ما هي رتبة الرابطة؟
رتبة الرابطة هي مقياس لعدد الروابط الكيميائية بين زوج من الذرات داخل الجزيء. وفق نظرية المدارات الجزيئية (MO)، تُحسب هذه الرتبة من خلال مقارنة عدد الإلكترونات التي تشغل المدارات الجزيئية الرابطة بعدد الإلكترونات في المدارات المضادة للرابطة. وكلما ارتفعت رتبة الرابطة، دلّ ذلك عادةً على رابطة أقوى وأقصر، بينما تشير رتبة الرابطة المساوية للصفر إلى أن الجزيء (أو الأيون) لن يتكوّن أصلًا.
كيفية استخدام هذه الحاسبة
أدخِل العدد الكلي للإلكترونات في المدارات الجزيئية الرابطة، ثم العدد الكلي في المدارات المضادة للرابطة. تُستخرج هذه القيم من ملء مخطط طاقة المدارات الجزيئية الخاص بالجزيء الذي تدرسه. وتعرض الحاسبة رتبة الرابطة على الفور. وعادةً ما تُكتب المدارات الرابطة دون نجمة (مثل \(\sigma\) و\(\pi\))، في حين تُكتب المدارات المضادة للرابطة بنجمة (مثل \(\sigma^*\) و\(\pi^*\)).
شرح المعادلة
معادلة رتبة الرابطة هي:
$$\text{Bond Order} = \frac{N_b - N_a}{2}$$
تعمل الإلكترونات الموجودة في المدارات الرابطة على تثبيت الرابطة وتقويتها، بينما تُضعفها الإلكترونات الموجودة في المدارات المضادة للرابطة. ونقسم على اثنين لأن كل رابطة كيميائية تتكوّن من زوج من الإلكترونات.
مثال محلول
لنأخذ جزيء النيتروجين \(\text{N}_2\). تحتوي مداراته الجزيئية على 10 إلكترونات رابطة و4 إلكترونات مضادة للرابطة. إذًا: $$\text{Bond Order} = \frac{10 - 4}{2} = \frac{6}{2} = 3$$ وهذا يتنبأ بدقة بوجود الرابطة الثلاثية القوية في جزيء \(\text{N}_2\).
رتبة الرابطة للجزيئات والأيونات الثنائية الذرة الشائعة
يسرد الجدول أدناه الأنواع الثنائية الذرة متجانسة النوى الشائعة جنباً إلى جنب مع عدد الإلكترونات في المدارات الجزيئية الرابطة (\(N_b\))، والعدد في المدارات المضادة للرابطة (\(N_a\))، ورتبة الرابطة الناتجة المحسوبة من \(\text{رتبة الرابطة} = (N_b - N_a)/2\). الأنواع التي تحتوي على رتبة رابطة تساوي 0 لا تكون مستقرة كجزيئات منفصلة؛ الأنواع التي تحتوي على إلكترون واحد أو أكثر غير مقترن تكون بارامغناطيسية.
| النوع | إجمالي الإلكترونات | إلكترونات الرابطة (\(N_b\)) | إلكترونات مضادة للرابطة (\(N_a\)) | رتبة الرابطة | الاستقرار / المغناطيسية |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂⁺ | 1 | 1 | 0 | 0.5 | مستقر، بارامغناطيسي |
| H₂ | 2 | 2 | 0 | 1 | مستقر، ديامغناطيسي |
| He₂ | 4 | 2 | 2 | 0 | غير مستقر |
| Li₂ | 6 | 4 | 2 | 1 | مستقر، ديامغناطيسي |
| B₂ | 10 | 6 | 4 | 1 | مستقر، بارامغناطيسي |
| C₂ | 12 | 8 | 4 | 2 | مستقر، ديامغناطيسي |
| N₂ | 14 | 10 | 4 | 3 | مستقر، ديامغناطيسي |
| O₂⁺ | 15 | 10 | 3 | 2.5 | مستقر، بارامغناطيسي |
| O₂ | 16 | 10 | 6 | 2 | مستقر، بارامغناطيسي |
| O₂⁻ | 17 | 10 | 7 | 1.5 | مستقر، بارامغناطيسي |
| F₂ | 18 | 10 | 8 | 1 | مستقر، ديامغناطيسي |
| Ne₂ | 20 | 10 | 10 | 0 | غير مستقر |
تتضمن حسابات الإلكترونات مساهمات كل من النواة (\(\sigma_{1s}\), \(\sigma^*_{1s}\)) والقيمة للأنواع من الصف الثاني. لأن إلكترونات الرابطة والمضادة للرابطة المشتقة من \(1s\) تلغي بعضها البعض بالنسبة إلى Li₂ و Ne₂، فقط إلكترونات التكافؤ تغير رتبة الرابطة — فإن حساب إلكترونات التكافؤ وحدها يعطي نفس النتيجة.
تفسير نتيجة رتبة الرابطة الخاصة بك
رتبة الرابطة هي مقياس مباشر للعدد الصافي للأزواج الإلكترونية التي تربط ذرتين معاً، وترتبط ارتباطاً وثيقاً بقوة تلك الرابطة وقصرها.
- رتبة الرابطة = 0: إلكترونات الرابطة والمضادة للرابطة تلغي بعضها البعض بدقة، لذلك لا توجد رابطة صافية. لا يُتوقع أن يكون النوع (مثل He₂، Ne₂) موجوداً كجزيء مستقر.
- قيم صحيحة: رتبة الرابطة التي تساوي 1 تقابل رابطة واحدة (H₂، F₂)، و 2 تقابل رابطة مزدوجة (O₂، C₂)، و 3 تقابل رابطة ثلاثية (N₂). رتبة رابطة أعلى تعني رابطة أقوى وأقصر.
- قيم كسرية: الأيونات والجذور الحرة غالباً ما تعطي رتب رابطة نصفية صحيحة مثل 0.5 (H₂⁺)، 1.5 (O₂⁻)، أو 2.5 (O₂⁺). النتيجة الكسرية ببساطة تعكس عدد إلكترونات صافي فردي وتشير إلى رابطة حقيقية، وإن كانت أضعف.
- قوة الرابطة والطول: ضمن سلسلة من الأنواع المتشابهة، رتبة الرابطة الأعلى تعني طاقة تفكك رابطة أكبر ومسافة نووية أقصر. على سبيل المثال، الرابطة الثلاثية N≡N (رتبة الرابطة 3) أقصر بكثير وأقوى من الرابطة الأحادية F–F (رتبة الرابطة 1).
الربط بالمغناطيسية: تخبرك رتبة الرابطة بالرابطة الصافية لكن ليس حالة الدوران. بعد ملء مخطط المدار الجزيئي، تحقق مما إذا كانت أي مدارات مشغولة بإلكترون واحد. إذا بقيت إلكترونات غير مقترنة — كما في O₂، الذي يحافظ على إلكترونين غير مقترنين في مداراته \(\pi^*\) — فإن الجزيء يكون بارامغناطيسياً (مجذوب إلى حقل مغناطيسي). إذا كان كل إلكترون مقترناً، فإنه يكون ديامغناطيسياً. هذا هو السبب في نجاح نظرية المدار الجزيئي حيث تفشل هياكل لويس البسيطة: فهي تتنبأ برتبة رابطة تساوي 2 والمغناطيسية المسايرة لأكسجين جزيئي.
الأسئلة الشائعة
هل يمكن أن تكون رتبة الرابطة كسرًا؟ نعم. يمكن أن تكون للأيونات والجذور الحرة مثل \(\text{O}_2^-\) أو الأيون \(\text{H}_2^+\) رتب رابطة كسرية مثل \(1.5\) أو \(0.5\).
ماذا تعني رتبة الرابطة المساوية للصفر؟ تعني أن الإلكترونات الرابطة والمضادة للرابطة يلغي بعضها بعضًا، فلا تتكوّن رابطة مستقرة — كما في حالة الجزيء الافتراضي \(\text{He}_2\).
ما العلاقة بين رتبة الرابطة وقوة الرابطة؟ بصفة عامة، كلما ارتفعت رتبة الرابطة كانت الرابطة أقوى وطولها أقصر.
