تأثير أزواج الإلكترونات  المنفردة على هندسة الجزيئات

من المهم ملاحظة أن هندسة أزواج الإلكترون حول ذرة مركزية هي ليست نفس الشيء مثل بنيتها الجزيئية. يصف التركيب الجزيئي موقع الذرات وليس الإلكترونات. الهندسة التي تشمل جميع أزواج الإلكترون هي هندسة زوج الإلكترون. تصف الأشكال الهندسية لزوج الإلكترون جميع المناطق التي توجد بها الإلكترونات، والروابط والأزواج المنفردة. تسمى البنية التي تتضمن فقط وضع الذرات في الجزيء التركيب الجزيئي. ستكون هندسة زوج الإلكترون هي نفسها الهياكل الجزيئية عندما لا يكون هناك أزواج إلكترون وحيدة حول الذرة المركزية، لكنها ستكون مختلفة عندما يكون هناك أزواج وحيدة موجودة في الذرة المركزية.

على سبيل المثال، جزيء الميثان ، CH₄، وهو المكون الرئيسي للغاز الطبيعي، له أربعة أزواج مترابطة من الإلكترونات حول ذرة الكربون المركزية؛ هندسة زوج الإلكترون هي رباعي السطوح، وكذلك التركيب الجزيئي. من ناحية أخرى، يحتوي جزيء الأمونيا NH₃ أيضاً على أربعة أزواج من الإلكترونات مرتبطة بذرة النيتروجين، وبالتالي فهو يحتوي على هندسة رباعي السطوح لزوج الإلكترون. ومع ذلك، فإن إحدى هذه المناطق هي زوج وحيد، لا يتم تضمينه في التركيب الجزيئي ، ويؤثر هذا الزوج الوحيد في شكل الجزيء.

تشوهات الزاوية على أساس نظرية فسيبر

يمكن أن تنتج التشوهات الصغيرة من الزوايا المثالية عن الاختلافات في التنافر بين مناطق مختلفة من كثافة الإلكترون. تتنبأ نظرية فسيبر بهذه التشوهات من خلال إنشاء ترتيب من التنافر وترتيب مقدار المساحة التي تشغلها أنواع مختلفة من أزواج الإلكترونات. ترتيب تنافر زوج الإلكترون من الأعظم إلى الأقل تنافر هو:

زوج أحادي-زوج أحادي > و زوج أحادي-زوج مترابط > وزوج مترابط-زوج مترابط

يحدد ترتيب التنافر هذا مقدار المساحة التي تشغلها مناطق مختلفة من الإلكترونات. زوج واحد من الإلكترونات يشغل مساحة أكبر من الإلكترونات الموجودة في رابطة ثلاثية؛ بدورها، تشغل الإلكترونات الموجودة في الرابطة الثلاثية مساحة أكبر من تلك الموجودة في الرابطة المزدوجة ، وهكذا. ترتيب الأحجام من الأكبر إلى الأصغر هو:

زوج أحادي > رابطة ثلاثية > رابطة مزدوجة > رابطة أحادية

في جزيء الأمونيا، لا يتم ترتيب ذرات الهيدروجين الثلاث المرتبطة بالنيتروجين المركزي في بنية جزيئية مسطحة مثلثية الشكل، بل في هرم ثلاثي الأبعاد مع ذرة النيتروجين في القمة وذرات الهيدروجين الثلاث تشكيل القاعدة. تستند زوايا الرابطة المثالية في هرم ثلاثي الزوايا على هندسة زوج الإلكترون رباعي السطوح. مرة أخرى، هناك انحرافات طفيفة عن المثالية لأن الأزواج المنفردة تشغل مساحات أكبر من الفضاء من الإلكترونات الرابطة. زوايا الرابطة H–N–H أصغر قليلاً من 109.5° زاوية في رباعي السطوح العادي لأن تنافر الزوج الوحيد المترابط أكبر من تنافر زوج الترابط الزوجي المترابط.

وفقا لنظرية فسيبر، فإن مواقع الذرات الطرفية متكافئة داخل الهندسة الخطية، والمستوية المثلثية، ورباعية السطوح. لا يهم أي X يتم استبداله بزوج وحيد لأنه يمكن تدوير الجزيئات لتحويل المواضع. بالنسبة للهندسة ثلاثية الزوايا ثنائية الهرم بين الإلكترون، هناك موضعان X متميزان، موضع محوري (إذا كنا نمسك بنموذج ثنائي الهرم ثلاثي الزوايا من خلال الموضعين المحوريين، فلدينا محور يمكننا حوله تدوير النموذج) وموقع استوائي (ثلاثة مواضع تشكل خط استواء حول منتصف الجزيء). الموضع المحوري محاط بزوايا رابطة تبلغ 90 درجة°، في حين أن الموقع الاستوائي به مساحة أكبر متاحة بسبب 120° زوايا الرابطة. في هندسة مثلث الإلكترون ثنائي الهرمين، تشغل الأزواج المنفردة دائماً مواقع استوائية لأن هذه المواضع الأكثر اتساعاً يمكن أن تستوعب بسهولة أكبر الأزواج الوحيدة.

عندما تحتوي الذرة المركزية على زوجي إلكترون منفرد وأربع مناطق ارتباط، يكون لدينا هندسة ثماني السطوح لزوج الإلكترون. يوجد الزوجان الوحيدان على جوانب متقابلة من المجسم الثماني (180° على حدة)، مما يعطي بنية جزيئية مربعة مستوية تقلل من تنافر الزوج المنفرد.

تم اقتباس هذا النص من Openstax, Chemistry 2e, Section 7.6: Molecular Structure and Polarity.