الهندسة الجزيئية: المفهوم والأنواع والأمثلة - كيمياء - 2025

و الهندسة الجزيئية أو التركيب الجزيئي هو الترتيب المكاني للذرات حول الذرة المركزية. تمثل الذرات المناطق التي توجد بها كثافة إلكترون عالية ، وبالتالي فهي تعتبر مجموعات إلكترونية ، بغض النظر عن الروابط التي تشكلها (مفردة أو مزدوجة أو ثلاثية).

يمكن للهندسة الجزيئية لعنصر ما أن تميز بعض خصائصه الفيزيائية أو الكيميائية (نقطة الغليان ، اللزوجة ، الكثافة ، إلخ). على سبيل المثال ، يحدد التركيب الجزيئي للماء قابليته للذوبان.

المصدر: غابرييل بوليفار

ينشأ هذا المفهوم من الجمع والبيانات التجريبية لنظريتين: نظرية رابطة التكافؤ (TEV) وتلك الخاصة بتنافر الأزواج الإلكترونية لقذيفة التكافؤ (RPECV). بينما يحدد الأول الروابط وزواياها ، يحدد الثاني الهندسة وبالتالي الهيكل الجزيئي.

ما الأشكال الهندسية التي يمكن للجزيئات أن تتبناها؟ توفر النظريتان السابقتان الإجابات. وفقًا لـ RPECV ، يجب ترتيب ذرات وأزواج الإلكترونات الحرة في الفضاء بطريقة تقلل من التنافر الكهروستاتيكي بينهما.

لذا ، فإن الأشكال الهندسية ليست عشوائية ، ولكنها تسعى إلى التصميم الأكثر استقرارًا. على سبيل المثال ، في الصورة أعلاه ، يمكنك رؤية مثلث على اليسار ، وثماني الوجوه على اليمين. تمثل النقاط الخضراء الذرات والخطوط البرتقالية الروابط.

في المثلث ، النقاط الخضراء الثلاث متجهة بمقدار 120 درجة عن بعضها. تسمح هذه الزاوية ، التي تساوي زاوية الرابطة ، للذرات بأن تتنافر بأقل قدر ممكن. لذلك ، فإن الجزيء الذي له ذرة مركزية متصلة بثلاث ذرات أخرى سوف يتبنى هندسة مستوية مثلثية.

ومع ذلك ، يتوقع RPECV أن زوجًا حرًا من الإلكترونات في الذرة المركزية سيشوه الهندسة. في حالة المستوى المثلثي ، سيدفع هذا الزوج النقاط الخضراء الثلاث لأسفل ، مما ينتج عنه هندسة هرم مثلثية.

يمكن أن يحدث الشيء نفسه أيضًا مع المجسم الثماني في الصورة. في ذلك يتم فصل جميع الذرات بأكثر الطرق استقرارًا.

كيف تعرف مسبقًا الهندسة الجزيئية لذرة X؟

لهذا ، من الضروري أيضًا اعتبار أزواج الإلكترونات الحرة مجموعات إلكترونية. ستحدد هذه ، مع الذرات ، ما يعرف بالهندسة الإلكترونية ، وهي رفيق لا ينفصل عن الهندسة الجزيئية.

من الهندسة الإلكترونية ، وبعد اكتشاف أزواج الإلكترونات الحرة من خلال بنية لويس ، يمكن إنشاء الهندسة الجزيئية. سيوفر مجموع كل الأشكال الهندسية الجزيئية مخططًا للهيكل العام.

أنواع الهندسة الجزيئية

كما يتضح من الصورة الرئيسية ، تعتمد الهندسة الجزيئية على عدد الذرات المحيطة بالذرة المركزية. ومع ذلك ، في حالة وجود زوج من الإلكترونات غير المشتركة ، فسيؤدي ذلك إلى تعديل الشكل الهندسي لأنها تشغل قدرًا كبيرًا من الحجم. لذلك ، فإنه يمارس تأثير فاصل.

وفقًا لهذا ، يمكن أن تقدم الهندسة سلسلة من الأشكال المميزة للعديد من الجزيئات. وهذا هو المكان الذي تنشأ فيه الأنواع المختلفة للهندسة الجزيئية أو التركيب الجزيئي.

متى تكون الهندسة مساوية للهيكل؟ كلاهما يشير إلى نفس الشيء فقط في الحالات التي لا تحتوي فيها البنية على أكثر من نوع واحد من الهندسة ؛ وبخلاف ذلك ، يجب مراعاة جميع الأنواع الموجودة وإعطاء الهيكل اسمًا عالميًا (خطي ، متفرع ، كروي ، مسطح ، إلخ).

تعتبر الأشكال الهندسية مفيدة بشكل خاص في شرح بنية المادة الصلبة من وحداتها الهيكلية.

خطي

جميع الروابط التساهمية اتجاهية ، لذا فإن الرابطة AB خطية. ولكن هل سيكون جزيء AB ₂ خطيًا ؟ إذا كان الأمر كذلك ، يتم تمثيل الهندسة ببساطة على النحو التالي: BAB. يتم فصل الذرتين B بزاوية 180 درجة ، ووفقًا لـ TEV ، يجب أن يكون لدى A مدارات sp مختلطة.

الزاوي

المصدر: غابرييل بوليفار

يمكن افتراض الهندسة الخطية في المقام الأول للجزيء AB ₂ ؛ ومع ذلك ، فمن الضروري رسم هيكل لويس قبل الوصول إلى نتيجة. مع رسم هيكل لويس ، يمكن تحديد عدد أزواج الإلكترونات غير المشتركة (:) على الذرة أ.

عندما يكون الأمر كذلك ، تدفع أزواج الإلكترونات الموجودة أعلى A ذرتين من B للأسفل ، وتغير زاويتهما. نتيجة لذلك ، ينتهي جزيء BAB الخطي بالتحول إلى شكل V ، أو ذراع الرافعة ، أو هندسة الزاوية (الصورة العلوية)

جزيء الماء ، HOH ، هو المثال المثالي لهذا النوع من الهندسة. يوجد في ذرة الأكسجين زوجان من الإلكترونات بدون مشاركة يتم توجيههما بزاوية تقارب 109 درجة.

لماذا هذه الزاوية؟ لأن الهندسة الإلكترونية هي رباعي السطوح ، ولها أربعة رؤوس: اثنان لذرات H واثنان للإلكترونات. في الصورة العلوية ، لاحظ أن النقاط الخضراء و "الفصوص ذات العيون" ترسم رباعي الوجوه مع النقطة الزرقاء في مركزها.

إذا لم يكن لدى O أزواج إلكترون حرة ، فإن الماء سيشكل جزيءًا خطيًا ، وستنخفض قطبية ، وربما لا توجد المحيطات والبحار والبحيرات وما إلى ذلك كما هي معروفة.

رباعي الوجوه

المصدر: غابرييل بوليفار

تمثل الصورة العلوية هندسة رباعية السطوح. بالنسبة لجزيء الماء ، فإن هندسته الإلكترونية هي رباعي السطوح ، ولكن عند التخلص من الأزواج الحرة من الإلكترونات ، يمكن ملاحظة أنها تتحول إلى هندسة زاويّة. يتم ملاحظة ذلك أيضًا ببساطة عن طريق إزالة نقطتين أخضرتين ؛ الاثنان المتبقيان سيرسمان V بالنقطة الزرقاء.

ماذا لو كان هناك زوج واحد فقط بدلاً من زوجين من الإلكترونات الحرة؟ ثم ستبقى الطائرة المثلثية (الصورة الرئيسية). ومع ذلك ، عن طريق إزالة مجموعة إلكترونية ، لا يتم تجنب التأثير الفراغي الناتج عن زوج الإلكترون الحر. لذلك ، فإنه يشوه المستوى الثلاثي إلى هرم بقاعدة مثلثة:

المصدر: غابرييل بوليفار

على الرغم من اختلاف الهندسة الجزيئية للهرم ثلاثي السطوح ورباعي السطوح ، إلا أن الهندسة الإلكترونية هي نفسها: رباعي السطوح. إذن ، الهرم المثلثي لا يعتبر هندسة إلكترونية؟

الجواب لا ، لأنه نتاج التشويه الذي يسببه "الفص بالعيون" وتأثيره الاستثنائي ، وهذه الهندسة لا تأخذ في الاعتبار التشوهات اللاحقة.

لهذا السبب ، من المهم دائمًا تحديد الهندسة الإلكترونية أولاً بمساعدة هياكل لويس قبل تحديد الهندسة الجزيئية. يعتبر جزيء الأمونيا NH ₃ مثالاً على الهندسة الجزيئية للهرم الثلاثي الزوايا ، ولكن مع هندسة الإلكترون رباعية السطوح.

ثلاثي الزوايا ثنائي الهرمون

المصدر: غابرييل بوليفار

حتى الآن ، باستثناء الهندسة الخطية ، في الهرم رباعي السطوح والهرم الزاوي والمثلثي الأضلاع ، تحتوي ذراتها المركزية على تهجين sp ³ ، وفقًا لـ TEV. هذا يعني أنه إذا تم تحديد زوايا الرابطة بشكل تجريبي ، فيجب أن تكون حوالي 109 درجة.

من الهندسة المثلثية ثنائية الهرمون ، هناك خمس مجموعات إلكترونية حول الذرة المركزية. في الصورة أعلاه يمكن رؤيتها بالنقاط الخضراء الخمس ؛ ثلاثة في القاعدة المثلثة ، واثنان في المواضع المحورية ، وهي الرءوس العلوية والسفلية للهرم.

ما هو التهجين الذي تمتلكه النقطة الزرقاء إذن؟ يتطلب الأمر خمسة مدارات هجينة لتكوين الروابط المفردة (برتقالية). يتم تحقيق ذلك من خلال المدارات الخمسة sp ³ d (نتاج خليط مداري واحد s وثلاثة p وواحد d).

عند التفكير في خمس مجموعات إلكترونية ، تكون الهندسة هي المجموعة المكشوفة بالفعل ، ولكن نظرًا لوجود أزواج من الإلكترونات بدون مشاركة ، فإنها تعاني مرة أخرى من التشوهات التي تولدها الأشكال الهندسية الأخرى. وبالمثل ، فإن السؤال التالي الذي يطرح نفسه: هل يمكن أن تحتل هذه الأزواج أي موقع في الهرم؟ هذه هي: المحور أو الاستوائي.

المواقف المحورية والاستوائية

تقع النقاط الخضراء التي تشكل القاعدة المثلثية في مواقع استوائية ، بينما تقع النقطتان في الأطراف العلوية والسفلية في مواضع محورية. أين سيتم وضع زوج الإلكترون غير المشترك بشكل تفضيلي؟ في هذا الموقف الذي يقلل من التنافر الإلكتروستاتيكي والتأثير الفراغي.

في الوضع المحوري ، يقوم زوج الإلكترونات "بالضغط" بشكل عمودي (90 درجة) على القاعدة المثلثة ، بينما إذا كانت في وضع استوائي ، فإن المجموعتين الإلكترونيتين المتبقيتين على القاعدة ستكونان متباعدتان بمقدار 120 درجة وستضغطان على الطرفين عند 90 درجة (بدلاً من ثلاثة ، كما هو الحال مع القاعدة).

لذلك ، ستسعى الذرة المركزية إلى توجيه أزواجها الحرة من الإلكترونات في المواقع الاستوائية لتوليد هندسة جزيئية أكثر استقرارًا.

تتأرجح وشكل T.

المصدر: غابرييل بوليفار

إذا تم استبدال واحدة أو أكثر من ذراتها بأزواج حرة من الإلكترونات في الهندسة المثلثية ثنائية الهرم ، سيكون لدينا أيضًا أشكال هندسية جزيئية مختلفة.

إلى يسار الصورة العلوية ، يتغير الشكل الهندسي إلى الشكل المتذبذب. في ذلك ، يدفع الزوج الحر من الإلكترونات بقية الذرات الأربع في نفس الاتجاه ، مما يؤدي إلى ثني روابطها إلى اليسار. لاحظ أن هذا الزوج واثنتين من الذرات تكمن في نفس المستوى المثلث من البيبيراميد الأصلي.

وإلى يمين الصورة ، الهندسة على شكل حرف T. هذه الهندسة الجزيئية هي نتيجة استبدال ذرتين بزوجين من الإلكترونات ، مما أدى إلى محاذاة الذرات الثلاث المتبقية في نفس المستوى الذي يرسم حرفًا واحدًا بالضبط ت.

ثم بالنسبة لجزيء من النوع AB ₅ ، فإنه يعتمد الهندسة المثلثية ثنائية الهرمون. ومع ذلك ، فإن AB ₄ ، مع نفس الهندسة الإلكترونية ، سوف تتبنى الهندسة المتذبذبة ؛ و AB ₃ ، الهندسة على شكل حرف T. في كل منها سوف يكون لدى A (بشكل عام) تهجين sp ³ d.

لتحديد الهندسة الجزيئية ، من الضروري رسم بنية لويس وبالتالي هندستها الإلكترونية. إذا كان هذا هو هرم ثلاثي الزوايا ، فسيتم التخلص من الأزواج الحرة من الإلكترونات ، ولكن لن يتم التخلص من تأثيرها الثابت على بقية الذرات. وبالتالي ، يمكن للمرء أن يميز تمامًا بين الأشكال الهندسية الجزيئية الثلاثة الممكنة.

ثماني السطوح

تم تصوير الهندسة الجزيئية ثماني السطوح على يمين الصورة الرئيسية. يتوافق هذا النوع من الهندسة مع مركبات AB ₆. تشكل AB ₄ القاعدة المربعة ، بينما يتم وضع العنصرين B المتبقيين في مواضع محورية. وهكذا ، يتم تكوين عدة مثلثات متساوية الأضلاع ، وهي وجوه المجسم الثماني.

هنا مرة أخرى ، قد يكون هناك (كما هو الحال في جميع الأشكال الهندسية الإلكترونية) أزواج من الإلكترونات الحرة ، وبالتالي تنبع الهندسة الجزيئية الأخرى من هذه الحقيقة. على سبيل المثال ، يتكون AB ₅ مع هندسة الإلكترون ثماني السطوح من هرم بقاعدة مربعة ، و AB ₄ من مستوى مربع:

المصدر: غابرييل بوليفار

بالنسبة لحالة هندسة الإلكترون ثماني السطوح ، فإن هاتين الشكلين الجزيئيين هما الأكثر استقرارًا من حيث التنافر الكهروستاتيكي. في هندسة المستوى المربع ، يتباعد زوجا الإلكترونات بمقدار 180 درجة.

ما هو التهجين للذرة A في هذه الأشكال الهندسية (أو الهياكل ، إذا كانت هي الوحيدة)؟ مرة أخرى ، ينص TEV على أنه sp ³ d ² ، ستة مدارات هجينة ، والتي تسمح لـ A بتوجيه المجموعات الإلكترونية عند رؤوس مجسم ثماني.

أشكال هندسية جزيئية أخرى

من خلال تعديل قواعد الأهرامات المذكورة حتى الآن ، يمكن الحصول على بعض الأشكال الهندسية الجزيئية الأكثر تعقيدًا. على سبيل المثال ، يحتوي الهرم الثنائي الخماسي على شكل خماسي لقاعدته والمركبات التي يتكون منها لها الصيغة العامة AB ₇.

مثل الأشكال الهندسية الجزيئية الأخرى ، فإن استبدال ذرات B بأزواج حرة من الإلكترونات سيشوه الهندسة إلى أشكال أخرى.

أيضًا ، يمكن لمركبات AB ₈ أن تتبنى أشكالًا هندسية مثل التباين المربع. يمكن أن تكون بعض الأشكال الهندسية معقدة للغاية ، خاصة بالنسبة للصيغ AB ₇ وما بعده (حتى AB ₁₂).

أمثلة على الهندسة الجزيئية

سيتم ذكر سلسلة من المركبات أدناه لكل من الأشكال الهندسية الجزيئية الرئيسية. كتمرين ، يمكن للمرء رسم هياكل لويس لجميع الأمثلة والتصديق على ما إذا كان قد تم الحصول على الأشكال الهندسية الجزيئية كما هو موضح أدناه ، بالنظر إلى الهندسة الإلكترونية.

الهندسة الخطية

-Ethylene، H ₂ C≡CH ₂

- كلوريد البريليوم ، BeCl ₂ (Cl-Be-Cl)

- ثاني أكسيد الكربون ، CO ₂ (O = C = O)

-نيتروجين ، N ₂ (N≡N)

-ديبروميد الزئبق ، HgBr ₂ (Br-Hg-Br)

- أنيون ثلاثي اليود ، أنا ₃ ^- (III)

- حمض الهيدروسيانيك ، HCN (HN≡C)

يجب أن تكون زواياها 180 درجة ، وبالتالي يكون لها تهجين س.

الهندسة الزاويّة

- ماء

ثاني أكسيد -Sulfur، SO ₂

- ثاني أكسيد النيتروجين NO ₂

-أوزون ، O ₃

- أميد أنيون ، NH ₂ ^-

طائرة ثلاثية

-برومو ثلاثي فلوريد ، BF ₃

- ثلاثي كلوريد الألومنيوم AlCl ₃

- أنيون نترات ، NO ₃ ^-

- أنيون كربونات ، CO ₃ ^2–

رباعي الوجوه

- غاز الميثان CH ₄

-رابع كلوريد الكربون ، CCl ₄

-أمونيوم كاتيون ، NH ₄ ⁺

أنيون -Sulfate، SO ₄ ^2-

الهرم الثلاثي

-أمونيا ، NH ₃

- الكاتيون الهيدرونيوم ، H ₃ O ⁺

ثلاثي الزوايا ثنائي الهرمون

-فوسفور خماسي فلوريد ، PF ₅

-خماسي كلوريد أنتيمون ، SbF ₅

تتأرجح

رابع فلوريد الكبريت، SF ₄

شكل T

- ثلاثي كلوريد اليود ، ICl ₃

- ثلاثي فلوريد الكلور ، ClF ₃ (يُعرف كلا المركبين باسم interhalogens)

ثماني السطوح

-Sulfur سادس فلوريد، SF ₆

- سداسي فلوريد السلينيوم ، سيف ₆

- سداسي فلورو الفوسفات ، PF ₆ ^-

في الختام ، الهندسة الجزيئية هي ما يفسر ملاحظات الخواص الكيميائية أو الفيزيائية للمادة. ومع ذلك ، فهي موجهة وفقًا للهندسة الإلكترونية ، لذلك يجب دائمًا تحديد الأخيرة قبل الأولى.

المراجع

1. ويتن ، ديفيس ، بيك وستانلي. كيمياء. (الطبعة الثامنة). تعلم CENGAGE ، ص 194-198.
2. رجفة وأتكينز. (2008). الكيمياء غير العضوية. (الطبعة الرابعة ، ص 23 ، 24 ، 80 ، 169). ماك جراو هيل.
3. مارك إي تاكرمان. (2011). الهندسة الجزيئية ونظرية VSEPR. تم الاسترجاع من: nyu.edu
4. كتاب الكيمياء الافتراضي ، تشارلز إي أوبهارت. (2003). مقدمة في الهندسة الجزيئية. تم الاسترجاع من: chemistry.elmhurst.edu
5. الكيمياء LibreTexts. (8 سبتمبر 2016). هندسة الجزيئات. تم الاسترجاع من: chem.libretexts.org