شارح الدرس: التهجين الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نفسِّر تهجين المدارات الذرية، ونحدِّده.

يمكن أن تتداخل المدارات الذرية للذرات معًا وتكوّن مدارات مهجنة لها أشكال وبِنى مختلفة عن المدارات الذرية العادية. ساعد مفهوم تهجين المدارات الذرية الكيميائيين على فهم سبب أن جزيئات مثل الميثان تحتوي على أربع روابط تساهمية بين الكربون والهيدروجين بالرغم من أن ذرات الكربون تحتوي فقط على إلكترونين منفردين في الغلاف الفرعي p. كما ساعد الكيميائيين أيضًا على فهم سبب الاختلاف الكبير بين روابط الكربون-كربون في كل من الإيثين والإيثاين وساعدهم على معرفة السبب وراء أن الأشكال الهندسية للجزيئات مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بعدد روابط سيجما () وباي () بين ذرات الكربون في المركبات العضوية.

كان لينوس باولينج من أوائل العلماء الذين بدأوا في وصف التهجين وتداخل الأنواع المختلفة من مدارات الترابط عندما نشر أوراق بحثية مميزة حول موضوع نظرية رابطة التكافؤ في النصف الأول من القرن العشرين. فقد أوضحت أبحاثه كيف يمكن استخدام مفهوم مدارات الترابط الذرية والمهجنة لتقديم شرح دقيق يصف خواص الترابط لجميع الجزيئات تقريبًا، ويشمل هذا الجزيئات البسيطة ثنائية الذرة مثل الهيدروجين والمركبات العضوية الأكبر مثل سيانيد الأسيتيل (). إن أبحاثه مثيرة للاهتمام للغاية، لكنها قد تكون معقدة، ومن المهم أن نفهم أولًا المفاهيم الأساسية عن المدارات الذرية قبل أن نحاول فهم كيف يمكن للمدارات أن تُهجّن وأن تُكون روابط مع الذرات المجاورة الأخرى.

المدار الذري الأبسط والأقل طاقة هو المدار الذري والمداران الذريان التاليان في الطاقة هما و. تتخذ المدارات الذرية من النوع s شكلًا كرويًا بسيطًا نسبيًا، بينما تتخذ المدارات الذرية من النوع p شكل دمبل مميز؛ حيث يكون مستقطبًا بشكل مستوٍحول أحد محاور الإحداثيات الكارتيزية الثلاثة. التوزيع الإلكتروني لذرات الكربون هو []، ومن المنطقي أن نفترض أن المدارين الذريين و لهما تداخلات مختلفة مع ذرات الهيدروجين المترابطة تساهميًا في جزيئات مثل الميثان، لكن البيانات التجريبية تشير إلى عكس ذلك تمامًا. تميل الإلكترونات في الغلافين الفرعيين و إلى التداخل وتكوين أربعة مدارات ترابط مهجنة والتي تُكون روابط متكافئة مع إلكترونات المدار الذري لذرات الهيدروجين المجاوة.

تحدث عملية التهجين عندما يرتقي (يُثار) أحد إلكتروني الغلاف الفرعي في ذرة كربون الترابط إلى مدار ذري فارغ. وعندئذ، تحتوي ذرة كربون الترابط على أربعة إلكترونات منفردة في أربعة مدارات فرعية يمكنها التداخل معًا وتكوين أربعة مدارات ترابط مهجنة من النوع لها الطاقة نفسها وجميعها متساوية في القدرة على تكوين روابط تساهمية.

يمكن القول إن مدارات المهجنة الأربعة تشبه إلى حد ما المدار الذري لذرات الكربون غير المرتبطة؛ لأن لها نفس الشكل البيضاوي. ولكن من المهم أن ندرك أن المدارات ليست مستقطبة بشكل مستوٍ حول محاور الإحداثيات الكارتيزية الثلاثة. كل فص في المدارات الأربعة المهجنة يكون موجهًا نحو أحد الأركان الأربعة للشكل الرباعي الأوجه. من المهم أيضًا أن ندرك أن فصوص مدارات أكبر بكثير من فصوص المدارات الذرية التي نقارنها بها. ويقلل هذا الترتيب من التداخلات الكهروستاتيكية التنافرية بين إلكترونات مدار الترابط الأربعة. يُمكن أن تُكوِن ذرات الكربون بنًى ذات طاقة منخفضة عندما ترتبط بذرات مجاورة أخرى.

يمكن أن تتداخل المدارات المهجنة من النوع مع الإلكترون المنفرد في المدار الذري لأربع ذرات هيدروجين أخرى لتكوين جزيء ميثان له أربع روابط تساهمية متكافئة بين الكربون والهيدروجين وأربع زوايا متساوية قياسها (). ويَنتج عن التداخل الطرفي بين المدارات الأربعة المهجنة من النوع والمدارات الذرية الأربعة من النوع أربع روابط سيجما متماثلة أسطوانيًا. وينتج عن المقطع العرضي لروابط سيجمًا دائمًا دائرة من الكثافة الإلكترونية إذا تم أخذه عند أي نقطة على طول محور الرابطة بين ذرتي الكربون والهيدروجين.

في بعض الأحيان، تُكوِّن الإلكترونات المثارة في الأغلفة الفرعية s وp لذرات كربون الترابط ثلاثة مدارات ترابط فقط مهجنة متكافئة من النوع ، وسيبقى أحد إلكترونات التكافؤ في المدار الذري غير المهجن.

عندئذٍ يمكن للمدارات المهجنة تكوين روابط سيجما متماثلة أسطوانيًّا بين ذرات الكربون والهيدروجين وبين ذرات الكربون والكربون أثناء تداخلها مع الذرات المجاورة الأخرى. الإيثين هو أبسط هيدروكربون أحادي عدم التشبع. وهو يحتوي على ذرتَي كربون وأربع ذرات هيدروجين.

كما أن هناك رابطة سيجما أحادية بين ذرتَي الكربون في الإيثين، وتكوِّن كل ذرة كربون رابطتين أخريين من روابط سيجما مع ذرات الهيدروجين المجاورة. تتداخل المدارات الذرية غير المهجنة معًا بالجنب، وتشكِّل رابطة باي لها مستوًى عقدي واحد متطابق مع المستوى الجزيئي لذرات الكربون والهيدروجين.

مثال ٢: تحديد نوع التهجين لذرات الكربون في صفيحة من الجرافين

بالنظر إلى شكل الوحدات المنفردة التي تُكوِّن الجزيء الضخم الموضَّح في الشكل، ما نوع التهجين الذي يحدث في ذرات كربون الجرافين؟

الحل

نلاحظ من الشكل السابق أن الجرافين يتكوَّن من سلسلة من الأشكال السداسية المترابطة. تتكوَّن الأشكال السداسية من ذرات الكربون، ولها زوايا رابطة قياسها . تكوِّن كل ذرة من ذرات الكربون ثلاث روابط سيجما مع ثلاث ذرات كربون مختلفة؛ ولديها إلكترون واحد غير مهجن. يناظر هذا الترتيب وعدد المدارات المهجنة نوع التهجين . إذن يمكننا من خلال كل ما سبق تحديد أن الخيار (ب) هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

مثال ٣: تحديد موقع الرابطة باي في جزيء الإيثيلين

في جزيء الإيثين، توجد جميع روابط الخمس في نفس المستوى. ما المنطقة الفراغية التي تَشْغَلها الرابطة بالنسبة إلى الرابطة المركزية في جزيء الإيثين؟

أ.

ب.

ج.

د.

هـ.

الحل

تحتوي كلتا ذرتَي الكربون في جزيء الإيثين على مدارات مهجنة و يتبقى في كل ذرة إلكترون تكافؤ يكون في المدار الذري غير المهجن . يؤدي التداخل بالجنب للمدارات الذرية غير المهجنة إلى تشكيل رابطة باي ()، التي لها مستوًى عقدي واحد يتطابق مع المستوى الجزيئي لذرات الكربون والهيدروجين. تنقسم الكثافة الإلكترونية للرابطة باي لأعلى وأسفل هذا المستوى العقدي، كما هو موضَّح في الشكل (ب). يمكننا استخدام هذه العبارات لتحديد أن الخيار (ب) هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

يمكن للإلكترونات المثارة الموجودة في كلٍّ من الغلافين الفرعيين s وp لذرات كربون الترابط أن تشكِّل بطريقة غير معتادة مدارَي ترابط sp مهجنيين، بينما تظل إلكترونات التكافؤ الأخرى في المدارين الذريين و غير المهجنيين.

يحتوي الإيثاين (الأسيتيلين) على رابطة سيجما واحدة بين ذرتَي الكربون؛ والتي تكونت من تداخل إلكتروني المدارين sp المهجنين. ويُستخدَم إلكترون المدار sp المهجن الآخر في كل ذرة كربون لتكوين رابطة كربون-هيدروجين تساهمية. تتداخل أزواج المدارت الذرية غير المهجنة و وتكوِّن رابطتين منفصلتين عموديتين إحداهما على الأخرى وموازيتين للرابطة سيجما الأحادية الموجودة بين ذرتَي الكربون. ويقال إن هناك رابطة ثلاثية بين ذرتَي الكربون المتجاورتين؛ لأن ذرتَي الكربون مرتبطتان فعليًّا برابطة سيجما أحادية وبرابطتين باي أخريين.

يجد العلماء أن تهجين sp يعطينا شكلًا هندسيًا خطيًا بزاوية رابطة قياسها . وتكون زوايا الرابطة و في الإيثاين قياسها ؛ وذلك لأن ذرتي الكربون المترابطتين برابطة ثلاثية كلاهما في حالة تهجين من النوع sp.

يمكن أن تكوِّن إلكترونات الترابط لذرات الكربون مدارات مهجنة عندما ترتبط مع ذرات أخرى مثل الأكسجين أو النيتروجين. تمثِّل عملية إثارة إلكترون واحد من المدار الذري طريقة فعالة لتحسين خواص الترابط لأي ذرة كربون، وتعتبر عمليات تهجين sp شائعة في جزيئات أكثر تعقيدًا مثل سيانيد الأسيتيل (). يحتوي سيانيد الأسيتيل (بيروفونيتريل) على ذرة كربون مركزية مهجنة من النوع ترتبط من طرف واحد بذرة كربون مهجنة من النوع ، وترتبط من الطرف الآخر بذرة كربون مهجنة من النوع sp. ترتبط ذرة الكربون المهجنة من النوع بأربع ذرات ، وترتبط ذرتا الكربون من النوع وsp بثلاث ذرات وذرتين. يرتبط عدد ذرات الترابط بحالة التهجين لأي ذرة كربون، ويمكن تحديد قيمته دائمًا من خلال ؛ حيث هو العدد العلوي في رمز تهجين المدار .

يمكن تطبيق نظرية رابطة التكافؤ لفهم خواص الارتباط للأنظمة الأبسط مثل جزيئَي الهيدروجين الثنائي الذرة () وفلوريد الهيدروجين الثنائي الذرة (). وتفترض نظرية رابطة التكافؤ أن معظم الجزيئات الثنائية الذرة البسيطة تتكوَّن من التداخل الرأسي أو التداخل الطرفي لمدارين ذريين متجاورين. يتكوَّن غاز الهيدروجين الثنائي الذرة عند تداخل مدارين ذريين من النوع ليكوِّنا رابطة سيجما أحادية متماثلة أسطوانيًّا. ويتكوَّن فلوريد الهيدروجين عند تداخل المدار لذرة هيدروجين واحدة مع المدار الذري لذرة فلور أخرى. إن تكوين رابطة سيجما ليس من الضروري أن يتضمَّن تداخلًا رأسيًّا بين المدارات الذرية من النوع s. يَنتج بعض غازات الهالوجين عند التداخل الطرفي بين مدارين ذريين من النوع p. يُنتِج التداخل الطرفي بين المدارين الذريين نصف الممتلئين رابطة سيجما منخفضة الطاقة في جزيئات الفلور ()، ويُنتِج التداخل الطرفي بين المدارين الذريين نصف الممتلئين رابطة سيجما منخفضة الطاقة في جزيئات الكلور .

من المهم أن ندرك هنا أن روابط سيجما تكوَّنت في جزيئات الهالوجين الثنائية الذرة من خلال التداخل الطرفي أو التداخل الخطي للمدارين الذريين ، وليس من خلال التداخل بالجنب للمدارين الذريين . يمكن تكوُّن روابط سيجما من خلال تداخل مدارات ترابط مهجنة وغير مهجنة مختلفة، لكن التداخل بالجنب بين مدارين ذريين متوازيين من النوع p، تَنتج عنه دائمًا رابطة باي أحادية. توضِّح الصورة الآتية كيف يمكن أن تتداخل أنواع معيَّنة من المدارات المهجنة وغير المهجنة مع بعضها البعض لتكوِّن أنواعًا مختلفة من روابط سيجما.

يقارن الجدول الآتي بين تهجين وتهجين وتهجين sp. فهو يصف عدد المدارات المهجنة وغير المهجنة، ويصف الأشكال الهندسية للجزيئات وزوايا الروابط أيضًا. ويلخص الكثير من المعلومات عن تهجين المدارات الذرية.

هيا نلخص ما تعلمناه في هذا الشارح.