تكافؤات العناصر الكيميائية

مفهوم تكافؤات العناصر الكيميائية

توجد ذرات العناصر المختلفة مرتبة في مدارات، وتسمى عدد الكترونات المدار الأخير بذرات التكافؤ ، هذه الإلكترونات هي السبب في حدوث التفاعلات الكيميائية، إذ تفقد العناصر إلكترونات التكافؤ أو تكسبها أو تشاركها، إلى أن يستقر الغلاف الخارجي، وذلك بامتلائه ب 8 إلكترونات، وهي أقصى سعة للمدار الأخير لاستيعاب الإلكترونات، وهذا ما يسمى بتكافؤ العناصر الكيميائية.

أنواع تكافؤات العناصر

قسّمت أول 3 مجموعات ضمن عناصر الجدول الدوري بناءً على عدد إلكترونات الغلاف الخارجي للعنصر ، أي عدد إلكترونات التكافؤ، وصنفت كما هو موضح أدناه:

العناصر أحادية التكافؤ

تمتاز المجموعة الأولى من تكافؤات العناصر بأنها تحتوي على إلكترون واحد في مدارها الأخير، أي أن قيمة التكافؤ لها تساوي 1، وفيما يلي نأتي على ذكر العناصر أحادية التكافؤ بالترتيب وفق عددها الذري من الأقل إلى الأكثر:

• الهيدروجين (H).
• ليثيوم (Li).
• صوديوم (Na).
• بوتاسيوم (K).
• راديوم (Rb).
• سيزيوم (Cs).
• فرانكيوم (Fr).

العناصر ثنائية التكافؤ

تمتاز المجموعة الثانية من تكافؤات العناصر بأنها تحتوي على إلكترونين في مدارها الأخير، أي أن قيمة التكافؤ لها تساوي 2، وفيما يلي نأتي على ذكر العناصر ثنائية التكافؤ بالترتيب وفق عددها الذري من الأقل إلى الأكثر:

• بيريليوم (Be).
• مغنيسسيوم (Mg).
• كالسيوم (Ca).
• سترانشيوم (Sr).
• باريوم (Ba).
• راديوم (Ra).

العناصر ثلاثية التكافؤ

تمتاز المجموعة الثالثة من تكافؤات العناصر بأنها تحتوي على 3 إلكترونات في مدارها الأخير، أي أن قيمة التكافؤ لها تساوي 3، وفيما يلي نأتي على ذكر العناصر ثنائية التكافؤ بالترتيب وفق عددها الذري من الأقل إلى الأكثر:

• البورون (B).
• الألمنيوم (Al).
• الغاليوم (Ga).
• الإنديوم (In).
• الثاليوم (Ti).

كيفية معرفة تكافؤ العناصر الكيميائية

يُمكن معرفة تكافؤ العناصر الكيميائية من خلال عدّة طرق أهمّها ما يأتي:

الجدول الدوري

يُمكن معرفة تكافؤ العناصر من الجدول الدوري، حيث يُساوي رقم مجموعة العنصر عدد الإلكترونات الموجودة في مداره الأخير أيّ إلكترونات التكافؤ، وذلك للعناصر الرئيسية فقط وهي عناصر المجموعتين الأولى والثانية وعناصر المجموعات من 13-18، أمّا العناصر الانتقالية أيّ عناصر المجموعات من 3-12 فيختلف سلوكها عن بقيّة العناصر فيما يتعلّق بالتكافؤ.

وبشكل عام فإنّ جميع العناصر المُرتّبة في نفس المجموعة يكون لها نفس عدد إلكترونات التكافؤ؛ وهذا يُفسّر تشابه السلوك الكيميائي لعناصر المجموعة الواحدة، أمّا على مستوى صفوف الجدول الدوري فإنّ تكافؤ كلّ عنصر يزيد بمقدار 1 عن تكافؤ العنصر الذي يسبقه وذلك ضمن المجموعتين الأولى والثانية والمجموعات من 13-18.

يوضّح الجدول الآتي تكافؤ عناصر المجموعات الرئيسية في الجدول الدوري:

قاعدة الثمانيات

تنصّ قاعدة الثمانيات (بالإنجليزية: Octet Rule) على أنّ ذرات العناصر يجب أن تحتوي على 8 إلكترونات في مدارها الأخير للوصول إلى حالة الاستقرار؛ وذلك عن طريق اكتسابها، أو فقدانها، أو مشاركتها لإلكترونات التكافؤ، وبالتالي فإنّ الذرات التي يحتوي مدارها الأخير على 1-4 إلكترونات تميل إلى فقد هذه الإلكترونات ويكون التكافؤ عدد إلكترونات المستوى الأخير.

أمّا العناصر التي يحتوي مدارها الأخير على 5-7 إلكترونات فإنّها تميل إلى اكتساب الإلكترونات من الذرّات الأخرى، ويكون التكافؤ ناتج طرح عدد إلكترونات المستوى الأخير من 8.

الصيغ الكيميائية للمركبات

تعتمد طريقة الصيغ الكيميائية للمركبات لمعرفة التكافؤ على قاعدة الثمانيات، حيث يُمكن تحديد التكافؤ للعناصر الانتقالية من خلال مراقبة طريقة تفاعلها مع عناصر معروفة التكافؤ ، فعلى سبيل المثال في مركب كلوريد الصوديوم (NaCl)، فالصوديوم بحاجة لفقد إلكترون واحد والكلور بحاجة لكسب هذا الإلكترون ليستقرّ المدار الخارجي لديهما؛ لذلك يُعطي الصوديوم إلكتروناً للكلور، وبذلك يتحدّد التكافؤ في جميع التفاعلات الأيونية.

تُطبّق طريقة الصيغ الكيميائية على جزيئاتٍ أكثر تعقيداً مع الأخذ بعين الاعتبار أنّ بعض العناصر مثل الحديد، والرصاص، والقصدير، والنحاس، والزئبق وغيرها تمتلك أكثر من قيمة للتكافؤ تبعاً لاختلاف ظروف التفاعل، فعلى سبيل المثال في مركب أكسيد النحاس الأحادي (Cu2O)، فإنّ تكافؤ الأكسجين يُساوي 2 وتكافؤ النحاس يُساوي 1، أمّا تكافؤ النحاس في مركب أكسيد النحاس الثنائي (CuO) فيُساوي 2.

اختلاف قيم تكافؤ العنصر

تُظهر بعض العناصر اختلافاً في قيم التكافؤ، ومن الأمثلة عليها: العناصر الانتقالية الداخلية، والعناصر الرئيسية ذات الأعداد الذرية الكبيرة، والعناصر التي ينتهي توزيعها الإلكتروني بالغلاف (p)، وقد قدَّم العلماء تفسيرين يوضّحان ذلك وهما كالآتي:

ظاهرة تأثير الزوج الخامل

يظهر تأثير هذه الظاهرة على عناصر المجموعة 13، حيث تمتلك عادةً عدد تأكسد يُساوي 3 ، ولكن بالانتقال إلى أسفل المجموعة فإنّ العناصر تمتلك عدد تأكسد يُساوي 1 ، وكذلك الحال بالنسبة لعناصر المجموعة 14 التي تمتلك عدد تأكسد يُساوي 4 .

وبالانتقال إلى أسفل المجموعة تُظهر العناصر عدد تأكسد يُساوي 2 ، ويُفسَّر ذلك على أنّ زوج الإلكترونات الموجود في غلاف التكافؤ (s) يميل إلى البقاء منفرداً دون الدخول في التفاعلات الكيميائية وتكوين الروابط، وبذلك فإنّ الإلكترونات الموجودة في غلاف التكافؤ (p) هي التي تُشارك فقط في التفاعل وبذلك يقل عدد التأكسد.

الاختلافات في الطاقة بين المدارات

يُضاف إلكترون التكافؤ في ذرات العناصر الانتقالية الرئيسة (بالإنجليزية: Transition elements) إلى أفلاك المستوى (d) دون أن يملأها، وبالتالي فإنّ الإلكترونات الموجودة في المستوى (s) والإلكترونات الموجودة في المستوى (d) يُمكن أن تُشارك في التفاعل؛ وذلك لأنّ الغلاف (s) هو غلاف التكافؤ لكن طاقة الغلاف (d) أعلى من طاقة الغلاف (s).

أمّا في العناصر الانتقالية الداخلية (بالإنجليزية: Inner transition elements) فيُضاف إلكترون التكافؤ في ذرات عناصرها إلى أفلاك المستوى (f) دون أن يملأها كذلك، وبالتالي تُشارك إلكترونات المستوى (s) وإلكترونات المستوى (f) في التفاعلات الكيميائية والروابط كيميائية.

أهمية معرفة تكافؤ العناصر الكيميائية

يُعتبر مصطلح التكافؤ من المصطلحات المهمّة في الكيمياء، حيث يترتّب عليه عدّة استخدامات كيميائية كالآتي:

• تحديد الصيغة الكيميائية للمركبات المتخلفة.
• تحديد عدد الذرات الداخلة في التفاعل لتكوين الروابط الكيميائية.
• تحديد سلوك الذرات فيما إذا كانت تميل إلى فقد الإلكترونات أو اكتسابها، وبالتالي تحديد طريقة تفاعلاها مع الذرات الأخرى.

الفرق بين تكافؤ العناصر الكيميائية وعدد التأكسد

يرتبط مفهوم عدد التأكسد مع تكافؤ العنصر بشكل رئيسي بإلكترونات التكافؤ للذرة، ولكن الفرق الرئيسي بينهما هو أنّ مصطلح التكافؤ يُعبّر عن الحدّ الأقصى لعدد الإلكترونات التي يُمكن أن تفقدها الذرة أو تكتسبها أو تشاركها حتّى تصل إلى حالة الاستقرار، أمّا عدد التأكسد فيُعبّر عن عدد الإلكترونات التي تكتسبها لاذرة أو تفقدها لتكوين رابطة مع ذرة أخرى، ويُشار إلى إمكانية استخدام مصطلح التكافؤ لأيّ عنصر كيميائي أمّا عدد التأكسد فإنّه يختص بالمعقدات التناسقية (بالإنجليزية: Coordination complexes).

الخلاصة

هذا المقال بمثابة شرح درس كيمياء للثانوي، بداية يُعرف مفهوم تكافؤ العناصر وهي العملية التي تفقد أو تكسب او تشارك فيها العناصر ذرات المدار الأخير للوصول إلى حالة الاستقرار، ويختلف مقدار التكافؤ ونوعه باختلاف عدد ذرات المدار الأخير، وقد صنف العلماء على أساس ذرات التكافؤ المجموعة الأولى والثانية والثالثة في الجدول الدوري إلى عناصر أحادية وثنائية وثلاثية التكافؤ.

كما يمكن معرفة قيمة التكافؤ للعناصر عن طريق الجدول الدوري وقاعدة الثمانية، بالإضافة إلى الصيغ الكيميائية للمركبات، وقد يوجد أكثر من قيمة تكافؤ للعنصر نفسه، نظرًا لاختلاف طاقة المدارات وظاهرة تأثير الزوج الخامل، أما عن أهمية معرفة قيمة التكافؤ تكمن في تحديد الصيغ الكيمائية للمركبات وميل الذرات للكسب أو الفقد او المشاركة.