حاسبة رتبة الرابطة - تحديد قوة الرابطة الجزيئية

ما رتبة الرابطة؟

رتبة الرابطة هي عدد يوضح عدد الروابط الكيميائية التي تصل بين ذرتين في جزيء. وهي مستمدة من نظرية المدارات الجزيئية، وهي نموذج للترابط الكيميائي تشغل فيه الإلكترونات مدارات مشتركة تحيط بالجزيء كله بدلًا من بقائها على ذرة واحدة. رتبة الرابطة التي تساوي 1 تعني رابطة أحادية، والتي تساوي 2 تعني رابطة مزدوجة، والتي تساوي 3 تعني رابطة ثلاثية. كما تتنبأ رتبة الرابطة بقوة الرابطة وطولها؛ فكلما زادت رتبة الرابطة قصرت الرابطة وازدادت قوتها.

صيغة رتبة الرابطة

للمدارات الجزيئية نوعان. يحتوي المدار الرابط على إلكترونات تجذب الذرتين إحداهما نحو الأخرى. أما المدار المضاد للرابطة فيحتوي على إلكترونات تدفع الذرتين متباعدتين. تُحسب رتبة الرابطة من الإلكترونات الموجودة في كل نوع:

$\text{رتبة الرابطة} = \frac{\text{الإلكترونات الرابطة} - \text{الإلكترونات المضادة للرابطة}}{2}$

القسمة على 2 تأخذ في الحسبان أن كل رابطة تقابل زوجًا مشتركًا واحدًا من الإلكترونات.

كيفية حساب رتبة الرابطة

1. اعثر على مخطط المدارات الجزيئية للجزيء، أو احسب عدد إلكترونات التكافؤ فيه.
2. احسب الإلكترونات الموجودة في المدارات الرابطة (الموسومة بـ σ وπ).
3. احسب الإلكترونات الموجودة في المدارات المضادة للرابطة (الموسومة بـ σ* وπ*).
4. اطرح عدد الإلكترونات المضادة للرابطة من عدد الإلكترونات الرابطة.
5. اقسم الناتج على 2.

مثال محلول: الأكسجين (O₂)

لدى الأكسجين 12 إلكترون تكافؤ. ويؤدي ملء مخطط مداراته الجزيئية إلى وضع 8 إلكترونات في المدارات الرابطة و4 في المدارات المضادة للرابطة.

رتبة الرابطة = (8 − 4) / 2 = 2

يتوافق ذلك مع الرابطة المزدوجة O=O التي يلاحظها الكيميائيون تجريبيًا. كما تفسر صورة المدارات الجزيئية سبب كون O₂ بارامغناطيسيًا (ينجذب إلى مجال مغناطيسي): إذ إن اثنين من إلكتروناته المضادة للرابطة غير مزدوجين، وهو أمر لا يستطيع تركيب لويس البسيط إظهاره.

الجزيئات الشائعة ورتب روابطها

تحدث رتب الروابط الكسرية، مثل 2.5 في أول أكسيد النيتروجين (NO)، عندما يحتوي الجزيء على عدد فردي من الإلكترونات أو عندما يكون تركيبه مزيجًا من أكثر من ترتيب واحد. والبنزين مثال معروف خارج هذا الجدول: إذ تبلغ رتبة كل رابطة بين ذرتي كربون 1.5، أي في المنتصف بين الرابطة الأحادية والمزدوجة، لأن إلكترونات الحلقة موزعة بالتساوي حول ذرات الكربون الست بدلًا من أن تكون ثابتة في مواضعها.

الرابطة الثلاثية في النيتروجين قوية على نحو استثنائي، ولذلك يقاوم غاز N₂ التفكك رغم أن النيتروجين يشكل معظم الغلاف الجوي للأرض. أما الفلور، فعلى الرغم من كونه عنصرًا شديد التفاعل، فلا يملك إلا رابطة أحادية في F₂؛ وتُعد هذه الرابطة الضعيفة نسبيًا أحد أسباب تفاعل F₂ بسهولة كبيرة مع المواد الأخرى.

استخدام الحاسبة

اكتب صيغة كيميائية في مربع الإدخال، مثل O2 أو N2 أو CO أو H2O، مستخدمًا أرقامًا عادية بدلًا من الأرقام السفلية. تظهر رتبة الرابطة تلقائيًا بمجرد إدخال صيغة معروفة؛ ولا يوجد زر منفصل للضغط عليه. اختر «إعادة ضبط» لمسح الحقل.

الصيغ حساسة لحالة الأحرف: فـ CO (أول أكسيد الكربون) ليست الإدخال نفسه مثل co أو Co. تتعرف الأداة على قائمة ثابتة تضم 37 جزيئًا شائعًا: 13 جزيئًا ثنائي الذرة متماثلًا، مثل H₂ وO₂، و24 مركبًا بسيطًا، مثل CO₂ وNH₃ وNaCl. وبالنسبة إلى جزيء يضم أكثر من ذرتين، تعطي الأداة رتبة الرابطة الرئيسية بدلًا من إعطاء قيمة لكل رابطة. في حالة CO₂ تكون الرابطة هي C=O، ولذلك تكون الإجابة 2؛ أما في الإيثين (C₂H₄) فهي رابطة C=C، ولذلك تكون الإجابة 2 أيضًا، وليست متوسطًا يشمل الروابط الأحادية الأربع C–H. وتُرجع الصيغة غير الموجودة في القائمة رسالة تفيد بأن رتبة الرابطة غير متاحة.

يرسم المخطط بجانب النتيجة خطًا واحدًا لكل رابطة كاملة، كما تفعل الصيغة البنائية: خط واحد للرابطة الأحادية، وخطان للرابطة المزدوجة، وثلاثة خطوط للرابطة الثلاثية. وتضيف رتبة الرابطة الكسرية خطًا متقطعًا للجزء المتبقي من الرابطة، ولذلك يُرسم NO ‏(2.5) بخطين متصلين وخط متقطع واحد.

العلاقة بين رتبة الرابطة وقوتها وطولها

تتحرك رتبة الرابطة وطولها في اتجاهين متعاكسين: فكلما زادت رتبة الرابطة قل طولها. أما رتبة الرابطة وقوتها فتتحركان معًا: فكلما زادت رتبة الرابطة زادت الطاقة اللازمة لكسرها. وتوضح روابط الكربون-الكربون هذا النمط بجلاء.

يظهر النمط نفسه في مطيافية الأشعة تحت الحمراء، وهي تقنية تحدد الروابط من تردد الضوء الذي تمتصه. تهتز الروابط الثلاثية عند ترددات أعلى من الروابط المزدوجة، التي تهتز عند ترددات أعلى من الروابط الأحادية؛ ولذلك يستطيع الكيميائيون غالبًا تحديد نوع الرابطة الموجودة بمجرد معرفة الموضع الذي تمتص فيه العينة ضوء الأشعة تحت الحمراء.

حدود رتبة الرابطة

تعمل الصيغة السابقة جيدًا مع الجزيئات التساهمية البسيطة، حيث تتشارك ذرتان الإلكترونات مباشرة. لكنها تنطبق بدرجة أقل من الوضوح في الحالات الأخرى.

لا تحصل الجزيئات ذات الرنين، مثل البنزين أو الأوزون، إلا على رتبة رابطة متوسطة بدلًا من قيمة لبنية محددة بعينها. وتنطوي مركبات الفلزات الانتقالية على مدارات d وتأثيرات أخرى لا تلتقطها صيغة الإلكترونات الرابطة ناقص الإلكترونات المضادة للرابطة الأساسية؛ ولذلك يستخدم الكيميائيون طرقًا أكثر تخصصًا، مثل رتبة رابطة ماير، في تلك الحالات.

تمثل المركبات الأيونية حالة مختلفة تمامًا. إذ يتماسك كلوريد الصوديوم (NaCl) بفعل التجاذب الكهربائي بين أيونات Na⁺ وCl⁻، لا بفعل زوج مشترك من الإلكترونات في مدار جزيئي. ولذلك لا تصف رتبة الرابطة وفق المدارات الجزيئية هذا النوع من الترابط وصفًا دقيقًا. ومع ذلك، تسرد بعض الجداول المرجعية، ومنها جدول هذه الحاسبة، قيمة اسمية محسوبة من صيغة لويس (1 لـ NaCl و2 لـ MgO)، لكن هذه القيمة لا تحمل المعنى الفيزيائي نفسه الذي تحمله في جزيء تساهمي مثل O₂ أو N₂.

الأسئلة الشائعة

ما رتبة الرابطة بعبارات بسيطة؟ هي عدد يوضح عدد الروابط التي تمسك ذرتين معًا: 1 للرابطة الأحادية، و2 للرابطة المزدوجة، و3 للرابطة الثلاثية، وكسور مثل 1.5 للجزيئات ذات الرنين.

كيف تُحسب رتبة الرابطة؟ اطرح عدد الإلكترونات المضادة للرابطة من عدد الإلكترونات الرابطة، ثم اقسم الناتج على 2.

لماذا تكون رتبة رابطة النيتروجين (N₂) أعلى من رتبة رابطة الأكسجين (O₂)؟ يحتوي N₂ على 2 فقط من الإلكترونات المضادة للرابطة، بينما يحتوي O₂ على 4. ويعني انخفاض عدد الإلكترونات المضادة للرابطة وجود رابطة صافية أقوى، ولذلك تكون رتبة رابطة N₂، وهي 3، أعلى من رتبة رابطة O₂، وهي 2.

هل يمكن أن تكون رتبة الرابطة كسرية؟ نعم. للجزيئات التي تحتوي على عدد فردي من إلكترونات التكافؤ، أو التي يحدث فيها رنين بين تراكيب متعددة، رتب روابط كسرية، مثل 2.5 في NO أو 1.5 في روابط الكربون-الكربون في البنزين.

هل تعني رتبة الرابطة الأعلى دائمًا جزيئًا أكثر استقرارًا؟ عادةً ما تعني رتبة الرابطة الأعلى رابطة فردية أقوى، لكن الاستقرار الجزيئي العام يعتمد أيضًا على الهندسة والرنين واستقرار أي نواتج قد يتكون منها التفاعل.

هل تنطبق رتبة الرابطة على المركبات الأيونية مثل ملح الطعام؟ ليس بالمعنى الدقيق للمدارات الجزيئية. إذ تتماسك المركبات الأيونية بتجاذب الأيونات المشحونة، لا بأزواج الإلكترونات المشتركة؛ ولذلك لا تصف صيغة الإلكترونات الرابطة ناقص الإلكترونات المضادة للرابطة هذه المركبات وصفًا حقيقيًا، حتى عندما تُدرج لها قيمة اسمية للتسهيل.

المراجع

1. مولِكن، ر. س. (1955). «تحليل التوزيع الإلكتروني للدوال الموجية الجزيئية بطريقة LCAO-MO». مجلة الفيزياء الكيميائية، 23(10)، 1833–1840.
2. باولنغ، ل. (1931). «طبيعة الرابطة الكيميائية». مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية، 53(4)، 1367–1400.
3. أتكنز، ب. و.، ودي باولا، ج. (2014). الكيمياء الفيزيائية لأتكنز (الطبعة 10). مطبعة جامعة أكسفورد.
4. هاوسكروفت، C. E.، وشـارب، A. G. (2018). الكيمياء غير العضوية (الطبعة 5). بيرسون.