فيديو السؤال: تحديد نوع التهجين لذرات الكربون في صفيحة من الجرافين الكيمياء • الصف الثاني الثانوي

نسخة الفيديو النصية

بالنظر إلى شكل الوحدات المنفردة التي تكون الجزيء الضخم الموضح في الشكل، ما نوع التهجين الذي يحدث في ذرات كربون الجرافين؟ أ: ‪sp3d2‬‏، أم ب: ‪sp2‬‏، أم ج: ‪sp3d‬‏، أم د: ‪sp3‬‏، أم هـ: ‪sp‬‏.

التهجين، أو التهجين المداري على وجه التحديد، هو مفهوم تداخل المدارات الذرية لتكوين أنواع جديدة ومختلفة من المدارات المهجنة، حيث تمثل المدارات الذرية دوال رياضية تصف موضع الإلكترون وسلوكه الموجي في الذرة. المدار الذري الأبسط والأقل طاقة هو المدار الذري ‪1s‬‏. يليه المدار الذري ‪2s‬‏ والمدارات الذرية ‪2p‬‏. إذن، يمكن لهذه المدارات الذرية أن تتداخل أو تهجن لتكوين مدارات هجينة جديدة. كما يمكن أن تخضع المدارات الذرية الأخرى للتهجين، مثل المدارات ‪d‬‏ أو المدارات ‪f‬‏. ولكن لأغراض التبسيط، دعونا نتناول فقط مدارات ‪s‬‏ و‪p‬‏.

دعونا نتناول إحدى الأمثلة على التهجين باستخدام الكربون. تحتوي ذرات الكربون على أربعة إلكترونات في غلافها الخارجي. يوجد إلكترونان من هذه الإلكترونات في مدار ‪2s‬‏، والإلكترونان الآخران في مدارات ‪2p‬‏. تحدث عملية التهجين عندما يرتقي أو يثار أحد الإلكترونات في الغلاف الفرعي ‪2s‬‏ في ذرة كربون الترابط إلى مدار ذري ‪2pz‬‏ فارغ. عندئذ، تحتوي ذرة كربون الترابط على أربعة إلكترونات منفردة في أربعة مدارات يمكن تداخلها معًا وتكوين أربعة مدارات ترابط مهجنة من النوع ‪sp3‬‏. وبما أن هذا النوع من التهجين يتضمن مدار ‪1s‬‏ ومدارات ‪3p‬‏، فإنه يسمى تهجين ‪sp3‬‏.

تتخذ المدارات ‪sp3‬‏ شكلًا رباعي الأوجه. يحدث هذا النوع من التهجين لذرات الكربون في جزيئات مثل الميثان، والذي يتخذ شكلًا رباعي الأوجه. الجزيء الضخم الموضح في الشكل لا يتخذ هذا الشكل رباعي الأوجه. ومن ثم، لا بد أنه يخضع لنوع مختلف من التهجين. وعليه، يمكننا استبعاد الخيار د: ‪sp3‬‏.

يشير السؤال إلى ذرات الكربون التي نعلم أنها تحتوي على الإلكترونات في المدارات ‪s‬‏ و‪p‬‏ فقط. ينص كل من الخيار أ والخيار ج على المدارات ‪d‬‏ باعتبارها جزءًا من التهجين. وبما أن ذرات الكربون لا تحتوي على أي إلكترونات في المدارات ‪d‬‏، يمكننا أيضًا استبعاد الخيارين أ وج.

بالنظر إلى شكل الجرافين وخواصه، فإن هذا سيساعدنا في معرفة التهجين الذي يحدث في ذرات الكربون. يتمتع الجرافين ببنية مشابهة لبنية هذا الجزيء الضخم. سمكه عبارة عن طبقة واحدة، لكن بنيته تمتد لأبعد من الجزيء. يتكون الجرافين بالكامل من ذرات كربون، ولكن كل ذرة كربون ترتبط بثلاث ذرات كربون أخرى فقط، في حين أنه في جزيئات أخرى مثل الميثان، يكون الكربون أربع روابط. ومن ثم، في الجرافين، يشارك ثلاثة فقط من إلكترونات التكافؤ الأربعة في عملية التهجين.

لتهجين ذرات الكربون في الجرافين، تبدأ الإلكترونات في المدارات نفسها كما في حالة تهجين ذرات الكربون في جزيئات مثل الميثان. يرتقي إلكترون من المدار ‪2s‬‏ إلى مدار ‪2p‬‏، تمامًا كما هو الحال في تهجين ‪sp3‬‏. ولكن بدلًا من مشاركة جميع الإلكترونات الأربعة في عملية التهجين، لا يشارك سوى ثلاثة إلكترونات منها فقط. يظل الإلكترون الموجود في المدار ‪2pz‬‏ في مداره. تتكون المدارات الهجينة من الإلكترونات الموجودة في المدار ‪1s‬‏ والمدارات ‪2p‬‏. ومن ثم، فهو يعرف باسم تهجين ‪sp2‬‏. إذن، ترتبط ذرات الكربون في الجرافين بعضها ببعض عبر هذه المدارات المهجنة من النوع ‪sp2‬‏.

لا تشارك المدارات ‪pz‬‏ في الترابط، ولكن التفاعل بينها يسمح للإلكترونات بالحركة. حركة الإلكترونات من المدارات ‪pz‬‏ هي التي تعطي الجرافين خواصه الموصلة للكهرباء. ونعلم الآن أن ذرات الكربون في الجرافين مهجنة في المدار ‪sp2‬‏. وعليه، فإن الخيار ب: ‪sp2‬‏ يمثل الإجابة الصحيحة.

يحدث نوع التهجين المذكور في الخيار هـ: ‪sp‬‏ في جزيئات مثل الإيثين أو الأسيتيلين، حيث ترتبط ذرات الكربون بذرتين أخريين فقط. ولا يعد تهجين ‪sp‬‏ نوعًا من التهجين الذي يحدث في ذرات كربون الجرافين. وعليه، فإن إجابة السؤال: «ما نوع التهجين الذي يحدث في ذرات كربون الجرافين؟» هي ب: ‪sp2‬‏.