بين الرابطتين عن 109.5° الخاصة برباعي الأوجه، وتكون في جزيء الماء الحقيقي نحو 104.5°. وهذا الشكل المنحني يجعل لجزيء الماء طرفين مختلفي الشحنة الجزئية، ومنه ينشأ الترابط الهيدروجيني الذي يفسّر خصائص الماء.
قوّم نفسك
جرّب المحاكاة أولًا ثم أجب. لا درجات ولا تسجيل — الإجابات لك وحدك، وتختفي بإغلاق الصفحة.
لماذا يكون جزيء الماء منحنيًا لا خطيًا مع أن فيه ذرتين فقط حول الأكسجين؟
- لأن ذرتي الهيدروجين تتجاذبان
- لأن على الأكسجين زوجين غير رابطين يتنافران مع الزوجين الرابطين
- لأن الرابطة بين O وH ثنائية
- لأن ذرة الأكسجين أكبر من ذرة الهيدروجين
اعرض الإجابة
ب) لأن على الأكسجين زوجين غير رابطين يتنافران مع الزوجين الرابطين
الشكل يتحدد بكل أزواج الإلكترونات حول الذرة المركزية لا بعدد الذرات فقط، وللأكسجين أربعة أزواج تتباعد نحو رؤوس رباعي أوجه، فتبقى الذرتان في وضع منحنٍ. ومن توقع الشكل الخطي عدّ الذرات ونسي الأزواج غير الرابطة، وذرتا الهيدروجين تتنافران لا تتجاذبان.
ما زاوية الرابطة في جزيء الماء الحقيقي كما تظهر في شاشة «جزيئات حقيقية»؟
- 180°
- 120°
- نحو 104.5°
- 109.5° تمامًا
اعرض الإجابة
ج) نحو 104.5°
الزوجان غير الرابطين يشغلان حيزًا أكبر من الزوجين الرابطين فيضغطانهما، فتقل الزاوية عن 109.5° إلى نحو 104.5°. و180° زاوية الشكل الخطي، و120° زاوية المثلث المسطح، و109.5° زاوية رباعي الأوجه حين تكون الأزواج كلها رابطة.
في حالة رابطتين وزوجين غير رابطين، ما الفرق بين «الهندسة الجزيئية» و«هندسة الالكترونات»؟
- الجزيئية منحنية، والإلكترونية رباعي الأوجه
- الاثنتان رباعي الأوجه
- الجزيئية خطية، والإلكترونية منحنية
- الاثنتان منحنيتان
اعرض الإجابة
أ) الجزيئية منحنية، والإلكترونية رباعي الأوجه
هندسة الإلكترونات تحسب الأزواج الأربعة كلها فتكون رباعي الأوجه، أما الهندسة الجزيئية فتصف مواضع الذرات وحدها فتكون منحنية. وتتطابقان فقط حين لا توجد أزواج غير رابطة، والخلط بينهما سبب شائع للخطأ في تسمية الأشكال.
ارسم بتمثيل لويس ترابط ذرتي الهيدروجين بذرة الأكسجين، وبيّن منه سبب وجود زوجين غير رابطين.
اعرض الإجابة
للأكسجين ستة إلكترونات تكافؤ (التوزيع 2، 6)، ولكل هيدروجين إلكترون واحد. يشارك الأكسجين بإلكترونين منها في رابطتين مع ذرتي الهيدروجين، فيبقى عنده أربعة إلكترونات لا تشارك في الترابط، أي زوجان غير رابطين، فيكمل ثمانية إلكترونات حوله.
كيف يرتبط الشكل المنحني لجزيء الماء بالترابط الهيدروجيني بين جزيئاته؟
اعرض الإجابة
لأن الجزيء منحنٍ تتجمع الشحنة السالبة الجزئية على ذرة الأكسجين وأزواجها غير الرابطة في جهة، والشحنة الموجبة الجزئية على ذرتي الهيدروجين في جهة أخرى. فتتجاذب ذرة الهيدروجين في جزيء مع ذرة الأكسجين في جزيء آخر، وهذا هو الترابط الهيدروجيني. ولو كان الجزيء خطيًا لتعادلت الشحنات ولضعف هذا التجاذب.