استخدامات في التعليم

مثال (١): تدرُّج خواصِّ العناصر

تدرُّج خواصِّ بعض الذرات في الجدول الدوري (انظر ملحق (٧)) وبعض الجزيئات الكيميائية مثل الأحماض، على سبيل المثال لا الحصر، يُمكن رؤيته في شكلِ صورٍ مرئية؛ ممَّا يعمِّق من المفهوم فتظلُّ الصورة عالقةً في الأذهان؛ لأن غالبية الطلاب يَمتلكون ذاكرة فوتوغرافية ممتازة.

شكل ٢-١: تدرُّج السالبية الكهربية من يسار إلى يمين الجدول الدوري في الدورة الأولى، وتدرُّج الحجم من أعلى إلى أسفل المجموعة الأولى والمجموعة السابعة.

الليثيوم هو العنصر رقم ٣ في الجدول الدوري للعناصر، وله إيجابية كهربية مرتفعة جدًّا؛ نظرًا لسهولة فقْدِه للإلكترون الخارجي؛ ومن ثَمَّ فالليثيوم لا يوجد إلا وهو يحمل شحنةً موجبة وهو ما يعكسه شكلُ سطحِ خريطة توزيع الكثافة الإلكترونية طبقًا للجهد الإلكتروستاتيكي (التوزيع الإلكتروني المغطَّى باللون الأزرق)، بينما يَحمل الهيدروجين في هذه الحالة — خاصةً مع عناصر المجموعة الأولي أ — شحنة إلكترونية سالبة، فيصبح لونُ السطح أحمرَ دليلًا على ذلك. وبالانتقال إلى يمين الجدول الدوري مرورًا بالكربون ووصولًا إلى الفلورين، تنعكس صورةُ الألوان بالتدريج كما تُوضِّحه الألوان؛ فالفلورين يحمل الشحنةَ السالبة، ومن ثَمَّ يكون السطح المحيط به ذا لونٍ أحمرَ عكس الليثيوم.

وإذا ما قارَنَّا بين عناصر نفس المجموعة، كما في حالة انتقالنا أسفلَ عناصر المجموعة الأولى أ، أو المجموعة السابعة أ، على سبيل المثال، فسنرى تأثيرَ الزيادة في حجم العنصر على اللون. والرابطة هنا أيونية، ويعكس ذلك شدةَ اللونَيْن الأحمر والأزرق.

مثال (٢): التغيُّر في حجم الذرات والسالبية الكهربية

مثال (٣): الأحماض الكيميائية

شكل ٢-٢: لاحِظ التدرُّج في لون البروتون من الأكثر زرقةً في حالة حمض النيتريك، مرورًا بحمض الخليك، وصولًا إلى الكحول الإثيلي الأضعف حامضيةً. القِيَم العددية هي قِيَم الطاقة بالكيلوجول، وهي قِيَم موجبة دالَّة على الشحنة الموجبة ومُعبِّرة عن قوة الحامض كميًّا.

مثال (٤): طاقات الجزيئات وتوتومراتها (Tautomers) وحالاتها الانتقالية

التوتومر هو كل أيزومر واحد من اثنين أو أكثر من أيزومرات المركب التي توجد معًا في حالة توازن، ويتمُّ تبادُل أشكالها بسهولةٍ عن طريقِ هجرةِ أو انتقالِ ذرة أو مجموعة داخل نفس الجزيء.

شكل ٢-٣: توتومرات السيتوزين.

وهذه النوعية من الحسابات تُخبرنا أيٌّ من التوتومرات (الأيزومر) هو المفضَّل من حيث الطاقة وهو في حالة الاتزان مع عددٍ آخَر من توتومرات المركب الكيميائي. وكذلك فنحن نحسب الحالة الانتقالية وطاقات المُتفاعلات، ومدى سرعة سير التفاعُل. والمثال التالي سيُوضِّح بعضَ هذه المفاهيم.

شكل ٢-٤: واجهة برنامج سبارتان.

شكل ٢-٥: توتومرات اليوريدين المحتملة.

مثال (٥): انتقال البروتون: اتزان بين الشكلَيْن كيتو وإينول

شكل ٢-٦: انتقال البروتون مرورًا بالحالة الانتقالية وهي الأقل استقرارًا، وصولًا إلى البيريدون الأكثر استقرارًا من ٢-هيدروكسي بيريدين.

وهنا يجدر بنا الإشارة إلى أهمية اعتبار الوسط واختيار المذيب المناسب، مع ملاحظة أثر المذيب على الاتزان، فهو مهم جدًّا. وفي حُزَم البرامج الحاسوبية كلها تم تكوين قاعدة بيانات خاصة بخواصِّ المذيب وقطبيَّتِه (مذيب قطبي قوي كالماء، أو مذيب غير قطبي مثل السيكلوهكسان).

ولدراسة انتقال البروتون في الحالة المثارة (التي من الممكن الوصول إليها بامتصاص الضوء المناسب «باستخدام مصادر الضوء المتوافِرة، على سبيل المثال: الدايود الباعث لأطوال موجات مختلفة») نستخدم الآتي:

وبذلك نستطيع معرفة سهولة أو صعوبة انتقال البروتون في الحالة المثارة مقارَنةً بالحالة العادية (التي تُسمَّى بالحالة الأرضية).

شكل ٢-٧: مقارَنة بين منحنيات طاقة الجهد لانتقال البروتون المحسوبة في الحالة الأرضية (بالأعلى)، والحالة المثارة (بالأسفل).

مثال (٦): نزع الهيدروجين من الميثان بواسطة شق الهيدروكسيل

برنامج أوركا بسيط جدًّا كما هو موضَّح قرين الأسطر. وقد استخدمنا في هذه الحالة الإحداثيات الداخلية، وهي مسافة روابط، وزوايا، وزوايا بين الأسطح.

شكل ٢-٨: يُبين منحنى طاقة الجهد لنزع هيدروجين من جزيء الميثان بواسطة شق الهيدروكسيل، مرورًا بالحالة الانتقالية الأقل استقرارًا.

مثال (٧): تفتيت فورمات الإيثيل إلى إيثلين وحمض فورميك

يُعَد هذا مثالًا على تكسير روابط وتكوين روابط أخرى للحصول على الإيثلين وحمض الفورميك. وهي بداية أولية لفهم تفتيت الجزيئات غير المرغوب فيها أو الجزيئات الكيميائية الضارة بالبيئة، التي تُعَد ملوِّثات للبيئة.

والملفُّ اللازم لإجراء هذه الحسابات ببرنامج جاوسيان ١٦ واضحٌ وبسيط:

شكل ٢-٩: تُظهِر الصورة ١ شكلَ الجزيء ووجود رابطة هيدروجينية كما هو واضح بالخط المنقَّط. ثم تقلُّ المسافة كما في الصورة ٢ لتتكوَّن رابطتان بين الهيدروجين وكلٍّ من ذرتَي الأكسجين والكربون وهما غير مستقرَّتين، ومنها نصل إلى الصورة ٣ وهي الحالة الانتقالية الأعلى طاقةً، وأخيرًا ينشطر الجزيء إلى جزيئَيْن، هما الإيثلين وحمض الفورميك كما في الصورة ٤ لتُصبحَ المكوِّنات أقل استقرارًا.

مثال (٨): تفاعلات الإحلال أو الاستبدال بالميكانيكية الخلفية

شكل ٢-١٠: تغيُّر الطاقة النسبية باقتراب أيون الكلوريد من بروميد الميثان (المسافة بالأنجستروم بين الكربون والكلوريد). لاحِظْ أن كلوريد الميثان أكثر استقرارًا من بروميد الميثان طبقًا لهذا المخطَّط. وكلما اقترب أيون الكلوريد من بروميد الميثان، نقصت الشحنة السالبة على أيون الكلوريد لتقترب من ثلاثة أعشار الشحنة السالبة الكاملة عند إحلاله محلَّ البروميد.

باستخدام برنامج مشابه للمثال السابق نستطيع التعرف على إحلال أيون محلَّ أيون آخَر في الجزيء، والمثال المشهور في الكتب الدراسية هو إحلال الكلوريد محلَّ البروميد في جزيء بروميد الميثان بالميكانيكية المشهورة بالمهاجَمة من الخلف مع قلب الشكل الهرمي لشق الميثان. حيث يقترب أيون الكلوريد من جزيء بروميد الميثان، فيُطرَد أيون البروميد ويتكون كلوريد الميثان. يحدث انقلاب في شكل شق الميثيل حيث يكوِّن المثلثُ الوهمي — الذي تُشغَل رءوسُه بثلاث ذرات من الهيدروجين — شكلًا هرميًّا منقلبًا إلى الاتجاه المعاكس، وذلك مرورًا بحالة انتقالية يكون فيها شق الميثيل مستويًا.

مثال (٩): تفاعلات الإضافة

مثال (١٠): الأزمرة الهندسية (سيس – ترانس) Geometric Isomerism

شكل ٢-١١: يوضِّح التغيُّر في الشحنات على كلٍّ من ذرتَي النيتروجين والبورون والطاقة النسبية لاقترابِ كلٍّ من الجزيئَيْن أحدهما من الآخر لتكوين المركب الثنائي، وأثر ذلك على خريطة الجهد الإلكتروستاتيكي حيث ينتهي إلى الشكل يمين أعلى الصورة، وفيه جزيء هيدريد البورون وقد ازداد سطح جهده الإلكتروستاتيكي احمرارًا؛ دليلًا على اكتسابه إلكترونات من الأمونيا التي تزداد زُرْقةً.

شكل ٢-١٢: تمركُز الهومو يتغيَّر موقعه من على الأمونيا (1) المُعطاة للإلكترونات إلى ثلاثي هيدريد البورون بعد تكوين مركب الإضافة (4)، مرورًا بالخطوتَين (2) و(3).

شكل ٢-١٣: (1) يتمركزُ أوربيتال اللومو الفارغ على ذرة البورون قبل الالتحام. (2) بينما يتمركز اللومو على جزيء الأمونيا بعد أن تكوَّنَ المركب الثنائي بين الأمونيا وهيدريد البورون.

شكل ٢-١٤: مركب ١، ٢-ثنائي كلورو إيثان. زاوية الالتواء مُثِّلت بالسهم الملتوي حول الرابطة الثنائية التي تربط بين ذرتَي الكربون (ب) و(ﺟ).

شكل ٢-١٥: مُثِّلت المستويات وظُلِّلت باللون الأزرق، والزاوية بين المستوى «أ ب ﺟ» وبين المستوى «ب ﺟ د» مقدارها ١٨٠ درجة في حالة الأيزومر الهندسي ترانس. وذرتا الكلور متقابلتان في اتجاهَيْن معاكسَيْن.

شكل ٢-١٦: يبيِّن الأيزومر سيس وفيه ذرتا الكلور أصبحتَا في نفس الجهة، والزاوية بين المستويَيْن أصبحت تساوي ٠ درجة.

شكل ٢-١٧: أثر تغيير الزاوية بين المستويات على الطاقة النسبية لكلٍّ من أيزومرات ترانس وسيس، وكذلك على طول الرابطة بين ذرتَي الكربون، التي تعاني من التواء يبدأ من ١٨٠ درجة (الأيزومر ترانس) إلى ٠ درجة (في حالة السيس أيزومر)، مرورًا بالحالة الانتقالية عند حوالي ٦٥ درجة، وهي الأقل استقرارًا.

شكل ٢-١٨: صورة الجزيء وهو في الحالة الانتقالية (بين الترانس والسيس)، وهي الأقل طاقةً؛ أي الأقل استقرارًا.

شكل ٢-١٩: أوربيتالات المواجهة وخرائط الوضع الإلكتروستاتيكية لكلٍّ من الترانس والسيس وبينهما الحالة الانتقالية.

ماذا أيضًا تستطيع الحسابات توضيحه لنا لنستوعب بالصورة ماذا يحدث بالدوران حول الرابطة بين ذرتَي الكربون في هذا الجزيء؟

لقد أجرينا هذه الحسابات باستخدام برنامج سبارتان ١٨ النسخة ١٫٤. قمنا بإجراء حسابات البروفايل لكلِّ شكلٍ عند الزوايا المحدَّدة بين ١٨٠ درجة إلى ٠ درجة على ١٠ خطوات. استخدمنا الدالية والفئة الأساسية:

سنستمر في تقديم المزيد من الأمثلة التعليمية في الفصول التالية.

الخلاصة