تصنف المركبات إلى نوعين: (تساهمية-covalent) و(أيونية-ionic )
الجزيئات هي أصغر مكون للمركبات التساهمية ويمكن تمثيلها في عدة أشكال.
الذرات هي أصغر وحدة في المادة وهي التي تحفظ للعنصر خصائصه الكيميائية الأساسية، وعلى ذلك تشمل دراسة الكيمياء بشكل كبير على ما يحدث من ارتباط إحدى الذرات بالأخرى لتُكَوِّن مركبًا.
المركب هو مجموعة من الذرات المستقلة التي تترابط فيما بينها بروابط كيميائية.
وتتسبب قوى جذب (الكهرباء الساكنة – electrostatic) المتبادلة بين نواة الذرة الموجبة والإلكترونات السالبة المحلقة حولها في ترابط بنية الذرة، وهي التي تحافظ كذلك على استقرار الروابط الكيميائية.
لتوضيح الأمرأكثر، تخيل النوعين الشائعين من الروابط الكيميائية: الروابط الأيونية والروابط التساهمية.
في الروابط التساهمية، تتشارك ذرتان في الإلكترونات بينهما، لكن في الروابط الأيونية تنتقل الإلكترونات بالكامل بين الذرتين فتتشكل الأيونات.
- لنرى نوعي الترابط الكيميائي في التفاصيل التالية.
الروابط التساهمية والجزيئات
تتشكل الروابط التساهمية حين تتشارك ذرتان في حصتهما من الإلكترونات.
ويتحقق الاستقرار في الرابطة الكيميائية من قوى الكهرباء الاستاتيكية المتبادلة بين النواتين الموجبتين للذرتين والإلكترونات سالبة الشحنة المشتركة بينهما.
شكل 1: تحتوي ذرة الهيدروجين المستقرة، المبينة على اليسار، على إلكترون واحد.
يمكن لذرتين من الهيدروجين المشاركة بكل إلكتروناتهما في رابطة تساهمية واحدة، يظهر الشكل إلى اليمين كمنطقة تتداخل فيها السحب الرمادية حول كل ذرة هيدروجين.
في الرابطة التساهمية، يتم تقاسم الإلكترونات بين ذرات الهيدروجين.
عندما يتم تشكيل الرابطة التساهمية، يصبح لدينا بدلًا من ذرتين من الهيدروجين، جزيء واحد من الهيدروجين H2.
وتقترن ذرتان بالروابط التساهمية مكونةً تمازجًا يدعى بالجزيء.
ويعتبر الجزيء أبسط وحدة مكونة للروابط التساهمية.
سنرى الآن أنه يوجد طرق عديدة لتمثيل الجزيئات ورسمها.
- ملاحظة: لقد تم تعريف الجزيء على اعتبار أنه مجموعة مستقلة من الذرات ترتبط ببعضها برابطة تساهمية.
ومع ذلك تجنح بعض الكتب الدراسية والمعلمين إلى تعريف الجزيء بشكل أكثر دقة.
طبقًا لهذا التعريف الأقل شيوعًا، فإن الجزيء هو مجموعة من الروابط التساهمية بين ذرات من نفس العنصر.
في باقي المقال سنتمسك بالتعريف الأشمل لأنه الأكثر شيوعًا.
وسنستخدم لفظي جزيء والمركب التساهمي بالتبادل.
باستخدام التعريف الأقل شيوعًا يصبح O2 الأكسجين وN2 النيتروجين مثالين لمفهوم الجزيء.
لكن الأمونيا NH3 ليست بالضرورة جزيء لأنها تحوي أكثر من نوع واحد من العناصر.
فيصبح في عٌرف هذا التعريف الأقل شيوعًا تصنيف الأمونيا على أنها رابطة تساهمية وليست جزيء.
ولتصبح بأمان عليك أن تتبنى التعريف الذي يقدّم إليك من خلال أساتذتك وكتبك المدرسية، ولكن ضع في اعتبارك دائمًا أنه من الجائز وجود تعريف آخر للجزيء.
تمثيل الجزيئات: الصيغ الكيميائية
تسمى الصيغ الكيميائية أحيانًا بالصيغ الجزيئية هي أسهل طريقة لتمثيل الجزيئات.
نستخدم في الصيغ الكيميائية الرموز المخصصة لكل عنصر كما ورد في الجدول الدوري، ويتبع بترميز سفلي لعدد الذرات الممثلة لكل عنصر في الجزيء.
- مثال: الجزيء الواحد من الآمونيا- NH3 يحتوي على ذرة واحدة من النيتروجين N وثلاث ذرات من الهيدروجين H.
في المقابل يحتوي جزيء الهيدرازين-N2H4 على ذرتين من النيتروجين وأربع ذرات من الهيدروجين.
- مسألة توضيحية: الصيغة الكيميائية للحمض (الخلّي-acetic) الذي يمثل المكون الرئيسي لخل الطعام هو C2H4O2، احسب عدد ذرات الأكسجين O في ثلاث جزيئات من الحمض الخلي؟
- الحل: كما هو واضح من تركيبة الجزيء هناك ذرتي أكسجين في الجزيء الواحد، وبالتالي يوجد ثلاث جزيئات من الحمض يصبح عدد ذرات الأكسجين 2×3=6 أي ستة ذرات من الأكسجين.
بمتابعة دراستك في الكيمياء ستجد أن علماء الكيمياء يكتبون الصيغ الكيميائية بطرق مختلفة.
مثلا لقد رأينا الصيغة الكيميائية للحمض الخلي هي C2H4O2 ومع ذلك سنراها تكتب هكذا CH3COOH ما يعتبر مزيجًا من الصيغة الكيميائية و(الصيغة البنائية – structural formula) والتي سننظر لها بعين الاعتبار في المقطع التالي.
تمثيل الجزيئات: الصيغة البنائية
تخبرنا الصيغة الكيميائية عن عدد ذرات كل عنصر في الجزيء الواحد، ولكن الصيغة البنائية تعطينا معلومة عن كيفية تراكب هذه الذرات في الفراغ.
ترسم في الصيغة البنائية الروابط التساهمية المشتركة بين الذرات.
لقد نظرنا إلى الصيغة الكيميائية لجزيء الأمونيا في المقطع السابق NH3، الآن لننظر إلى صيغتها البنائية.
شكل 2: لدينا إثنين من الصيغ البنائية للأمونيا NH3.
الصيغة إلى اليسار تعطي تقريبًا مشهد ثنائي الأبعاد للتركيب الجزيئي، في حين أن الصيغة على اليمين تظهر اتجاهات الذرات في الفضاء، الخط المتقطع يشير إلى داخل الصفحة بينما الخط الثخين يشير إلى خارج الصفحة.
النقطتان على النيتروجين N في الصيغة اليمنى تشير إلى زوج وحيد من الإلكترونات.
يمكننا أن نرى لكلا الصيغتين البنائيتين أن ذرة النيتروجين المركزية تشارك برابطة تساهمية واحدة مع كل ذرة هيدورجين.
ضع في اعتبارك أن هذه الذرات والجزيئات، مثل كل شيء في الكون، موجودة في الأبعاد الثلاثة – لها طول وعمق وارتفاع.
في الصيغة البنائية على اليسار يمكننا أن نرى فقط بعدين من هذا الجزيء.
ومع ذلك ولمزيد من التفاصل للصيغة البنائية كما الرسم على اليمين، رسمنا خطًا متقطعًا للدلالة على أن ذرة الهيدروجين التي في أقصى اليمين تقع في الخلف من سطح الشاشة –المسقط الافقي للشاشة–، ويدل الخط الثخين على أن ذرة الهيدروجين التي في المنتصف تقع أمام سطح الشاشة.
تشير النقطتين فوق رمز النيتروجين أن هناك زوج من الإلكترونات لا يدخلان في أي رابطة تساهمية.
سنناقش مغزى هذه الإلكترونات في الجزء الأخير من هذا المقطع.
سيساعدكم الشكل التالي في توضيح المجسم ثلاثي الأبعاد للجزيء بشكل أكثر وضوحًا، يمكننا الاعتماد على نموذج (ملء الفراغ-space-filling) كذلك نموذج الكرة والعصا.
وسنوضح ذلك كمثال في جزيء الأمونيا NH3.
شكل 3: صيغة ملء الفراغ إلى اليسار، صيغة الكرة والعصا إلى اليمين لجزيء الأمونيا NH3.
تُصَوَّر ذرات النيتروجين باللون الأزرق، وتصور ذرات الهيدروجين باللون الأبيض.
يوضح الشكل على اليسار نموذج ملء الفراغ للأمونيا.
تصور ذرة النيتروجن بالحجم الأكبر، الكرة الزرقاء المركزية، بينما ذرات الهيدروجين هي الكرات البيضاء الصغيرة على الجوانب، والتي تمثل شكلًا قريبًا من حامل ثلاثي القوائم.
ويمثل الشكل النهائي مجسمًا لهرم قمته ذرة النيتروجين وأضلاع مثلث قاعدته مكونة من ذرات الهيدروجين الثلاث.
كما هو معلوم فعند دراسة أشكال الجزيئات ومجسماتها-geometry، يسمى هذا النوع من التراكب بالهرم ثلاثي الأضلاع.
ويعطينا نموذج (ملء الفراغ) إحساسًا بفروق الأحجام النسبية بين الذرات المختلفة للجزيء – فللنيتروجين نصف قطر ذري أكبر من الذي للهيدروجين.
ويوضح الرسم الذي على اليسار نموذج الكرة والعصا للأمونيا.
لعلك خمنت أن الكرات تمثل الذرات بينما تمثل العصي التي تربط بينها الروابط التساهمية المشتركة بينها.
يتميز هذا النوذج بقدرته على توضيح الروابط التساهمية، والتي تكشف لنا بالتالي عن مجسم الجزيء.
لماذا دُفِعَت ذرات الهيدروجين في الأمونيا إلى الأسفل لتعطي شكل الحامل ثلاثي القوائم؟
تلعب قوى التنافر بين إلكترونات الذرات المكونة للجزيئات دورا هاما في بناء مجسم الجزيء.
يوضح نموذجي (ملء الفراغ) و(العصا والكرة) الروابط الكميائية فقط دون الأخذ في الاعتبار زوج الإلكترونات المفردة.
في حالة الأمونيا، يوجد زوج وحيد من الإلكترونات فوق ذرة النيتروجين المركزية التي لم يتم تصويرها في النماذج ثلاثية الأبعاد، ولكنهما يظهران في صورة النموذج البنائي ثنائي الأبعاد مع الخطين المتقطع والثخين.
هذان الإلكترونان فوق ذرة النيتروجين والإلكترونات حول كل ذرة هيدروجين تتنافر فيما بينها، مما يدفع ذرات الهيدروجين إلى الأسفل بعيدًا، فيعطي الشكل ثلاثي القوائم، أو شكل الهرم ثلاثي القاعدة.
