ما هو التكافؤ الكيميائي؟ وكيف يمكن معرفة قيمته للعنصر؟

ماذا يقصد بالتكافؤ في علم الكيمياء؟

يمكن تعريف التكافؤ (بالإنجليزية: Valency)؛ بأنه تفاعل ذرة العنصر مع الذرات الأخرى عن طريق فقد الإلكترونات أو كسبها أو مشاركتها؛ للوصول إلى حالة استقرار تشبه استقرار الغازات النبيلة من حيث عدد الإلكترونات الموجودة في المدار الخارجي الأخير للذرة، وهذا التغيّر في عدد الإلكترونات يختصّ بالمدار الأخير فقط لأنّه المدار الأبعد وبالتالي تكون إلكتروناته أقلّ ارتباطًا بالنواة وبذلك تسهل حركتها، فتتخلّص الذرة من الإلكترونات الزائدة أو تقبل عددًا منها حسب الأسهل، كما يمكنها مشاركة إلكترونات التكافؤ مع الذرات الأخرى.^[١]

كيف يُحدد تكافؤ العناصر الكيميائية؟

يوجد العديد من الطرق التي يمكن من خلالها تحديد نقطة التكافؤ للعناصر، كما تتنوّع الطرق المستخدمة في حساب تكافؤ العناصر الكيميائية، وفيما يأتي شرح لطريقة إيجاد التكافؤ:

من خلال الجدول الدوري

يمكن حساب تكافؤ العناصر من خلال معرفة مواقعها وتحديدًا العمود الذي تنتمي إليه في الجدول الدوري؛ فتكون العناصر في العمود الواحد تحمل قيمة التكافؤ ذاته، ويمكن عمل جدول التكافؤ الخاص بالعناصر لسهولة تمييزها،^[٢] ومن الأمثلة على ذلك ما يأتي:

• عناصر العمود الأول من الجدول الدوري إذ إن قيمة تكافؤ الصوديوم (Na) وتكافؤ الليثيوم (Li) تساوي (1) أي أنها تميل إلى فقد إلكترون واحد.^[٢]
• عناصر العمود الثاني من الجدول الدوري مثل؛ المغنيسيوم (Mg)، تحمل تكافؤ مقداره (2) في الغالب.^[٣]
• عناصر العمود الثالث عشر من الجدول الدوري مثل؛ الألمنيوم (Al)، تحمل تكافؤًا مقداره (3) عادةً.^[٣]
• عناصر العمود السابع عشر مثل؛ الكلور (Cl) والفلور (F)، تحمل جميعها تكافؤًا مقداره (-1)، أي أنّها تميل إلى كسب إلكترون واحد.^[٢]
• عناصر العمود الثامن عشر والمعروفة بالغازات النبيلة تحمل جميعها تكافؤ مقداره (0)، لا تميل للفقد أو الكسب فهي مستقرّة.^[٢]

ملاحظة: تُستثنى العناصر الانتقالية من هذه الطريقة، والتي تقع في العمود الثالث إلى العمود العاشر، فعلى سبيل المثال؛ قيمة تكافؤ النحاس والذهب والحديد تحتوي على أغلفة نشطة متعددة، وبالتالي قد يظهر لها أكثر من قيمة تكافؤ.^[٢]

حسب قاعدة الثمانيات

قاعدة الثمانيات (بالإنجليزية: Octet rule)، هي القاعدة التي تركّز على أن يمتلك العنصر 8 إلكترونات في مداره الأخير؛ ليصبح مستقرًّا، وذلك عن طريق فقد عدد من الإلكترونات أو كسبها،^[٤] ويتم تحديدها حسب سهولة العملية:^[٢]

• إذا كان عدد الإلكترونات في المدار الأخير بين (1-4)، تميل الذرة إلى فقد الإلكترونات حيث أنّ الفقد أسهل في هذه الحالة، ويكون بذلك تكافؤ الذرة موجبًا.
• إذا كان عدد الإلكترونات في المدار الأخير بين (4-7)، تميل الذرة إلى كسب الإلكترونات وهو الأسهل، ويكون تكافؤ الذرة سالبًا وقيمته تساوي (8- عدد إلكترونات المدار الأخير).
• إذا كان عدد الإلكترونات في المدار الأخير يعادل 8، يكون العنصر من الغازات النبيلة، ما عدا عنصر الهيليوم.

من خلال صيغ المركبات الكيميائية

الصيغة الكيميائية للمركّبات بشكل عام تتشكّل عن طريق تبادل تكافؤات العناصر الكيميائية، فمثلًا مركّب الأمونيا (NH3)، يتكوّن من ذرّة نيتروجين واحدة وثلاث ذرات هيدروجين، ممّا يعني أنّ النيتروجين احتاج لثلاث إلكترونات ليشكّل مركب الأمونيا المستقر، فيكون بهذا تكافؤه (3)، أمّا الهيدروجين فكلّ ذرة من ذراته ارتبطت بذرة نيتروجين واحدة مما يعني أنّ كل منها احتاج للارتباط بإلكترون واحد فقط ليستقرّ وبهذا يكون تكافؤ الهيدروجين (1).^[٢]

لماذا تختلف قيم تكافؤ العناصر الكيميائية؟

بعض العناصر الكيميائية قد تحمل قيمًا مختلفة للتكافؤ تِبعًا لظروف التفاعل الكيميائي، فيما يأتي شرح سبب اختلاف هذه القيم بالتفصيل:

تأثير الزوج الخامل

يظهر تأثير الزوج الخامل في المجموعة (III A) وهي المجموعة رقم 13 في الجدول الدوري، حيث تمتلك العناصر العليا من هذه المجموعة رقم تأكسد (+3)، بينما يصبح هذا الرقم (+1) للعناصر السفلى، وكذلك الأمر بالنسبة للمجموعة (IV A) وهي المجموعة رقم 14، حيث تمتلك عناصرها العليا رقم تأكسد (+4)، بينما تمتلك السفلى منها رقم تأكسد (+2)، والسبب الأساسي وراء الفرق في الحالتين هو ميل الإلكترونات الموجودة في غلاف التكافؤ (s)، وعددها 2، إلى الخمول وعدم المشاركة في التفاعل، بينما تشارك الإلكترونات الموجودة في الغلاف (p)، مما يقلل من قيمة التكافؤ بمقدار 2 بسبب زوج الإلكترونات الخاملة.^[٥]

اختلافات الطاقة بين المدارات

عند الأكسدة في تفاعلات العناصر الانتقالية يمكن أن يتم مشاركة الإلكترونات الموجودة في المدار (d) غير المكتمل والإلكترونات الموجودة في المستوى (s) فتظهر بذلك قيم مختلفة للتكافؤ، وكذلك بالنسبة للعناصر الانتقالية الداخلية فإن تشكيل الروابط والتفاعل يمكن أن يتم من خلال مشاركة الإلكترونات الموجودة في المدار (f) غير المكتمل والإلكترونات الموجودة في المستوى (s).^[٥]

ماذا يقصد بـ وحيد التكافؤ؟

العنصر وحيد التكافؤ (بالإنجليزية: Monovalent element)، يعني أنّ تكافؤ العنصر هو (1)، أي أنّ العنصر يميل لكسب أو فقد إلكترون واحد للوصول إلى حالة الاستقرار وبذلك يمكنه تشكيل رابطة واحدة عند التفاعل، وتكون أغلب عناصر المجموعة الأولى من هذا النوع، فمثلًا تشكّل معظم اللافلزات الرابطة التساهمية الأحادية عند تفاعلها، وتُشكّل أغلب الفلزات الرابطة الأيونية الأحادية.^[٦]

ماذا يقصد بـ ثنائي التكافؤ؟

العنصر ثنائي التكافؤ (بالإنجليزية: Divalent element)، يعني أنّ تكافؤ العنصر هو (2)، مما يدلّ على أنّ العنصر يميل لكسب أو فقد إلكترونين للوصول إلى حالة الاستقرار وبذلك يمكنه تشكيل رابطتين عند التفاعل وتكون أغلب عناصر المجموعة الثانية من هذا النوع، مثل تكوين رابطتين تساهميّتين بين ذرّة العنصر ثنائي التكافؤ وذرّتين مختلفتين، أو تكوين رابطة واحدة ثنائية مع ذرة واحدة فقط.^[٦]

ماذا يقصد بـ تكافؤ العناصر بالنسبة للهيدروجين؟

يمكن تعريف تكافؤ العنصر بأنه عدد ذرات عنصر الهيدروجين التي يتم فقدها أو كسبها أو مشاركتها مع العناصر الأخرى، على سبيل المثال؛ عنصر الأكسجين يمتلك في مداره الأخير 6 إلكترونات إلا أنّ تكافأه (2) وهو عدد الإلكترونات التي يحتاجها للاستقرار،^[٧] وبهذا يمكن القول بأنّ التكافؤ بالنسبة للهيدروجين يعادل إلكترونات التكافؤ للمجموعات الأربعة الأولى التي تميل لفقد الإلكترونات وبذلك يزداد تدريجيًا في هذه المجموعات، ثمّ يصبح مساويًا لـ (8- إلكترونات التكافؤ) للمجموعات الخامسة والسادسة والسابعة التي تميل لكسب الإلكترونات وبذلك يقل تدريجيًا بالنسبة للمجموعات الأخيرة السابقة.^[٨]

لماذا يجب معرفة قيم تكافؤ العناصر؟

معرفة تكافؤ العنصر له فوائد عدّة ومنها:^[٢]

• يمكن من خلاله معرفة الصيغة الكيميائية (بالإنجليزية: Chemical formula) للمركبّات، فمثلًا بالاعتماد على التكافؤ تمّ التوصّل إلى صيغة (H2O) الخاصة بالماء.
• من خلال التكافؤ يمكن معرفة عدد الذرات اللازم مشاركتها من كل عنصر في عملية بناء المركبات الكيميائية، فمثلًا يمكن معرفة عدد ذرات كل من الهيدروجين والنيتروجين اللازمة لتكوين الأمونيا (NH3).

الخلاصة

يعرف التكافؤ بأنه تفاعل ذرة العنصر مع الذرات الأخرى عن طريق فقد الإلكترونات أو كسبها أو مشاركتها؛ للوصول إلى حالة استقرار، ويختص هذا التغير بعدد الإلكترونات الموجودة في المدار الأخير لذرة العنصر فقط، ويمكن تحديد تكافؤ العناصر الكيميائية من خلال الجدول الدوري أو باستخدام قاعدة الثمانيات، بالإضافة إلى صيغ المركبات الكيميائية، ويوجد العديد من العوامل التي تتحكم باختلاف قيم التكافؤ للعناصر المختلفة؛ كتأثير الزوج الخامل، واختلاف الطاقة بين المدارات، وتفيد معرفة قيمة التكافؤ للعناصر في معرفة الصيغ الكيميائية وعدد الذرات اللازم مشاركتها من كل عنصر لبناء المركبات الكيميائية.

المراجع

1. ↑ David Stewart (23/04/2018), "What Is Variable Valency?", sciencing, Retrieved 11/06/2021. Edited.
2. ^ ^{أ ب ت ث ج ح خ د} "Valency", toppr, Retrieved 11/06/2021. Edited.
3. ^ ^{أ ب} Anne Marie Helmenstine (24/01/2019), "Valence Definition in Chemistry", thoughtco, Retrieved 11/06/2021. Edited.
4. ↑ "How to find valency?", byjus, Retrieved 11/06/2021. Edited.
5. ^ ^{أ ب} "Variable Valency", byjus, Retrieved 11/06/2021. Edited.
6. ^ ^{أ ب} Madhu (15/09/2020), "Difference Between Monovalent and Divalent", differencebetween, Retrieved 11/06/2021. Edited.
7. ↑ "What Is Valency?", byjus, Retrieved 11/06/2021. Edited.
8. ↑ "The valency of elements in the periodic table in respect of hydrogen :", toppr, Retrieved 11/06/2021. Edited.