التناظر الجزيئي في الكيمياء

في الكيمياء، يساعدنا التناظر أو التماثل (Symmetry) في فهم التركيب الجزيئي، وبعض خصائص المواد الكيميائية والخصائص الفيزيائية (التحليل الطيفي)، تستخدم مع نظرية المجموعة للتنبؤ بأطياف الاهتزازات للعمل على تحديد الشكل الجزيئي، وكأداة للعمل على فهم الهيكل الإلكتروني وأنواع الترابط.

التماثل أو التناظر الجزيئي:

• التماثل أو ما يعرف بالتناظر هي عبارة عن خاصية تعتمد على تراكيب الجزيئات، حيث أن عددا من الجزيئات قد تحتوي على تماثل في التركيب والبعض الآخر لا.

• في حين أن دراسة خصائص التناظر في الجزيئات يعد فرع رئيسي ومهم في علم الفيزياء الجزيئية؛ وذلك لأنه من خلالها نستطيع الوصول الى طريقة لاستخلاص المعلومات التي نحتاجها عن التراكيب الجزيئية، حيث أنه كلما امتلك الجزيء نقاط تماثل أكبر يصبح من السهل أن نقوم بتعيين معالم الجزيء؛ وذلك لأنه عند عدم وجود تناظر يصبح الحصول على كلا من الزوايا والمسافات بين ذرات الجزيء شيئا صعبا.

• عملية التناظر (Symmetry of Molecules): هي عبارة عن عملية تترك الشيء يبدو كما هو بعد تنفيذه أو تدويره، كما في المثال التالي، فمثلا إذا أخذنا جزيء من الماء وقمنا بتدويره بمقدار ْ180 درجة، حول محور يمر عبر ذرة الأكسجين O المركزية (الواقعة بين ذرتي الهيدروجين H) سيبدو كما كان من قبل تماما كما لو أننا لم نقم بتدويره.

• تحتوي كل عملية تناظر على عنصر تناظر (symmetry elements) مقابل، وهو المحور أو المستوى أو الخط أو النقطة التي يتم تنفيذ عملية التناظر أو التماثل عليها.

• تتضمن عناصر التناظر جميع النقاط التي تبقى في نفس المكان عند إجراء عملية التناظر، في الدوران مثلا، يشكل خط النقاط الذي يبقى في نفس المكان محور تناظر، كما أنه في الانعكاس، تشكل النقاط التي لم تتغير مستوى التناظر، كما وتتم مناقشة عناصر التناظر التي قد يمتلكها الجزيء بالإضافة إلى أي كائن آخر ثلاثي الأبعاد.

عمليات التماثل:

عملية التناظر أو التماثل (symmetry operation): هي عبارة عن عملية يتم إجراؤها على كائن مما يتركها في تكوين لا يمكن تمييزه عن التكوين الأصلي ويكون قابل للتركيب عليه، أو يمكن أن يتم تعريفها بأنها عبارة عن عملية تبديل الذرات بحيث يتحول الجزيء إلى حالة لا يمكن تمييزها عن الحالة الابتدائية.

تماثل الهوية (The Identity Symmetry):

يتضمن تماثل الهوية عدم القيام بأي شيء، حيث يكون عنصر التماثل المقابل هو عبارة عن الجزيء بأكمله، يحتوي كل جزيء على هذا العنصر على الأقل، فمثلا، جزيء (CHFClBr) لا يشار إليه بانه متماثل الهوية؛ نظرًا لأن كل جزيء يظهر هذا التناظر.

محور دوران أو محور التماثل Cn:

• يشير محور الدوران إلى أن الدوران بمقدار ْ360 درجة مقسوما على n يترك الجزيء دون تغيير، حيث يحتوي جزيء الماء ذو الصيغة الكيميائية التالية: H2O على محور C2.

• قد تحتوي بعض الجزيئات على أكثر من محور تماثل Cn، وفي هذه الحالة يسمى المحور الذي يحتوي على أعلى قيمة لـ n بالمحور الرئيسي، لاحظ أنه يجب أن تكون التدويرات في عكس اتجاه عقارب الساعة (counter clockwise) حول محور التماثل.

مستوى التناظر أو التماثل σ:

• مستوى التناظر أو التماثل: عندما يحدث الانعكاس في المستوى يبقى الجزيء يبدو كما هو، كما وأنه في الجزيء الذي يحتوي أيضًا على محور التناظر، يطلق عليه مستوى المرآة (mirror plane).

• حيث أن المحور الذي يتضمن مستوى مرآة رأسي يطلق عليه σv، بينما يطلق على المستوى العمودي على المحور مستوى المرآة الأفقية ويُسمى σh، كما أن مستوى المرآة العمودية الذي يقسم الزاوية بين محورين متماثلين C2 يسمى مستوى المرآة ثنائي السطوح σd.

• يشار إلى التناظر أو التماثل σ  على أنه عبارة عن مستوى على الجزيئات؛ لأنها غالبًا ما تعمل على شطر الذرات، وهو ما يجب الإشارة إليه بوضوح.

مركز التناظر الانعكاسي i:

• يحدث عندما يكون الانعكاس من خلال مركز التناظر يترك الجزيء دون تغيير، حيث أن الانعكاس يتكون من تمرير كل نقطة عبر مركز الانعكاس والخروج إلى نفس المسافة على الجانب الآخر من الجزيء.

• تتم الإشارة  إلى مراكز الانعكاس عبر نقطة قد تتداخل أو لا تتداخل مع الذرات.

محور الانعكاس الدوراني Sn:

• يسمى أيضًا بـ (n -fold improper rotation)، حيث تتكون عملية الانعكاس الدوراني من الدوران بزاوية  ْ360/ n حول المحور، متبوعًا بالانعكاس في مستوى عمودي على المحور.

• S1 هي عبارة عن نفس الانعكاس (reflection) و S2 هي عبارة عن نفس العكس (inversion).