ما هي رتبة الرابطة؟
رتبة الرابطة مقياس لعدد الروابط الكيميائية بين زوج من الذرات، وتُشتق من نظرية المدارات الجزيئية (MO). وهي تكشف لك مدى قوة الرابطة واستقرارها: فكلما ارتفعت رتبة الرابطة كانت الرابطة أقوى وأقصر، بينما تعني رتبة الرابطة الصفرية عدم تكوُّن رابطة مستقرة على الإطلاق. تعمل هذه الحاسبة مع أي نظام ثنائي الذرة أو أي نظام جزيئي بمجرد معرفتك بتوزيع الإلكترونات على المدارات الجزيئية.
كيفية استخدام الحاسبة
أدخِل العدد الكلي للإلكترونات التي تشغل المدارات الجزيئية الترابطية، وعدد الإلكترونات التي تشغل المدارات اللاترابطية (التي تُميَّز عادةً بنجمة، مثل σ* وπ*). اضغط على زر الحساب لتعرض لك الأداة رتبة الرابطة فورًا. ويمكنك قراءة أعداد الإلكترونات مباشرةً من مخطط مستويات الطاقة للمدارات الجزيئية.
شرح القانون
تُعطى رتبة الرابطة بالعلاقة:
$$\text{رتبة الرابطة} = \frac{N_b - N_a}{2}$$
حيث \(N_b\) هو عدد الإلكترونات الترابطية، و\(N_a\) هو عدد الإلكترونات اللاترابطية. والقسمة على اثنين تعكس حقيقة أن الرابطة التساهمية الأحادية تتكون من زوج من الإلكترونات. ورتب الرابطة الكسرية (مثل 1.5 أو 2.5) صحيحة تمامًا وتظهر في أنواع مثل O₂⁻ وأكسيد النيتروجين NO.
مثال محلول
لنأخذ جزيء النيتروجين N₂، الذي يحتوي على 10 إلكترونات في المدارات الترابطية و4 إلكترونات في المدارات اللاترابطية. إذن رتبة الرابطة \(= (10 - 4) / 2 = 6 / 2 =\) 3، وهو ما يؤكد الرابطة الثلاثية الشهيرة في النيتروجين، والسبب في أن جزيء N₂ خامل وقليل التفاعل.
رتب الرابطة في الجزيئات ثنائية الذرة الشائعة
رتبة الرابطة في نظرية المدار الجزيئي (MO) هي العدد الصافي لأزواج الإلكترونات الرابطة التي تربط ذرتين معاً. يتم حسابها على النحو التالي:
$$\text{رتبة الرابطة} = \frac{N_b - N_a}{2}$$حيث \(N_b\) هو عدد الإلكترونات في المدارات الجزيئية الرابطة و\(N_a\) هو عدد الإلكترونات في المدارات الجزيئية المضادة للرابطة. يوضح الجدول أدناه النتائج القياسية للجزيئات والأيونات ثنائية الذرة الشائعة في الدورة الثانية، جنباً إلى جنب مع سلوكها المغناطيسي المرصود تجريبياً.
| النوع | إجمالي إلكترونات التكافؤ | إلكترونات الرابطة (\(N_b\)) | إلكترونات الرابطة المضادة (\(N_a\)) | رتبة الرابطة | الخاصية المغناطيسية |
|---|---|---|---|---|---|
| H₂ | 2 | 2 | 0 | 1 | ديامغناطيسي |
| He₂ | 4 | 2 | 2 | 0 | غير مرتبط |
| B₂ | 6 | 4 | 2 | 1 | بارامغناطيسي |
| C₂ | 8 | 6 | 2 | 2 | ديامغناطيسي |
| N₂ | 10 | 8 | 2 | 3 | ديامغناطيسي |
| O₂ | 12 | 8 | 4 | 2 | بارامغناطيسي |
| O₂⁻ (فوق أكسيد) | 13 | 8 | 5 | 1.5 | بارامغناطيسي |
| O₂²⁻ (بيروكسيد) | 14 | 8 | 6 | 1 | ديامغناطيسي |
| F₂ | 14 | 8 | 6 | 1 | ديامغناطيسي |
| NO | 11 | 8 | 3 | 2.5 | بارامغناطيسي |
| CO | 10 | 8 | 2 | 3 | ديامغناطيسي |
ملاحظة: يتم حساب عدد الإلكترونات أعلاه على مدى المدارات الجزيئية المتشكلة من المدارات الذرية للتكافؤ (2s و 2p، أو 1s بالنسبة إلى H/He). يتم تضمين He₂ لتوضيح رتبة رابطة صفر — السكان المتساويون من الرابطة والرابطة المضادة يعنيان عدم وجود رابطة صافية، وهذا هو السبب في أن الهيليوم ثنائي الذرة لا يوجد كجزيء مستقر.
تفسير نتيجة رتبة الرابطة
رتبة الرابطة هي مقياس عددي مباشر لمدى قوة ارتباط ذرتين معاً. بشكل عام، رتبة رابطة أعلى تتوافق مع طول رابطة أقصر وطاقة تفكك رابطة أعلى (الطاقة المطلوبة لكسر الرابطة). الإشارة والحجم النسبي لنتيجتك يخبرك ما إذا كان الجزيء يجب أن يوجد ومدى استقراره.
- رتبة الرابطة = 0: لا توجد رابطة صافية. إلكترونات الرابطة والرابطة المضادة تلغي بعضها تماماً، لذلك لا يتم الاحتفاظ بالذرتين معاً (على سبيل المثال، He₂، Be₂). يتنبأ بأن الجزيء لا يوجد كنوع مستقر.
- رتبة الرابطة = 1: رابطة صافية واحدة، مشابهة لرابطة لويس الفردية (على سبيل المثال، H₂، F₂). رابطة طويلة نسبياً، طاقة تفكك منخفضة نسبياً مقارنة بالرابطات المزدوجة أو الثلاثية.
- رتبة الرابطة = 1.5: قيمة كسرية بين رابطة مفردة ومزدوجة، نموذجية للأنواع التي تحتوي على إلكترون فردي في مدار رابطة مضاد (على سبيل المثال، فوق أكسيد O₂⁻). يشير إلى توطين أو رابطة جزئية وطول/قوة رابطة وسيطة.
- رتبة الرابطة = 2: رابطة مزدوجة (على سبيل المثال، O₂، C₂). أقصر وأقوى من رابطة فردية.
- رتبة الرابطة = 3: رابطة ثلاثية — من بين أقوى وأقصر الرابطات (على سبيل المثال، N₂، CO). N₂ له واحدة من أعلى طاقات التفكك المعروفة، وهذا هو السبب في أنه غير متفاعل جداً.
رتب الرابطات الكسرية (مثل 0.5 أو 1.5 أو 2.5) تنشأ كلما كان عدد إلكترونات الرابطة الصافية فردياً. إنها صحيحة تماماً في نظرية MO وتعكس توطين الإلكترونات الذي لا تستطيع هياكل لويس البسيطة إظهاره. النوع الذي يحتوي على رتبة رابطة موجبة لكن كسرية هو عموماً جزيء أو أيون حقيقي، إن لم يكن أحياناً متفاعل.
رتبة رابطة صفرية أو سالبة تشير إلى أن إلكترونات الرابطة المضادة تلبي أو تفوق عدد إلكترونات الرابطة، لذا لا تتشكل رابطة صافية والنوع يتنبأ به أن يكون غير مستقر. عند مقارنة الأنواع ذات الصلة، يتوقع أن يكون لدى الذي له رتبة رابطة أكبر رابطة أقصر وأقوى.
المصطلحات الأساسية والتعاريف
- مدار الرابطة
- مدار جزيئي متشكل من تداخل بنّاء (جمع متوافق الطور) للمدارات الذرية. يتم تركيز الإلكترونات فيه بين النوى، مما يقلل الطاقة ويحتفظ بالذرات معاً.
- مدار الرابطة المضاد
- مدار جزيئي متشكل من تداخل هدام (جمع غير متوافق الطور) للمدارات الذرية، مع عقدة بين النوى. إنه أعلى في الطاقة؛ الإلكترونات فيه تضعف أو تلغي الرابطة. غالباً ما يُشار إليها بنجمة (على سبيل المثال، \(\sigma^*\)، \(\pi^*\)).
- مدار سيجما (\(\sigma\))
- مدار جزيئي متماثل حول المحور النووي، متشكل من تداخل رأس برأس (طرف لطرف) للمدارات الذرية. رابطات سيجما عادة ما تكون أقوى روابط مكونة واحدة.
- مدار باي (\(\pi\))
- مدار جزيئي متشكل من تداخل جانبي لمدارات p، مع كثافة إلكترونية فوق وتحت المحور النووي. مدارات باي تمثل الرابطة الإضافية في الرابطات المزدوجة والثلاثية.
- \(N_b\) (إلكترونات الرابطة)
- العدد الإجمالي للإلكترونات التي تشغل مدارات جزيئية رابطة.
- \(N_a\) (إلكترونات الرابطة المضادة)
- العدد الإجمالي للإلكترونات التي تشغل مدارات جزيئية مضادة للرابطة.
- رسم تخطيطي MO (رسم تخطيطي للمدار الجزيئي)
- رسم تخطيطي لمستوى الطاقة يوضح كيفية جمع المدارات الذرية في مدارات جزيئية رابطة ومضادة للرابطة، والتي يتم ملء الإلكترونات فيها وفقاً لمبدأ Aufbau، وقاعدة Hund، ومبدأ Pauli للاستبعاد.
- رتبة الرابطة
- العدد الصافي لأزواج الإلكترونات الرابطة بين ذرتين، محسوبة كـ \((N_b - N_a)/2\). إنها ترتبط بقوة الرابطة وتتناسب عكسياً مع طول الرابطة.
- بارامغناطيسي
- يصف نوعاً يحتوي على واحد أو أكثر من الإلكترونات غير المزدوجة، والتي تنجذب إلى حقل مغناطيسي خارجي (على سبيل المثال، O₂).
- ديامغناطيسي
- يصف نوعاً تكون جميع الإلكترونات فيه مزدوجة، والتي يتم دفعها بضعف من قبل حقل مغناطيسي خارجي (على سبيل المثال، N₂).
الأسئلة الشائعة
هل يمكن أن تكون رتبة الرابطة كسرية؟ نعم. فالأنواع ذات العدد الفردي من الإلكترونات، مثل أيون فوق الأكسيد O₂⁻، تكون رتبة الرابطة فيها 1.5.
ماذا تعني رتبة الرابطة الصفرية؟ تعني تساوي عدد الإلكترونات الترابطية واللاترابطية، فلا تتكوّن رابطة صافية — مثل جزيء الهيليوم الافتراضي He₂.
هل تعني رتبة الرابطة الأعلى رابطة أقصر؟ نعم في الغالب؛ إذ ترتبط رتبة الرابطة الأعلى بطول رابطة أقصر وطاقة تفكُّك أعلى.
