قاعدة الـ 18 إلكترون (18-Electron Rule)

أساسيات قاعدة الـ 18 إلكترون

تعتبر قاعدة الـ 18 إلكترون امتدادًا لقاعدة الثماني (Octet Rule) المعروفة في الكيمياء العضوية، والتي تنص على أن الذرات تسعى لتحقيق 8 إلكترونات في غلافها التكافؤ. في حالة الفلزات الانتقالية، نظرًا لوجود المدارات d الإضافية، يمكن لذراتها استيعاب عدد أكبر من الإلكترونات، يصل إلى 18 إلكترونًا. هذا العدد يشمل الإلكترونات الموجودة في المدارات s و p و d للذرة المركزية.

لفهم هذه القاعدة بشكل أفضل، من الضروري معرفة بعض المصطلحات الأساسية:

الذرة المركزية: هي ذرة الفلز الانتقالي في المركب.
الليجندات (Ligands): هي الذرات أو المجموعات الذرية التي ترتبط بالذرة المركزية.
عدد الإلكترونات: هو مجموع الإلكترونات التي تمتلكها الذرة المركزية والإلكترونات التي تساهم بها الليجندات.

حساب عدد الإلكترونات

لحساب عدد الإلكترونات الكلي في مركب فلزي انتقالي، يتم اتباع الخطوات التالية:

تحديد عدد الإلكترونات التي تساهم بها الذرة المركزية: يعتمد هذا على المجموعة التي يقع فيها الفلز الانتقالي في الجدول الدوري. على سبيل المثال، يمتلك الحديد (Fe) 8 إلكترونات تكافؤ.
تحديد عدد الإلكترونات التي تساهم بها الليجندات: تعتمد هذه القيمة على نوع الليجند. الليجندات أحادية السن (مثل الكلوريد) تساهم بإلكترونين، بينما الليجندات ثنائية السن (مثل أول أكسيد الكربون، CO) تساهم بإلكترونين أيضًا، والليجندات ثلاثية السن تساهم بستة إلكترونات، وهكذا.
تحديد الشحنة الكلية للمركب: إذا كان المركب أيونًا، يتم إضافة أو طرح عدد الإلكترونات بناءً على الشحنة. على سبيل المثال، إذا كان الأيون موجبًا، يتم طرح عدد الإلكترونات من عدد الإلكترونات الكلي، وإذا كان الأيون سالبًا، يتم إضافة عدد الإلكترونات.
جمع كل هذه القيم: مجموع الإلكترونات من الذرة المركزية، والليجندات، والشحنة الكلية يعطينا عدد الإلكترونات الكلي للمركب.

على سبيل المثال، لنأخذ مركب [Fe(CO)₅].

الحديد (Fe) يساهم بـ 8 إلكترونات.
كل ليجند من CO يساهم بإلكترونين، وهناك 5 ليجندات، إذن يساهمون بـ 10 إلكترونات (5 x 2).
الشحنة الكلية للمركب هي صفر.
إذن، عدد الإلكترونات الكلي = 8 + 10 + 0 = 18 إلكترونًا.

وبما أن عدد الإلكترونات الكلي هو 18، فإن هذا المركب مستقر ويتوافق مع قاعدة الـ 18 إلكترون.

أمثلة على تطبيق قاعدة الـ 18 إلكترون

تُستخدم قاعدة الـ 18 إلكترون على نطاق واسع للتنبؤ ببنية واستقرار المركبات الفلزية الانتقالية. فيما يلي بعض الأمثلة:

مركبات الكربونيل الفلزية: مثل [Ni(CO)₄] و [Fe(CO)₅] و [Cr(CO)₆]. جميع هذه المركبات مستقرة وتتبع قاعدة الـ 18 إلكترون.
المركبات المعدنية العضوية: مثل الفيروسين (Ferrocene) [Fe(C₅H₅)₂]. في هذا المركب، يساهم كل ليجند من cyclopentadienyl (C₅H₅) بستة إلكترونات، والحديد يساهم بـ 8 إلكترونات، مما يعطينا إجمالي 18 إلكترونًا.
مركبات التنسيق: العديد من مركبات التنسيق، مثل [Co(NH₃)₆]³⁺، تتبع أيضًا هذه القاعدة.

الاستثناءات من قاعدة الـ 18 إلكترون

على الرغم من فائدتها، هناك بعض الاستثناءات من قاعدة الـ 18 إلكترون. بعض المركبات لا تتبع هذه القاعدة بشكل صارم، وذلك لعدة أسباب:

العوائق الفراغية: قد تمنع الليجندات الكبيرة عددًا إضافيًا من الليجندات من الارتباط بالذرة المركزية، مما يؤدي إلى عدد إلكترونات أقل من 18.
العوامل الإلكترونية: قد تؤثر الخواص الإلكترونية لليجندات على عدد الإلكترونات.
المركبات ذات الأعداد التأكسدية العالية: في بعض الحالات، قد تفضل الفلزات الانتقالية ذات الأعداد التأكسدية العالية الحصول على عدد أقل من 18 إلكترونًا.
بعض الفلزات الانتقالية الثقيلة: قد تُظهر بعض الفلزات الانتقالية الثقيلة سلوكًا مختلفًا بسبب تأثيرات نسبية.

تشمل الأمثلة على المركبات التي لا تتبع القاعدة: مركبات معقدة ذات ذرات كبيرة، مثل بعض مركبات الذهب والبلاتين؛ ومركبات ذات ليجندات كبيرة تسبب ازدحامًا فراغيًا. بعض المركبات التي تحتوي على فلزات في حالات أكسدة عالية، مثل بعض أكاسيد المعادن الانتقالية، قد يكون لها عدد إلكترونات أقل من 18.

أهمية قاعدة الـ 18 إلكترون في الكيمياء

تلعب قاعدة الـ 18 إلكترون دورًا حيويًا في الكيمياء، خاصةً في المجالات التالية:

التنبؤ بالبنية: تساعد في التنبؤ ببنية المركبات الفلزية الانتقالية، بما في ذلك عدد الليجندات التي يمكن أن ترتبط بالذرة المركزية.
فهم التفاعلية: تساعد في فهم تفاعلية هذه المركبات، بما في ذلك تفاعلات الإضافة، والإحلال، والأكسدة والاختزال.
تصميم المحفزات: تعتبر أداة مهمة في تصميم المحفزات المتجانسة، حيث يمكن استخدامها لتحسين كفاءة المحفزات وانتقائيتها.
تطبيقات في الصناعة: تستخدم في تطوير العديد من العمليات الصناعية، مثل إنتاج البوليمرات، والأدوية، والمواد الكيميائية الدقيقة.

مقارنة بين قاعدة الـ 18 إلكترون والقواعد الأخرى

من المهم أن ندرك أن قاعدة الـ 18 إلكترون ليست القاعدة الوحيدة التي تحكم سلوك المركبات الكيميائية. غالبًا ما يتم مقارنتها بقاعدة الثماني، ولكن هناك بعض الاختلافات الرئيسية:

نطاق التطبيق: قاعدة الثماني تنطبق بشكل أساسي على المركبات العضوية والمركبات غير العضوية الخفيفة. قاعدة الـ 18 إلكترون تركز على المركبات الفلزية الانتقالية.
عدد الإلكترونات: تسعى قاعدة الثماني إلى تحقيق 8 إلكترونات في الغلاف الخارجي. تسعى قاعدة الـ 18 إلكترون إلى تحقيق 18 إلكترونًا، بما في ذلك الإلكترونات في المدارات d.
التفاصيل: قاعدة الثماني أسهل في التطبيق، بينما تتطلب قاعدة الـ 18 إلكترون فهمًا أعمق للروابط الفلزية الليجاندية والتركيب الإلكتروني.

هناك أيضًا قواعد أخرى مثل قاعدة 16 إلكترون، والتي تنطبق على بعض المركبات المربعة المستوية، وتساعد في فهم سلوكها. القاعدة الأخرى ذات الصلة هي قاعدة لويس، التي تصف سلوكيات التفاعل الحمضي القاعدي.

تحديات استخدام قاعدة الـ 18 إلكترون

على الرغم من فائدتها، هناك بعض التحديات في استخدام قاعدة الـ 18 إلكترون:

عدم دقتها المطلقة: ليست كل المركبات الفلزية الانتقالية تتبع القاعدة بشكل دقيق.
الحسابات المعقدة: يتطلب حساب عدد الإلكترونات معرفة جيدة بالتركيب الإلكتروني لليجندات والذرات المركزية.
القيود على التنبؤ: لا يمكن للقاعدة أن تتنبأ بدقة بجميع جوانب سلوك المركبات، مثل معدلات التفاعل أو سلوكيات الطور.

للتغلب على هذه التحديات، غالبًا ما يستخدم الكيميائيون أدوات إضافية، مثل النمذجة الحسابية وتقنيات القياس الطيفي، لفهم سلوك المركبات الفلزية الانتقالية بشكل أفضل.

التطورات الحديثة في كيمياء الفلزات الانتقالية

شهدت كيمياء الفلزات الانتقالية تطورات كبيرة في السنوات الأخيرة، بما في ذلك:

تطوير محفزات جديدة: تم تصميم محفزات أكثر كفاءة وانتقائية لتطبيقات مختلفة، مثل التوليف العضوي وتصنيع البوليمرات.
دراسة المركبات المعقدة: زيادة الاهتمام بدراسة المركبات ذات البنى المعقدة والمتفاعلة.
التركيب الإلكتروني والربط: تحسين فهمنا للتركيب الإلكتروني والربط في المركبات الفلزية الانتقالية، باستخدام تقنيات مثل القياس الطيفي وعلوم الكمبيوتر.
التطبيقات في علم المواد: استخدام مركبات الفلزات الانتقالية في تطوير مواد جديدة، مثل المواد الموصلة والمغناطيسية.

خاتمة

بشكل عام، تُعد قاعدة الـ 18 إلكترون أداة أساسية في الكيمياء اللاعضوية، خاصةً في دراسة المركبات الفلزية الانتقالية. فهي توفر إطارًا مفيدًا للتنبؤ ببنية واستقرار هذه المركبات، وفهم تفاعلاتها. على الرغم من وجود بعض الاستثناءات والقيود، تظل القاعدة ذات قيمة كبيرة في فهم السلوك الكيميائي وتصميم المحفزات والمواد الجديدة. من خلال فهم أساسيات القاعدة وتطبيقاتها وقيودها، يمكن للكيميائيين تحقيق تقدم كبير في مختلف المجالات.