الشكل الفراغي للجزيء
يتنبأ الطالب بالشكل الفراغي للجزيء وزوايا روابطه من عدد أزواج الإلكترونات حول الذرة المركزية، ويفسّر ذلك بتنافرها.
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 (٦): الشكل الفراغي للجزيء — الجزء الأول، ص ١٥
- نشاط تعزيزي: نشاط تعزيزي: أشكال الجزيئات الحقيقية بمحاكاة PhET (Molecule Shapes ← Real Molecules) — الجزء الأول، ص ١٧
خطوات التجربة
افتح شاشة «النماذج»، وفعّل «عرض زوايا الرابطة».
من «الرابطة» أضف رابطتين أحاديتين إلى الذرة المركزية، كما في BeH2. سجّل اسم الشكل الظاهر تحت «الهندسة الجزيئية» وقيمة الزاوية.
أضف رابطة ثالثة، كما في BH3، ثم رابطة رابعة، كما في CH4. سجّل في جدول لكل حالة: عدد الروابط، اسم الشكل، زاوية الرابطة.
اسحب إحدى الروابط بالفأرة بعيدًا عن موضعها ثم اتركها، ولاحظ إلى أين تعود.
اضغط «حذف الكل»، ثم أضف ثلاث روابط و«زوج غير مرتبط» واحدًا. قارن الزاوية بزاوية الحالة ذات الأربع روابط، وسجّل اسم الشكل.
افتح شاشة «جزيئات حقيقية»، واختر من قائمة «جزئ» الجزيئين CH4 وNH3، وقارن زاوية الرابطة في كل منهما.
الفكرة العلمية
تتنافر أزواج الإلكترونات حول الذرة المركزية لأنها سالبة الشحنة، فتتخذ مواقع أبعد ما يمكن بعضها عن بعض، وهذا ما تقوم عليه نظرية تنافر أزواج إلكترونات التكافؤ. فزوجان رابطان كما في BeH2 يعطيان شكلًا خطيًا زاويته 180°، وثلاثة أزواج كما في BH3 تعطي مثلثًا مستويًا زاويته 120°، وأربعة كما في CH4 تعطي رباعي الأوجه زاويته 109.5° تقريبًا. لذلك تعود الرابطة التي تسحبها إلى موضعها. والزوج غير الرابط يشغل حيزًا أكبر قرب الذرة المركزية، فيدفع الأزواج الرابطة ويضيّق الزاوية بينها، فيصير شكل NH3 هرمًا ثلاثيًا زاويته أقل من 109.5°. ويسمي برنامج المحاكاة المثلث المستوي «مثلث مسطح». والنماذج في المحاكاة تغني عن نماذج الكرات والعيدان في النشاط، لكن رسم تركيب لويس يبقى عليك.
قوّم نفسك
جرّب المحاكاة أولًا ثم أجب. لا درجات ولا تسجيل — الإجابات لك وحدك، وتختفي بإغلاق الصفحة.
أضفت ثلاث روابط أحادية إلى الذرة المركزية بلا أزواج غير مرتبطة، كما في BH3. ما الشكل وزاويته؟
- هرم ثلاثي، 107°
- رباعي الأوجه، 109.5°
- خطي، 180°
- مثلث مستوٍ، 120°
اعرض الإجابة
د) مثلث مستوٍ، 120°
ثلاثة أزواج رابطة تتباعد بالتساوي في مستوى واحد فتكون الزاوية 120°. ومن يختار الهرم الثلاثي يخلط بين BH3 وNH3، والفرق بينهما زوج غير رابط على النيتروجين.
لماذا تعود الرابطة إلى موضعها حين تسحبها وتتركها؟
- لأن الروابط مثبتة بخيط مرن في البرنامج
- لأن أزواج الإلكترونات تتنافر فتستقر في أبعد مواقع ممكنة
- لأن الذرات الطرفية تتجاذب فيما بينها
- لأن الذرة المركزية تدور باستمرار
اعرض الإجابة
ب) لأن أزواج الإلكترونات تتنافر فتستقر في أبعد مواقع ممكنة
الشكل الفراغي نتيجة تنافر أزواج الإلكترونات، والوضع الذي تعود إليه هو الذي يجعلها أبعد ما يمكن. ويظن بعض الطلاب أن الذرات الطرفية تتجاذب، والصحيح أن أزواج الإلكترونات تتنافر.
أضفت زوجًا غير مرتبط إلى ثلاث روابط. ماذا حدث لزاوية الرابطة مقارنة بالأربع روابط؟
- صغرت، لأن الزوج غير الرابط يدفع الأزواج الرابطة بقوة أكبر
- بقيت 109.5° لأن عدد الأزواج أربعة في الحالتين
- كبرت إلى 120° لأن الروابط صارت ثلاثًا
- صارت 180° لأن الزوج غير الرابط يقابل الروابط
اعرض الإجابة
أ) صغرت، لأن الزوج غير الرابط يدفع الأزواج الرابطة بقوة أكبر
عدد أزواج الإلكترونات أربعة في الحالتين، لكن الزوج غير الرابط أشد تنافرًا فيقرّب الروابط بعضها من بعض، فتقل الزاوية عن 109.5°. ومن يختار 120° يعدّ الروابط وحدها ويهمل الزوج غير الرابط.
في شاشة «جزيئات حقيقية» قارنت CH4 وNH3. فسّر الفرق في زاوية الرابطة بينهما.
اعرض الإجابة
حول ذرة الكربون في CH4 أربعة أزواج رابطة متماثلة، فتتباعد بالتساوي وتكون الزاوية 109.5°. أما حول النيتروجين في NH3 فثلاثة أزواج رابطة وزوج غير رابط، والزوج غير الرابط أشد تنافرًا، فيدفع الروابط الثلاث فتصغر الزاوية بينها ويصير الشكل هرمًا ثلاثيًا.
عدد الذرات المرتبطة بالذرة المركزية ثلاث في BH3 وفي NH3، ومع ذلك يختلف شكلاهما. ما الذي لا يكفي عدّ الروابط لتفسيره؟
اعرض الإجابة
الشكل يحدده عدد أزواج الإلكترونات كلها حول الذرة المركزية لا عدد الروابط وحدها. ففي BH3 ثلاثة أزواج فقط فيكون مثلثًا مستويًا، وفي NH3 أربعة أزواج منها زوج غير رابط فتتوزع الأزواج توزيعًا رباعيًا ويكون شكل الذرات هرمًا ثلاثيًا. لذلك نرسم تركيب لويس أولًا لنعرف الأزواج غير الرابطة.