نظرية الرابطة المتكافئة

نظرة عامة على نظرية الرابطة المتكافئة

تصف نظرية الرابطة المتكافئة الرابطة التساهمية على أنها تداخل مدارات ذرية نصف ممتلئة (تحتوي كل منها على إلكترون واحد) والتي تنتج زوجاً من الإلكترونات مشتركة بين الذرتين المترابطتين. تتداخل المدارات الموجودة على ذرتين مختلفتين عندما يشغل جزء من مدار واحد وجزء من مدار آخر نفس المنطقة من الفضاء. وفقاً لنظرية رابطة التكافؤ، تنتج الرابطة التساهمية عند استيفاء شرطين: (1) يتداخل المدار على ذرة واحدة مع مدار على ذرة ثانية و (2) تتحد الإلكترونات المفردة في كل مدار لتشكيل زوج إلكترون. التجاذب المتبادل بين زوج الإلكترون سالب الشحنة والذرتين’ تعمل النوى الموجبة الشحنة على ربط الذرتين فعلياً من خلال قوة نعرّفها على أنها رابطة تساهمية. تعتمد قوة الرابطة التساهمية على مدى تداخل المدارات المعنية. المدارات التي تتداخل بشكل كبير تشكل روابط أقوى من تلك التي لديها تداخل أقل.

تأثير التداخل المداري على طاقة النظام

تعتمد طاقة النظام على مدى تداخل المدارات. في حالة ذرات الهيدروجين، يتغير مجموع طاقات ذرتين هيدروجين كلما اقتربتا من بعضهما البعض. عندما تكون الذرات متباعدة، لا يوجد تداخل، وبحسب العرف، فإن مجموع الطاقات هو صفر. عندما تتحرك الذرات معاً، تبدأ مداراتها في التداخل. يبدأ كل إلكترون في الشعور بجاذبية النواة في الذرة الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، تبدأ الإلكترونات في صد بعضها البعض، كما تفعل النوى. في حين أن الذرات لا تزال منفصلة على نطاق واسع، فإن عوامل الجذب أقوى قليلاً من التنافر، وتقل طاقة النظام وتبدأ الرابطة في التكون. كلما اقتربت الذرات من بعضها البعض، يزداد التداخل، وبالتالي يستمر جذب نوى الإلكترونات في الزيادة كما هو الحال مع التنافر بين الإلكترونات وبين النوى. عند مسافة معينة بين الذرات، والتي تختلف اعتماداً على الذرات المعنية، تصل الطاقة إلى أدنى قيمة لها (أكثر استقراراً). هذه المسافة المثلى بين النواتين المترابطتين هي مسافة الرابطة بين الذرتين. السند مستقر لأنه ، في هذه المرحلة، تتحد القوى الجذابة والمنفرة لتكوين أقل تكوين ممكن للطاقة. إذا كانت المسافة بين النوى ستنخفض أكثر، فإن التنافر بين النوى والتنافر لأن الإلكترونات محصورة بالقرب من بعضها البعض ستصبح أقوى من القوى الجذابة. سترتفع طاقة النظام بعد ذلك، مما يؤدي إلى زعزعة استقرار النظام.  

طاقة الرابطة

طاقة الرابطة هي الفرق بين الطاقة الدنيا، والتي تحدث على مسافة الرابطة، وطاقة الذرتين المنفصلتين. هذه هي كمية الطاقة المنبعثة عند تكوين الرابطة. على العكس من ذلك ، فإن نفس القدر من الطاقة مطلوب لكسر الرابطة. بالنسبة لجزيء H₂، على مسافة الرابطة 74 pm، يكون النظام 7.24 × 10⁻¹⁹ جول أقل في الطاقة من ذرتي الهيدروجين المنفصلين. قد يبدو هذا كعدد صغير. ومع ذلك، نعلم من وصفنا السابق للكيمياء الحرارية أن طاقات الروابط غالباً ما تتم مناقشتها على أساس كل مول. على سبيل المثال، يتطلب 7.24 × 10⁻¹⁹ جول لكسر رابطة H & ndash؛ H ، لكنها تستغرق 4.36 × 10⁵ جول لكسر 1 مول من روابط H–H.  

أنواع الروابط

بالإضافة إلى المسافة بين مدارين، يؤثر اتجاه المدارات أيضاً على تداخلها (بخلاف مداري s، متماثلان كروياً). يمكن حدوث تداخل أكبر عندما تكون المدارات موجهة بحيث تتداخل على خط مباشر بين النواتين.

التداخل بين مدارين s (كما في H₂)، تداخل مداري s و p المداري (كما هو الحال في HCl)، والتداخل من طرف إلى طرف لمدارين p (كما في Cl₂) كلها تنتج روابط سيجما (روابط σ ).

رابطة σ هي رابطة تساهمية تتركز فيها كثافة الإلكترون في المنطقة على طول المحور الداخلي؛ أي أن الخط الفاصل بين النوى سيمر عبر مركز منطقة التداخل. توصف الروابط الفردية في هياكل لويس بأنها σ الروابط في نظرية رابطة التكافؤ.

الرابطة pi (رابطة π) هي نوع من الرابطة التساهمية التي تنتج من التداخل جنباً إلى جنب لمدارين من p، تقع مناطق التداخل المداري على جوانب متقابلة من المحور الداخلي. على طول المحور نفسه، توجد عقدة، أي مستوى ليس له احتمال العثور على إلكترون.

في حين أن جميع الروابط الفردية هي روابط σ، تتكون الروابط المتعددة من كلاهما، روابط σ و π. وفقًا لهياكل لويس، يحتوي O₂ على رابطة مزدوجة، ويحتوي N₂ على رابطة ثلاثية. الرابطة المزدوجة تتكون من واحد من رابطة σ وواحد من رابطة π، والرابطة الثلاثية تتكون من واحد من رابطة σ واثنين من رابطة π. بين أي ذرتين، ستكون الرابطة الأولى المتكونة دائمًا رابطة σ، ولكن لا يمكن أن يكون هناك سوى واحد رابطة σ في أي مكان واحد. في أي رابطة متعددة، سيكون هناك واحد من رابطة σ ، والروابط المتبقية واحدة أو اثنتان ستكون من رابطة π. فيما يتعلق بالطاقة الرابطة، يبلغ متوسط الرابطة الأحادية للكربون والكربون 347 كيلوجول/مول، بينما في الرابطة المزدوجة كربون-كربون، فإن رابطة π تزيد من قوة الرابطة بمقدار 267 كيلوجول/مول. إضافة رابطة π إضافية؛ تؤدي إلى زيادة أخرى بمقدار 225 كيلوجول/مول. يمكننا أن نرى نمطاً مشابهاً عندما نقارن روابط أخرى من σ و π. وهكذا، فإن كل رابطة من π عموما أضعف من الرابطة المقابلة لها من &sigma بين نفس الذرتين. في روابط &sigma، هناك درجة أكبر من التداخل المداري مما هو عليه في روابط π.

تم اقتباس هذا النص من Openstax, Chemistry 2e, Section 8.1 Valence Bond Theory.