شكل جزيء الميثان
يستنتج أن الروابط الأربع حول ذرة الكربون في جزيء الميثان تتباعد في الفراغ فتعطي شكلًا رباعي الأوجه زاويته 109.5°، ويفسّر ذلك بتنافر أزواج الإلكترونات الرابطة.
المحاكاة التفاعلية
محاكاة تفاعلية: أشكال الجزئ: أساسيات — من PhET
لا تُحمَّل المحاكاة إلا بطلبك. اضغط لبدء التشغيل — قد تستغرق لحظات على الاتصال البطيء.
في كتابك
- نشاط (٤): نشاط تعزيزي: شكل جزيء الميثان بمحاكاة PhET — ص ٧٣
خطوات التجربة
افتح شاشة «النماذج»، وفعّل «عرض زوايا الرابطة»، ومن «الاسم» فعّل «الهندسة الجزيئية».
أضف إلى الذرة المركزية ذرتين بروابط أحادية من «الرابطة»، وسجّل الشكل وزاوية الرابطة.
أضف ذرة ثالثة، ثم رابعة، وسجّل بعد كل إضافة اسم الشكل وزاوية الرابطة.
اسحب إحدى الذرات الأربع بالفأرة إلى موضع آخر ثم اتركها، ولاحظ: هل تبقى حيث وضعتها أم تعود إلى موضعها السابق؟
أدر الجزيء في الفراغ وانظر إليه من أكثر من جهة، ولاحظ أن الذرات الأربع لا تقع في مستوى واحد.
افتح شاشة «جزيئات حقيقية»، واختر CH4 من قائمة «جزئ»، وقارن شكله وزاويته بالنموذج الذي بنيته.
الفكرة العلمية
لذرة الكربون أربعة إلكترونات تكافؤ (التوزيع 2، 4)، فتكوّن أربع روابط تشاركية أحادية مع أربع ذرات هيدروجين لتعطي الميثان CH4. وأزواج الإلكترونات الرابطة حول الذرة المركزية تتنافر، فتتخذ في الفراغ الترتيب الذي تكون فيه أبعد ما يمكن بعضها عن بعض. ولأربعة أزواج يكون هذا الترتيب شكلًا رباعي الأوجه، تقع فيه ذرة الكربون في المركز وذرات الهيدروجين على الرؤوس الأربعة، وزاوية الرابطة 109.5°، لا 90° كما يبدو حين نرسم الجزيء على الورق في مستوى واحد. ولهذا عادت الذرة إلى موضعها حين سحبتها، لأن التنافر يعيد الروابط إلى أبعد مسافة ممكنة. وهذا الشكل رباعي الأوجه أساس أشكال المركبات العضوية، إذ ترتبط كل ذرة كربون مشبعة بأربع ذرات على هذه الصورة.
قوّم نفسك
جرّب المحاكاة أولًا ثم أجب. لا درجات ولا تسجيل — الإجابات لك وحدك، وتختفي بإغلاق الصفحة.
ما شكل جزيء الميثان CH4 في الفراغ؟
- مربع مسطح زاويته 90°
- مثلث مسطح زاويته 120°
- خطي زاويته 180°
- رباعي الأوجه زاويته 109.5°
اعرض الإجابة
د) رباعي الأوجه زاويته 109.5°
الأزواج الأربعة تتباعد في الأبعاد الثلاثة فتأخذ شكل رباعي الأوجه بزاوية 109.5°. والمربع المسطح بزاوية 90° هو ما نرسمه على الورق بتمثيل لويس، لكنه يقرّب الروابط أكثر فيزيد التنافر، ولذلك لا يكون الشكل الحقيقي.
سحبت إحدى ذرات الهيدروجين في النموذج إلى موضع آخر ثم تركتها. ماذا يحدث؟
- تعود الروابط إلى أبعد ترتيب ممكن بسبب التنافر
- تبقى الذرة حيث وضعتها لأن الروابط ثابتة
- تنفصل الذرة عن الجزيء
- تتجمع الذرات الأربع في جهة واحدة
اعرض الإجابة
أ) تعود الروابط إلى أبعد ترتيب ممكن بسبب التنافر
الروابط ليست مثبتة في مواضعها، وإنما تتخذ مواضعها بسبب تنافر أزواج الإلكترونات، فإذا أُبعدت إحداها عادت إلى الترتيب الذي يقلل التنافر. ويظن بعض الطلاب أن الروابط عصي ثابتة كما في النماذج البلاستيكية.
بنيت جزيئًا فيه ثلاث ذرات حول الذرة المركزية بلا أزواج غير رابطة. ما شكله وزاويته؟
- رباعي الأوجه بزاوية 109.5°
- مثلث مسطح بزاوية 120°
- منحنٍ بزاوية 104.5°
- خطي بزاوية 180°
اعرض الإجابة
ب) مثلث مسطح بزاوية 120°
ثلاثة أزواج تتباعد أكبر ما يمكن في مستوى واحد حول الذرة المركزية، فتعطي مثلثًا مسطحًا بزاوية 120°. ومن اختار رباعي الأوجه عمّم شكل الميثان على كل الجزيئات، والشكل يتغيّر بتغيّر عدد الأزواج.
اكتب التوزيع الإلكتروني لذرة الكربون، وفسّر به عدد الروابط التي تكوّنها في جزيء الميثان.
اعرض الإجابة
التوزيع الإلكتروني للكربون 2، 4، أي في مستواه الأخير أربعة إلكترونات. فيشارك كل إلكترون منها مع إلكترون من ذرة هيدروجين في رابطة تشاركية أحادية، فتتكوّن أربع روابط ويصل الكربون إلى ثمانية إلكترونات حوله فيستقر.
رسم طالب جزيء الميثان على الورق بذرات هيدروجين في الأعلى والأسفل واليمين واليسار، واستنتج أن الزاوية 90°. صحّح استنتاجه.
اعرض الإجابة
الرسم على الورق تمثيل في مستوى واحد لا يُظهر الشكل الحقيقي. ففي الفراغ تتباعد الروابط الأربع في الأبعاد الثلاثة لتقليل التنافر، فتشير إلى رؤوس رباعي أوجه بزاوية 109.5°، وهي أكبر من 90° ولذلك يكون التنافر أقل.