حاسبة الطابع الأيوني - صيغة باولينج | قطبية الرابطة

ما هي الصفة الأيونية؟

الصفة الأيونية مقياس لمدى عدم تساوي مشاركة ذرتين للإلكترونات في رابطة كيميائية. وتُعطى كنسبة مئوية من 0% (حيث تتشارك الذرتان الإلكترونات بالتساوي، وتكون الرابطة تساهمية محضة) إلى أقل بقليل من 100% (حيث تكون إحدى الذرتين قد انتزعت إلكترونًا من الأخرى تقريبًا بالكامل، فتقترب الرابطة من أن تكون أيونية محضة). تقع معظم الروابط الحقيقية بين هذين الحدين. تحسب حاسبة الصفة الأيونية هذه النسبة انطلاقًا من السالبية الكهربائية للذرتين المرتبطتين، باستخدام صيغة نشرها الكيميائي لينوس باولنغ.

السالبية الكهربائية قيمة تبيّن مدى قوة جذب الذرة للإلكترونات المشتركة نحوها. وعلى مقياس باولنغ الشائع، تتراوح القيم من نحو 0.7 (للسيزيوم والفرانسيوم، وهما ضعيفا الجذب) إلى 4.0 (للفلور، وهو أقوى العناصر جذبًا). عندما تكون قيم السالبية الكهربائية لذرتين مرتبطتين مختلفة جدًا، تجذب إحدى الذرتين الإلكترونات المشتركة بقوة أكبر بكثير من الأخرى، وتكون للرابطة صفة أيونية مرتفعة.

كيفية حساب الصفة الأيونية (صيغة باولنغ)

تستخدم الحاسبة الصيغة الآتية:

$\text{الصفة الأيونية (\%)} = \left(1 - e^{-0.25(\Delta\chi)^2}\right) \times 100$

هنا، Δχ (دلتا كاي) هو الفرق المطلق بين قيمتي السالبية الكهربائية للذرتين، وe هو عدد أويلر، وقيمته نحو 2.71828.

لاستخدام الصيغة:

1. ابحث عن سالبية باولنغ الكهربائية لكل ذرة. تعرض معظم الجداول الدورية وكتب الكيمياء هذه القيم.
2. اطرح القيمة الأصغر من القيمة الأكبر للحصول على Δχ. ولا يهم ترتيب الذرتين، لأن الفرق وحده هو المستخدم.
3. ربّع Δχ، واضربه في −0.25، ثم ارفع e إلى تلك القوة.
4. اطرح الناتج من 1 واضربه في 100 للحصول على النسبة المئوية.

العلاقة ليست خطية. فالقيمة Δχ البالغة 0.5 تعطي صفة أيونية قدرها نحو 6%، لكن القيمة Δχ البالغة 1.0 تعطي نحو 22%، وليس 12%. تؤدي الزيادات الصغيرة في فرق السالبية الكهربائية إلى قفزات متزايدة في الصفة الأيونية، إلى أن يستوي المنحنى ويقترب من 100% دون أن يبلغه.

مثال محلول: رابطة الكربون والأكسجين

رابطة C–O، الموجودة في الكحولات والعديد من الجزيئات العضوية الأخرى، حالة نموذجية.

• سالبية الكربون الكهربائية: 2.5
• سالبية الأكسجين الكهربائية: 3.5
• الفرق: Δχ = |3.5 − 2.5| = 1.0
• الصفة الأيونية: (1 − e^(−0.25 × 1.0²)) × 100 ≈ 22.1%
• التصنيف: تساهمية قطبية

مثال محلول: رابطة الصوديوم والكلور

• سالبية الصوديوم الكهربائية: 0.9
• سالبية الكلور الكهربائية: 3.0
• الفرق: Δχ = |3.0 − 0.9| = 2.1
• الصفة الأيونية: (1 − e^(−0.25 × 2.1²)) × 100 ≈ 66.8%
• التصنيف: أيونية

حتى رابطة Na–Cl في ملح الطعام، وهي مثال مدرسي على الرابطة الأيونية، تعطي صفة أيونية قدرها نحو 67% بدلًا من 100%. تعامل صيغة باولنغ كل رابطة على أنها مزيج من الصفتين التساهمية والأيونية، ولا تبلغ أي رابطة عادية القيمة الكاملة 100%.

تصنيف الروابط

تصنف الحاسبة النتيجة في ثلاث فئات:

هذه الحدود اصطلاحية وليست حدًا فيزيائيًا حادًا. فالرابطة ذات الصفة الأيونية البالغة 49% لا تختلف سلوكيًا إلا قليلًا عن رابطة تبلغ صفتها 51%.

أمثلة إضافية

لماذا تهم الصفة الأيونية؟

تميل الروابط ذات الصفة الأيونية الأعلى إلى الوجود في مركبات تذوب في الماء، وتكوّن مواد صلبة بلورية قاسية، وتوصل الكهرباء عند انصهارها أو ذوبانها. أما الروابط ذات الصفة الأيونية المنخفضة فتميل إلى الوجود في مركبات تمتزج بالزيوت وغيرها من المواد غير القطبية. وهذا أساس قاعدة «المثل يذيب المثل»: فالماء، الذي يتكون من روابط O–H قطبية، يذيب المواد القطبية أو الأيونية الأخرى بدرجة أكبر بكثير من إذابته للمواد غير القطبية مثل الزيت النباتي.

تاريخ الصيغة

نشر لينوس باولنغ أول مقياس عددي للسالبية الكهربائية عام 1932 في مجلة Journal of the American Chemical Society. وقد أنشأ المقياس بمقارنة طاقات الروابط المقاسة. ظهرت الصيغة الأسية أعلاه لاحقًا في كتابه The Nature of the Chemical Bond، الذي طُبع أول مرة عام 1939 ونُقح عام 1960. وحصل باولنغ عن أعماله في الترابط الكيميائي على 1954 جائزة نوبل في الكيمياء.

اقترح علماء آخرون منذ ذلك الحين مقاييس مختلفة للسالبية الكهربائية، منها مقياس روبرت موليكن (1934)، القائم على طاقة التأين والألفة الإلكترونية. ولا يزال مقياس باولنغ الأكثر تدريسًا واستخدامًا حتى اليوم.

حدود صيغة باولنغ

صيغة باولنغ تقريبية. وهي تعمل جيدًا مع الروابط البسيطة والشائعة، لكنها محدودة في حالات معروفة.

• تستخدم السالبية الكهربائية وحدها، ولذلك تتجاهل تأثيرات مثل الرنين (انتشار الإلكترونات عبر عدة ذرات، كما في البنزين) وبنية الجزيء المحيطة.
• تعرض الكتب الدراسية المختلفة قيمًا متباينة قليلًا للسالبية الكهربائية للعنصر نفسه، مما يغير النتيجة.
• لا تتوافق النتيجة التي تزيد على 50% دائمًا مع طريقة تصنيف الكيميائيين لمادة حقيقية. فعند تطبيق الصيغة على الهيدروجين والفلور (2.1 و4.0) نحصل على Δχ = 1.9 وصفة أيونية قدرها نحو 59%، أي أعلى من الحد الأيوني. ومع ذلك، يوصف فلوريد الهيدروجين عادة بأنه جزيء تساهمي قطبي، لا مركبًا أيونيًا، لأنه يوجد في صورة جزيئات منفصلة لا شبكة من الأيونات كما في كلوريد الصوديوم. وتظل النسبة تقديرًا مفيدًا لا قاعدة صارمة.

للحصول على قيم أدق، يستخدم الكيميائيون طرائق حسابية مثل نظرية الكثافة الوظيفية، أو تقنيات تجريبية مثل البلورة بالأشعة السينية والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء، التي تقيس توزيع الإلكترونات مباشرة.

الأسئلة الشائعة

ما هي الصفة الأيونية؟

الصفة الأيونية هي النسبة المئوية المقدرة من صفة الرابطة الكيميائية التي تنتج عن جذب ذرة لإلكترون بعيدًا عن الذرة الأخرى، بدلًا من المشاركة المتساوية بين الذرتين. وتتراوح من قرابة 0% للذرات المتطابقة إلى أقل بقليل من 100% للذرات ذات السالبية الكهربائية المختلفة جدًا.

ما صيغة باولنغ للصفة الأيونية؟

الصفة الأيونية (%) = (1 − e^(−0.25 × Δχ²)) × 100، حيث إن Δχ هو الفرق المطلق بين قيمتي السالبية الكهربائية وفق مقياس باولنغ للذرتين المرتبطتين.

لماذا لا تكون أي رابطة أيونية بنسبة 100%؟

تقترب الصيغة من 100% كلما زادت Δχ، لكنها لا تبلغها، لأنها تتعامل مع انتقال الإلكترون بوصفه احتمالًا لا حدثًا ثنائيًا كليًا. وحتى الروابط الأيونية جدًا، مثل رابطة Cs–F في فلوريد السيزيوم (فرق السالبية الكهربائية نحو 3.2)، تعطي نحو 92% بدلًا من 100%، لأن بعض المشاركة الإلكترونية لا يزال يحدث.

ما مدى دقة صيغة باولنغ؟

بالنسبة إلى الروابط الشائعة، تتوافق الصيغة عمومًا مع نتائج طرائق أكثر تقدمًا، مثل الكيمياء الحاسوبية والبلورة بالأشعة السينية. لكنها لا تأخذ الرنين أو تأثيرات البنية الكاملة للجزيء في الحسبان، ولذلك تكون أفضل بوصفها تقديرًا عامًا لا قياسًا دقيقًا.

هل الصفة الأيونية هي نفسها قطبية الرابطة؟

ترتبطان لكنهما غير متطابقتين. تصف قطبية الرابطة انفصال الشحنة فيها، وغالبًا ما تُقاس بالعزم ثنائي القطب. أما الصفة الأيونية فهي تقدير نسبي مئوي، مشتق من السالبية الكهربائية وحدها، لمقدار انتقال الإلكترونات مقارنة بمشاركتها. وعادةً ما تكون للرابطة ذات الصفة الأيونية الأعلى قيمة أكبر للعزم ثنائي القطب.

من أين تأتي قيم السالبية الكهربائية؟

تأتي من مقياس باولنغ للسالبية الكهربائية، الموجود في معظم كتب الكيمياء العامة والجداول الدورية. وتتراوح القيم على هذا المقياس عمومًا من نحو 0.7 للسيزيوم والفرانسيوم إلى 4.0 للفلور.