الترابط الكيميائي والمدارات الجزيئية
يصف الترابط الكيميائي كيف تربط الإلكترونات المشتركة الذرات معًا في الجزيئات، وتفسر نظرية المدارات الجزيئية ذلك من خلال دمج المدارات الذرية في مدارات جزيئية غير متمركزة.
Definition
الترابط الكيميائي هو التفاعل الجاذب الصافي الذي يربط الذرات معًا في الجزيء، وينشأ ميكانيكيًا كميًا من انخفاض الطاقة الإلكترونية عند مشاركة الإلكترونات؛ والمدار الجزيئي هو دالة موجية لإلكترون واحد تمتد على الجزيء بأكمله، ويُبنى عادةً كتركيب خطي للمدارات الذرية.
Scope
يغطي هذا الموضوع الوصف الميكانيكي الكمي للرابطة الكيميائية: أيون جزيء الهيدروجين وجزيء الهيدروجين كنماذج أولية، وبناء المدارات الجزيئية الرابطة والمضادة للترابط من خلال التركيب الخطي للمدارات الذرية، ورتبة الرابطة وعلاقتها بالاستقرار، وصورة رابطة التكافؤ التكميلية مع التهجين. كما يوضح الترابط التساهمي، ومشاركة الإلكترونات، والاتجاهات في قوة الرابطة والمغناطيسية عبر الجزيئات ثنائية الذرة.
Core questions
- لماذا تؤدي مشاركة الإلكترونات إلى خفض طاقة ذرتين وتكوين رابطة؟
- كيف تُبنى المدارات الجزيئية من المدارات الذرية؟
- ما الذي يميز المدارات الرابطة عن المدارات المضادة للترابط، وما هي رتبة الرابطة؟
- كيف ترتبط أوصاف المدارات الجزيئية ورابطة التكافؤ ببعضها البعض؟
Key concepts
- الرابطة التساهمية ومشاركة الإلكترونات
- المدارات الرابطة والمدارات المضادة للترابط
- التركيب الخطي للمدارات الذرية
- رتبة الرابطة
- تفاعل التبادل
- التهجين والرنين
Key theories
- نظرية المدارات الجزيئية (LCAO)
- يؤدي دمج المدارات الذرية في طور واحد إلى مدار جزيئي رابط مع كثافة إلكترونية معززة بين النوى، ويؤدي دمجها خارج الطور إلى مدار مضاد للترابط ذي طاقة أعلى مع عقدة؛ ويحدد ملء هذه المدارات رتبة الرابطة واستقرار الجزيء.
- نظرية رابطة التكافؤ والرابطة التساهمية
- أظهر هايتلر ولندن ميكانيكيًا كميًا أن ذرتي هيدروجين ترتبطان من خلال تفاعل تبادل لإلكتروناتهما، وهو أساس صورة رابطة التكافؤ التي وسعها باولينغ لاحقًا بالتهجين والرنين.
Clinical relevance
تفسر نظريات المدارات الجزيئية ورابطة التكافؤ وتتنبأ بالهندسة، والاستقرار، والتفاعلية، والخصائص المغناطيسية والبصرية للجزيئات، مما يوفر اللغة المفاهيمية للكيمياء والأساس للطرق الحسابية المستخدمة في اكتشاف الأدوية وتصميم المواد.
History
كانت معالجة هايتلر ولندن لجزيء الهيدروجين عام 1927 أول تفسير ميكانيكي كمي للرابطة التساهمية. طور موليكن وهوند نهج المدارات الجزيئية بالتوازي، وقام باولينغ في كتابه "طبيعة الرابطة الكيميائية" عام 1939 بتجميع أفكار رابطة التكافؤ مع التهجين والكهرسلبية في إطار أحدث تحولًا في الكيمياء.
Key figures
- Walter Heitler
- Fritz London
- Robert Mulliken
- Linus Pauling
Related topics
Seminal works
- heitler1927
- pauling1939
- atkins2011
Frequently asked questions
- ما هي رتبة الرابطة؟
- رتبة الرابطة هي نصف الفرق بين عدد الإلكترونات في المدارات الجزيئية الرابطة والمدارات المضادة للترابط. تتوافق رتبة الرابطة الأعلى مع رابطة أقوى وأقصر؛ وتعني رتبة الرابطة صفر عدم تكون رابطة مستقرة، كما هو الحال لذرتي هيليوم.
- لماذا يكون الأكسجين الجزيئي بارامغناطيسيًا؟
- تضع نظرية المدارات الجزيئية الإلكترونين الأعلى طاقة في O₂ في مدارين مضادين للترابط منفصلين ومنحطين (degenerate) مع لفات متوازية، مما يترك إلكترونين غير مزدوجين. وهذا يجعل O₂ بارامغناطيسيًا، وهي نتيجة لا تتنبأ بها صورة رابطة التكافؤ البسيطة بشكل طبيعي.