Orbitals: Crash Course Chemistry #25 - YouTube

نقضي وقتًا طويلًا نفكر في الذرات على أنها بهذا الشكل.

كرة وعصا وكرة أخرى وعصا أخرى.

مجموعة كرات ملتصقة ببعضها بواسطة هذه الروابط الخشبية.

إنه شرح بسيط ومن السهل فهمه، وبالتالي، كما توقعتم على الأرجح، خاطئ كليًا.

من الممكن فهم النوى على أنها كرات صغيرة وهذا صحيح تقريبًا،

لكن في النويات الأكبر أو الأقل استقرارًا، تبدأ بالظهور مستطيلة وغريبة ككرة الرغبي.

الذرات كروية أيضًا حيث الإلكترونات في سحابة كروية حول النواة.

لكن الجزيئات كما ناقشنا المرة الماضية لا تبدو ككرات على عصي،

فالروابط لا تتشكل في خطوط مرتبة،

بل تتشكل من سحب أو أغلفة الإلكترونات المتداخلة

التي تتدفق حول نويات الذرات المرتبطة.

إذا أردتم أن تعرفوا كيف تبدو،

فهي أشبه بتكتلات متراصة من المواقع المحتملة للإلكترونات.

وهذه التكتلات المتراصة من المواقع المحتملة للإلكترونات

لا تتصرف بالطريقة التي قد تتوقعونها منها في البداية.

كلا، هذا سيكون بسيطًا جدًا.

إنها تتصرف بناءً على ميكانيكا الكم والدالة الموجية ثلاثية الأبعاد

والتوزيع الاحتمالي للإلكترونات في الحيز.

ونعم، مع نهاية هذه الحلقة ستفهمون ما قلته للتو،

وسيكون رائعًا.

فلنبدأ بالماء، لأن كل الأشياء المشوقة على كوكبنا تبدأ بالماء.

7هو أيضًا شائع جدًا، ليس على كوكبنا فقط بل في مجرتنا وكوننا.

مثال على هذا، في عام 2011، اكتشف علماء الفلك سحابة من الماء المتجمد تحيط بثقب أسود

يحتوي على مياه تعادل 140 تريليون ضعف ما لدينا هنا على الأرض.

ورغم عدم وجود عوالم مؤكدة مغطاة بالماء خارج نظامنا الشمسي،

إلّا أن لدينا ذلك هنا في نظامنا الشمسي،

حيث يحتوي القمر أوروبا على ماء، وهو مالح على الأرجح، لدرجة أن سطحه كله ثلجي.

ما علاقة هذا كله بالمدارات الذرية؟

لا شيء، لكن شعرت بأني أخفتكم بحديثي عن ميكانيكا الكم قبل المقدمة

وأردت تهدئتكم لوهلة.

حسنًا، الماء.

رسمنا تركيب لويس الخاص به الأسبوع الماضي، هل تتذكرون؟

ترتبط ذرتا الهيدروجين بذرة الأكسجين فينتج الماء.

لكن ذلك الرسم خطّي، مجرد خط مستقيم عبر جميع النويات،

ونحن نعرف بالسليقة الآن أن الماء جزيء منحنٍ.

لكن لماذا؟ لماذا الماء أعوج؟!

الذرات غير المرتبطة في الجزيء تحب عادةً أن تكون بعيدة عن بعضها قدر الإمكان،

خاصة إن كان لها الشحنة الجزئية نفسها، كذرتي الهيدروجين مع شحنتيهما الجزئيتين الموجبتين.

لكن شيئاً ما يُبقي ذرات الهيدروجين هذه قريبة من بعضها أكثر مما تود.

إذن، لماذا لا تبتعد عن بعضها أكبر مسافة ممكنة؟

أسأل هذا لأنها لو كانت بعيدة لما كان جزيء الماء قطبيًا

وإذا أصبح الماء فجأة لاقطبيًا

فسنموت على الفور نحن وكل أشكال الحياة على الأرض.

وفجأة ندرك أن هذا الشيء الذي نعرفه عن العالم ويبدو عاديًا هو في الحقيقة غريب،

والأشياء الغريبة هي الأشياء المفضلة لدي لأنها تعني أسئلة مشوقة.

أسئلة مشوقة أريد أن أعرف أجوبتها.

إنه سؤال نريد معرفة إجابته أكثر حتى من:

"ما هي الدالة الموجية ثلاثية الأبعاد لميكانيكا الكم؟"

جواب هذا السؤال بالطبع له علاقة كبيرة

بالدالة الموجية ثلاثية الأبعاد لميكانيكا الكم، فدعونا نبدأ بهذا.

انظروا، معي سلك هاتف.

هذا ما كان كبار السن يستخدمونه لنقل أصواتهم عبر الكابلات

لتنتقل عبر أنحاء العالم قبل الهواتف الخلوية.

لكن اليوم، يُستخدم فقط لعرض حقول الإلكترونات.

الإلكترونات هي جسيمات وموجات وهذا ليس أمرًا يسهل تخيله.

باختصار، يمكن التفكير فيها بأنها تهيّج لحقل الإلكترونات الموجود في كل مكان.

عندما تُطرح الطاقة في الحقل الإلكتروني، تصبح الإلكترونات في داخل دالة موجية.

ما هي الدالة الموجية؟

إنها دالة رياضية تصف احتمالية وجود إلكترون في مكان معين في لحظة ما.

إذن، سلك الهاتف هذا هو حقل إلكتروني، سأولد فيه بعض الطاقة

فينشأ ما يُسمى بالموجة الراكدة.

الدالة الموجية هي الدالة الرياضية التي تصفها.

تعمل الإلكترونات بالطريقة نفسها،

فهي توجد كتهيجات في الحقل الإلكتروني حول النواة في موجة راكدة.

أبسط هذه الدالات الموجية هو المدار "s"

الذي من الممكن أ، يحتوي على إلكترونين، وهو شكل كروي من الموجات الراكدة حول النواة.

يمكن أن يكون للموجة الراكدة أعداد مختلفة من العقد التي تتيح للأنماط تكرار نفسها

عندما تكون هناك إلكترونات أكثر حول النواة.

يكون كل مدار في أقل مستوى طاقته عندما يحتوي على إلكترونين.

للهيدروجين إلكترون واحد في مدار "س" خاصته،

والهيليوم، وهو غاز نبيل مستقر منخفض الطاقة، له إلكترونان،

وهو سعيد لأن غلافه الخارج ممتلئ.

لكن هناك بالطبع أنواع أخرى من المدارات.

بعد ملء المدارين "s" الأول والثاني، ننتقل لملأ المدار "p".

أو بالأحرى المدارات "p"،

لأننا نتحدث عن حيز ثلاثي الأبعاد هنا،

لذا، سيكون هناك مدارًا عند المحور "س" ومدارًا عند المحور "ص" وآخر عند المحور "ع".

كل من تلك المدارات يمكن أن يحتوي على إلكترونين ليبلغ المجموع ثمانية إلكترونات

اثنان في المدار "s" و6 في المدارات "p" الثلاث.

ونعم، هذه الإلكترونات الثمانية هي السبب في قاعدة الثمانيات.

تذكروا أن الجدول الدوري هو خريطة للمدارات الذرية عندما تمتلئ.

العناصر في المستوى الفرعي s تملأ مداراتها الـ"s"،

وعناصر المستوى الفرعي "p" تملأ مداراتها الـ"p"،

والأمر ذاته مع عناصر المستويين الفرعيين "d" و"f".

إذن، المدارات "s" بسيطة جدًا وكروية، والمدارات "p" غريبة بعض الشيء،

والمدارات "d" و"f" جنونية جدًا.

بعض المدارات "f" على وجد التحديد لها أشكال هندسية رائعة لدرجة كبيرة.

تدخل الكثير من الرياضيات المعقدة في كتابة هذه الدالات الموجية وفهمها.

بالنسبة للهيدروجين، لدينا فقط مدار "s" واحد، وهو كروي وغير معقد إطلاقًا،

لكن في الغلاف الثاني لدينا مدار "s" و3 مدارات "p".

المدارات "p"، إذا كانت وحدها ستبدو هكذا.

لكن عند وضعها حول ذرة، تبدأ المدارات "s" و"p" بالتفاعل مع بعضها

وتبذل جهدها كي لا تتداخل، وتغير بعضها بعضًا.

وقد تندمج المدارات "s" و"p" لتكوين مدارات "sp" هجينة،

حيث عوضًا عن نوعين مختلفين من المدارات، تصبحان 4 مدارات متماثلة

تبذل جهدها كي لا تتداخل.

ويُسمى هذا التهجين المداري،

عندما يتهجن المدار "s" مع مدارات "p" الثلاث

يُسمى ذلك "تهجين sp3" ويكوّن شكلًا رباعي الأسطح.

وهذا هو ذلك الشكل رباعي الأسطح.

إنها أسهل طريقة لتشكّل جميع المدارات شيئاً شبه كروي حول الذرة من دون أن تتفاعل كثيرًا.

لم أفعل شيئاً معقدًا لجعل هذه البالونات تتخذ هذا الشكل،

بل اكتفيت فقط بربطها مع بعضها عند قواعدها

واتخذت هذا الشكل بطريقة طبيعية لأنها لا تستطيع أن تتداخل مع بعضها.

ونعم، هذا بالضبط ما يحدث مع الماء.

في الماء، تترتب إلكترونات الأكسجين الثمانية باثنان في كل مدار "sp3" مهجن.

اثنان من تلك الإلكترونات يأتيان من الهيدروجين

و6 من الأكسجين، بما فيهما زوجان وحيدان.

ذان الزوجان الوحيدان، رغم أنهما لا يشاركان في أي رابطة،

إلّا أن لهما مداراتهما.

وبهذا، فالماء له تلك البنية رباعية الأسطح.

أيّ كان المدار الذي نضع ذرتي الهيدروجين فيه

نحصل على جزيء لا متناظر.

ذلك، بالإضافة إلى الفرق بين الكهروسالبية للأكسجين والهيدروجين

يؤدي إلى قطبية الماء ووجود الحياة.

لكن المدارات "s" و"p" يمكن أن تتهجن بطرق أخرى أيضًا.

كيف، على سبيل المثال، تتخيلون تشكيل مدارات "sp3" لرابطة مزدوجة؟

لا يمكن لمدارين أن يختلطا معًا في الحيز نفسه،

والمدارات "sp3" عالقة في بنيتها رباعية الأسطح.

إن أراد جزيء أن يصل أدنى وضعية طاقة له عبر تشكيل رابطة مزدوجة فهناك حل بسيط لذلك،

وهو أن يقوم بتهجين مداري فقط "p" مع المدار "s"،

مشكّلًا 3 مدارات "sp2" مهجنة

مع مدار "p" غير مهجن يبرز من المركز.

اربطوا البالونات معًا بهذا الشكل وتحصلون على ما نسميه بالمستوى ثلاثي التناظر،

حيث يبعد كل مدار "sp2" 120 درجة عن الآخر،

بحيث إذا رسمنا خطًا عبر مراكزها سنحصل على مثلث متساوي الأضلاع.

إحدى الرابطتين في الرابطة المزدوجة

فيها مداري "sp2" مندمجان معًا بطريقة مرتبة متطابقة مع النواتين.

هذا النوع من الروابط المباشرة يُسمى رابطة سيغما.

وهناك رابطة ثانية أكثر غرابة تتشكل

من المدارات "p" غير المهجنة البارزة أعلى وأسفل النواة،

هذه الذرات تندمج لتشكل رابطة باي.

وتلك هي الرابطة المزدوجة المتناظرة التي نراها في جزيئات مثل الإثيلين.

ونعم، مدارات "sp" حيث المدار "s" يتهجن فقط مع مدار "p" واحد

هي أيضًا كثيرة الحدوث.

وهي تحدث عندما تكون ذرة مرتبطة برابطة ثلاثية مع ذرة أخرى،

أو برابطة مزدوجة مع ذرتين.

المدار "sp" الذي يشكل روابط سيغما هنا هو مدار خطي.

يوجد بالونان فقط، أليس هذا سهلًا؟ يشكلان خطًا مستقيمًا.

المطلوب هو أن نجد مدارين "p" غير مهجنين يستطيعان الاشتراك في رابطتي باي

إمّا لتشكيل رابطة ثلاثية واحدة أو لتشكيل رابطتين مزدوجتين،

كما في ثاني أكسيد الكربون.

البناء المداري لثاني أكسيد الكربون رائع، فدعونا نعرضه كمثال،

سيكون للكربون رابطتين مزدوجتين، لذلك يجب أن يكون لديه مدارين "p" غير مهجنين

ومدار "sp" واحد مهجن.

وسيكون لذرتي الأكسجين رابطة مزدوجة واحدة، لذلك ستتشكلان من مدار "sp2" مهجن

مع مدار "p" واحد غير مهجن لتحقيق الربط المزدوج.

عندما ترتبط الذرات ببعضها،

تحدث رابطة سيغما بين المدارات المهجنة، وهذه عملية بسيطة جدًا.

ستتخذ ذرة أكسجين شكلًا خطيًا لتشكل رابطة باي مع المدار "p" العمودي في ذرة الكربون،

وستتخذ ذرة الأكسجين الأخرى شكلًا خطيًا مع المدار الأفقي.

ها قد شرحناها. روابط في كل مكان.

لكن بالطبع، كما هو الحال دائمًا، في سعيكم بلا كلل إلى المزيد من المعرفة

ما زال هناك الكثير لتتعلموه.

يمكن للمدارين "d" و"f" أن يتهجنا مع المدارات المهجنة "sp" ومع بعضها بعضًا

مشكّلةً أشكالًا هندسية غريبة رائعة.

وعندما يتهجن مدارين "d" مع مدارات "sp3"

نحصل على "d2sp3"، وهو بناء ثماني الأسطح،

وهو ما يعرفه أولئك الذين يلعبون ألعاب تقمص الأدوار بالنرد ثماني الأوجه.

هذه الترتيبات المدارية تحدد شكل الجزيئات

وشكل الجزيئات يحدد سلوكها وأشكالها وخواصها.

إنه لأمر مذهل في الحقيقة أن الدالات الموجية التي تحدد المواقع المحتملة للإلكترونات

تبقي الماء منحنيًا وبالتالي قطبيًا

وبالتالي، قادرًا على إذابة العناصر الغذائية وتشكيل بيئة مستقرة لخلايانا

لنستطيع عيش حياتنا بأجسام تتكون في معظمها من الماء ونفكر في أمور

ونعدّ فيديوهات يوتيوب ونحاول معرفة المزيد عن العالم،

أو ربما فقط نحاول النجاح في امتحان.

شكرًا لمشاهدة هذه الحلقة من Crash Course Chemistry،

إن كنتم منتبهين اليوم،

فقد تعلمتم أن الجزيئات تكتلات متراصة من المواقع المحتملة للإلكترونات

تحددها دالات موجية معقدة أكثر من موجات سلك الهاتف.

وأن الماء جزيء لا متناظر بسبب مدارات "sp3" المهجنة للأكسجين

والتي تجبر الإلكترونات على اتخاذ بنية رباعية الأسطح،

وأن مدارات "s" و"p" تستطيع التهجن بطرق أخرى كـ"sp2" أو "sp"،

وكيف تتيح تلك التهجينات حدوث روابط مزدوجة وثلاثية

باستخدام رابطتي سيغما وباي.

وأخيرًا، عرفتم أن مدارات "دي" قد تساهم أيضًا

مما يتيح حدوث تهجينات ينتج عنها أشكالًا أروع ثلاثية الأبعاد.

هذه الحلقة من تأليفي ومن تنقيح بلايك ديباستينو،

ومستشارا الكيمياء هما دكتور هايكو لانغر وإيدي غونزاليس،

وهي من تصوير ومونتاج وإخراج نيكولاس جنكنز، ومشرف النص هو مايكل أراندا

وفريق الرسومات هو Thought Café.