فيديو الدرس: التهجين الكيمياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على التهجين. ونتعلم كيف يحدث تهجين المدارات الذرية، وكيف نحدد نوع التهجين في الجزيء.

قبل أن نتعمق في موضوع التهجين، دعونا نتذكر أن المدارات الذرية دوال رياضية تساعدنا في وصف الخواص الشبيهة بالموجات للإلكترونات في الذرات. نظرًا لأن الإلكترونات لها هذه الخصائص الشبيهة بالموجات، التي تصفها ميكانيكا الكم، لا يمكننا وصف الإلكترون بأنه نقطة تدور حول النواة. وإنما الإلكترون أشبه بسحابة تنتشر في الفضاء الموجود حول نواة الذرة. ويوصف شكل هذه السحابة الإلكترونية بواسطة الدالة الرياضية للمدار الذري. للمدارات الذرية أشكال وأحجام مختلفة ترتبط بطاقة الإلكترون.

المدارات ‪s‬‏ لها شكل كروي، في حين تتخذ المدارات ‪p‬‏ شكل الدمبل، وتكون موجهة حول أحد محاور الإحداثيات الكارتيزية. تتخذ المدارات أشكالًا وأحجامًا أخرى أيضًا. لكن المدارات 1s و 2s و 2p هي المدارات التي سنتعرض لها في هذه الفيديو.

تذكر أن الأعداد الموجودة أمام نوع المدار تشير إلى مستوى الطاقة، بينما تخبرنا الأحرف بشكل المدار. في الذرة، تملأ الإلكترونات المدارات حسب زيادة الطاقة تصاعديًّا. ومن ثم، فإن الإلكترون الوحيد في ذرة الهيدروجين يشغل المدار 1s. وإذا تداخل مدار 1s هذا مع مدار 1s لذرة هيدروجين أخرى، تتكون رابطة تساهمية. كل ذرة مشاركة في الرابطة تسهم بإلكترون واحد في هذه الرابطة. هذه الرابطة تحديدًا تسمى رابطة سيجما، ويرمز لها غالبًا بالحرف اليوناني الصغير ‪𝜎‬‏. تتكون روابط ‪𝜎‬‏ عند تداخل المدارات طرفًا إلى طرف.

والآن لنر إذا ما كان بإمكاننا وصف الترابط في جزيء أكثر تعقيدًا بعض الشيء، مثل الميثان، باستخدام تداخل المدارات. يحتوي الميثان على أربع روابط تساهمية بين الكربون والهيدروجين. أحد الإلكترونين في كل من هذه الروابط يأتي من المدار 1s لذرة هيدروجين. أما الإلكترون الآخر في كل رابطة، فيأتي بالتأكيد من أحد إلكترونات تكافؤ الكربون التي توجد في المدارين الذريين 2s و2p. لذلك يبدو أن بعض الروابط في الميثان لا بد أن تتكون نتيجة تداخل المدار 2s للكربون والمدار 1s للهيدروجين، بينما يتكون الباقي من تداخل المدار 2p للكربون والمدار 1s للهيدروجين.

ولكن الأدلة التجريبية تشير إلى أن كل روابط الكربون والهيدروجين الأربعة متماثلة. ومن ثم، فهذه الصورة للتداخل المداري التي توصلنا إليها فيما يخص الميثان هي حتمًا غير صحيحة. فلا بد من حدوث أمر آخر هنا لتكوين هذه الروابط الأربعة المتماثلة بين الكربون والهيدروجين.

في الحقيقة، تتداخل المدارات الذرية بعضها مع بعض لتكوين مدارات مهجنة ذات أشكال جديدة ومختلفة، وهذه المدارات الجديدة المهجنة تستخدم بعد ذلك لتكوين الروابط في الجزيء. وهذا التداخل ليس فيزيائيًّا. وإنما هو تداخل رياضي للدوال التي تصف المدارات الذرية.

دعونا نر كيف يحدث التهجين المداري بالنظر مرة أخرى إلى الكربون والميثان. هذا توزيع إلكترونات التكافؤ في الكربون. فيحتوي الكربون على إلكترونات التكافؤ في المدارين الذريين 2s و2p. الخطوة الأولى في التهجين المداري هي ارتقاء إلكترون. في الكربون، يرتقي إلكترون من المدار 2s إلى مدار 2p فارغ، ما يجعل الكربون في حالة مثارة. والآن أصبح للكربون أربعة إلكترونات منفردة في المدارين 2s و2p. هذه الإلكترونات المنفردة الأربعة الموجودة في مدارين مختلفين تمتزج معًا لتكوين أربعة مدارات متماثلة لها الطاقة نفسها. هذه المدارات الأربعة المتماثلة ليست من الفئة ‪s‬‏ أو ‪p‬‏. وإنما هي مدارات ‪sp3‬‏ مهجنة.

مدارات ‪sp3‬‏ المهجنة هذه لها نفس الشكل المستطيل لمدارات ‪p‬‏، ولكنها ليست موجهة حول أحد محاور الإحداثيات الكارتيزية مثل مدارات ‪p‬‏. بدلًا من ذلك، تكون مدارات ‪sp3‬‏ المهجنة موجهة بحيث يشير كل فص نحو أحد أركان شكل رباعي الأوجه.

في الميثان، يمكن أن تتداخل مدارات ‪sp3‬‏ المهجنة للكربون مع مدارات 1s للهيدروجين، ما ينتج عنه روابط الكربون والهيدروجين الأربعة المتماثلة في الميثان. ونظرًا للشكل الهندسي الرباعي الأوجه لمدارات ‪sp3‬‏ المهجنة، تكون كل قياسات زوايا روابط الكربون والهيدروجين في الميثان 109.5 درجات. وزاوية الرابطة هذه تزيد المسافة بين أزواج الإلكترونات في الروابط إلى أقصى حد ممكن، ما يقلل من التنافر الكهروستاتيكي بين هذه المجموعات من الإلكترونات.

والآن دعونا نلق نظرة على كيفية تهجين المدارات في جزيء مختلف، وهو ثلاثي فلوريد البورون. هذا هو التوزيع الإلكتروني لإلكترونات تكافؤ البورون في المستوى الأرضي. يوجد إلكترونان في المدار الذري 2s وإلكترون واحد في أحد مدارات 2p. ومثلما رأينا من قبل، سيثار أحد الإلكترونين الموجودين في المدار 2s، ما يؤدي إلى ارتقائه إلى مدار 2p فارغ.

والآن يوجد ثلاثة إلكترونات منفردة في المدارين 2s و2p. وستهجن هذه الإلكترونات لتكوين ثلاثة مدارات ‪sp2‬‏ مهجنة متماثلة. وتكون مدارات ‪sp2‬‏ المهجنة موجهة بحيث يشير كل فص في اتجاه أحد أركان مثلث. يمكن أن تتداخل مدارات ‪sp2‬‏ المهجنة مع مدارات 2p للفلور التي تحتوي على إلكترون منفرد. وينتج عن ذلك ثلاث روابط بورون وفلور متماثلة بزاوية رابطة قياسها 120 درجة. ومثلما رأينا في حالة الميثان، تزيد زاوية الرابطة هذه المسافة بين إلكترونات الترابط إلى أقصى حد ممكن، ما يقلل التنافر الكهروستاتيكي بينها.

دعونا نلق نظرة على مثال أخير على التهجين المداري في جزيء هيدريد البريليوم. سنبدأ مجددًا بالتوزيع الإلكتروني الأساسي لإلكترونات تكافؤ البريليوم. كلا إلكتروني التكافؤ في البريليوم موجود في مدار 2s. نظرًا لأن كلا هذين الإلكترونين مزدوج، لا يمكن للبريليوم تكوين أي روابط مع الهيدروجين ما لم يتعرض للتهجين. مرة أخرى، تبدأ هذه العملية بارتقاء أحد هذين الإلكترونين الموجودين في مدار 2s إلى مدار 2p فارغ، وهو ما يجعل البريليوم في حالة مثارة. والإلكترونان المنفردان في المدارين الذريين 2s و2p يحدث لهما تهجين، ما ينتج عنه مدارا ‪sp‬‏ مهجنان متماثلان. ويكون مدارا ‪sp‬‏ المهجنان هذان موجهين بحيث يشير الفصان بهما إلى اتجاهين متعاكسين على امتداد خط مستقيم.

عندما يتداخل مدارا ‪sp‬‏ المهجنان مع مدار 1s للهيدروجين، يكون الناتج جزيئًا خطيًّا له قياس زوايا رابطته 180 درجة. تضع زاوية الرابطة هذه الإلكترونات المترابطة على جانبين متعاكسين من الجزيء، وهي أقصى مسافة يمكن أن تنفصل بها بعضها عن بعض. وهذا يقلل مرة أخرى من قوى التنافر بين هذه المجموعات من الإلكترونات.

قبل أن نتابع حديثنا، تجدر الإشارة هنا إلى أن هذه الخطوة الأولى في عملية التهجين، التي يرقى فيها إلكترون، تتطلب طاقة. لكن الطاقة اللازمة لترقية إلكترون أقل بكثير من كمية الطاقة المنبعثة من تكوين الروابط. أحيانًا لا تكون جميع المدارات الذرية متضمنة في عملية التهجين، ما يخلف بعض المدارات غير مهجنة. نلاحظ ذلك في جزيء الإيثين. نعلم أن الإيثين جزيء مسطح له زوايا رابطة قياسها 120 درجة، ما يشير إلى تهجين المدار ‪sp2‬‏.

دعونا نتناول بالتدريج عملية تهجين إحدى ذرات الكربون في الإيثين. سنبدأ، كما هي الحال دائمًا، بإلكترونات تكافؤ الكربون في حالتها الأساسية. سيرتقي أحد إلكتروني المدار 2s، ما يجعل الكربون في حالة مثارة. والإلكترونات المنفردة في المدار الذري 2s واثنين من المدارات الذرية 2p ستهجن لتكون ثلاثة مدارات ‪sp2‬‏ مهجنة. لكن أحد مدارات 2p سيبقى غير مهجن. تتداخل مدارات ‪sp2‬‏ لكل ذرة كربون مع المدار 1s لذرة هيدروجين، ما يؤدي إلى تكوين روابط الكربون والهيدروجين الأربعة في الإيثين. ويمكن أن تتداخل مدارات ‪sp2‬‏ كذلك بعضها مع بعض، ما يؤدي إلى تكوين إحدى الروابط بين ذرتي الكربون.

وتتكون الرابطة المتبقية بين ذرتي الكربون باستخدام مدارات 2p المتبقية غير المهجنة. تتداخل هذه المدارات جنبًا إلى جنب لتكون الرابطة الثانية بين ذرتي الكربون. تبدو هذه الرابطة مختلفة كثيرًا عن الروابط الأخرى التي رأيناها في هذا الجزيء والجزيئات الأخرى في هذا الفيديو، مثل الروابط بين الكربون والهيدروجين والروابط بين ذرات الكربون. فالروابط الأخرى التي تناولناها اتسمت بتداخل المدارات طرفًا إلى طرف، ما يجعلها روابط ‪𝜎‬‏ كما ذكرنا سابقًا. أما هذه الرابطة، فتكونت عن طريق التداخل جنبًا إلى جنب لمدارات ‪p‬‏ المتجاورة. ويسمى هذه النوع من الروابط رابطة ‪𝜋‬‏.

تنقسم كثافة إلكترونات رابطة ‪𝜋‬‏ أعلى الجزيء وأسفله، ويكون لها مستوى عقدي أو منطقة تنعدم فيها كثافة الإلكترونات في مستوى ذرات الكربون والهيدروجين. متى كان لدينا جزيء به رابطة مزدوجة، فستكون إحدى الرابطتين ‪𝜎‬‏ والأخرى ‪𝜋‬‏.

يمكننا أن نرى شيئًا مشابهًا للغاية في جزيء الإيثاين. يشير هذا الجزيء الخطي إلى تهجين ‪sp‬‏. عند تهجين المدارات الذرية للكربون في الإيثاين، نحصل في النهاية على إلكترونين في مداري ‪sp‬‏ المهجنين، وإلكترونين في مداري 2p غير المهجنين. يتداخل مدارا ‪sp‬‏ المهجنان مع مداري 1s للهيدروجين لإنشاء رابطتي الكربون والهيدروجين. ويتداخل مدارا ‪sp‬‏ المهجنان من كل ذرة كربون لإنشاء إحدى الرابطتين بين ذرتي الكربون. وهذه الروابط الثلاثة جميعها روابط ‪𝜎‬‏. الرابطتان المتبقيتان بين ذرتي الكربون هما رابطتا ‪𝜋‬‏ تكونتا من مداري 2p غير المهجنين. ومن ثم، فالروابط الثلاثية، مثل تلك الموجودة في الإيثاين، تتكون من رابطة ‪𝜎‬‏ ورابطتي ‪𝜋‬‏.

بذلك نكون قد عرفنا الكثير عن التهجين. والآن، دعونا نجرب حل بعض الأسئلة.

قد يحدث التهجين أثناء تكوين الروابط الكيميائية. تتداخل المدارات الذرية معًا رياضيًّا مكونة مدارات مهجنة. أي من المدارات المهجنة تتكون عند تهجين مدار ‪s‬‏ وثلاثة مدارات ‪p‬‏؟ (أ) أربعة مدارات ‪sp2‬‏، (ب) مدارا ‪sp2‬‏، (ج) أربعة مدارات ‪sp3‬‏، (د) مدار ‪sp3‬‏، (هـ) ثلاثة مدارات ‪sp3‬‏.

كما هو مذكور في السؤال، يحدث التهجين عندما تتداخل الدوال الرياضية، التي تصفها المدارات الذرية، بعضها مع بعض لتكوين مدارات مهجنة. ويكون لهذه المدارات المهجنة أشكال جديدة ومختلفة. لنفترض أن لدينا إلكترونات في المدارين ‪s‬‏ و‪p‬‏. تبدأ عملية التهجين بارتقاء أحد الإلكترونين في مدار ‪s‬‏ إلى مدار ‪p‬‏ فارغ. هذه الإلكترونات الأربعة المنفردة، واحد في المدار ‪s‬‏ وثلاثة في المدار ‪p‬‏، تتحد معًا لإنشاء أربعة مدارات ‪sp3‬‏ مهجنة متماثلة.

يمكننا البدء بعدد مختلف من الإلكترونات المنفردة لتكوين أنواع مختلفة من المدارات المهجنة. فالإلكترونات المنفردة في مدار ‪s‬‏ ومداري ‪p‬‏ تهجن لتعطينا ثلاثة مدارات ‪sp2‬‏. وتهجن الإلكترونات المنفردة في مدار ‪s‬‏ ومدار ‪p‬‏ لتعطينا مداري ‪sp‬‏. يطلب منا هذا السؤال تحديد أي من المدارات المهجنة تتكون عند تهجين مدار ‪s‬‏ وثلاثة مدارات ‪p‬‏. كما رأينا للتو، سيعطينا ذلك أربعة مدارات ‪sp3‬‏، وهو الخيار (ج).

تتكون رابطة سيجما عند تداخل مجموعات محددة من المدارات الذرية. أي من الأحداث الآتية لا يؤدي إلى تكوين رابطة ‪𝜎‬‏؟ (أ) تداخل مدار ‪sp‬‏ مهجن مع مدار ‪sp‬‏ مهجن آخر، (ب) تداخل مدار ‪s‬‏ مع مدار ‪p‬‏، (ج) تداخل مدار ‪p‬‏ مع مدار ‪p‬‏ آخر جنبًا إلى جنب، (د) تداخل مدار ‪s‬‏ مع مدار ‪s‬‏ آخر، (هـ) تداخل مدار ‪p‬‏ مع مدار ‪p‬‏ آخر طرفًا إلى طرف.

روابط سيجما، التي يرمز إليها غالبًا بالحرف اليوناني الصغير، تتكون عن طريق تداخل المدارات طرفًا إلى طرف. لا يهم أي مدارين يتداخلان ما داما يتداخلان طرفًا إلى طرف. ويمكن أن يؤدي تداخل مداري ‪s‬‏ إلى تكون رابطة ‪𝜎‬‏، أو يمكن أن يتداخل مدار ‪s‬‏ مع مدار ‪p‬‏. تنشأ رابطة ‪𝜎‬‏ من تداخل المدار ‪s‬‏ مع أي من المدارات المهجنة. وتنشأ روابط ‪𝜎‬‏ كذلك من تداخل مدارات ‪p‬‏ طرفًا إلى طرف، أو من تداخل مدار ‪p‬‏ مع أي من المدارات المهجنة. ويمكن كذلك أن تتداخل أي من المدارات المهجنة معًا طرفًا إلى طرف.

أي مجموعة مكونة من مدارين يتداخلان طرفًا إلى طرف، مثل هذه المجموعات، ستنشأ عنها رابطة ‪𝜎‬‏. لكن إذا كان لدينا مداران يتداخلان جنبًا إلى جنب، مثل هذين المدارين ‪p‬‏، فإن الرابطة الناتجة هي رابطة ‪𝜋‬‏ وليست رابطة ‪𝜎‬‏. إذن الخيار (ج)، تداخل مدار ‪p‬‏ مع مدار ‪p‬‏ آخر جنبًا إلى جنب، سيؤدي إلى تكوين رابطة ‪𝜋‬‏ وليس رابطة ‪𝜎‬‏. ومن ثم، فهو الإجابة الصحيحة.

والآن دعونا نلخص هذا الفيديو باستعراض أهم النقاط الواردة فيه. تتداخل المدارات الذرية معًا لتكوين مدارات مهجنة. تتكون روابط ‪𝜎‬‏ من تداخل المدارات طرفًا إلى طرف، في حين تتكون روابط ‪𝜋‬‏ من تداخل المدارات المتجاورة جنبًا إلى جنب. الروابط الأحادية تتكون من رابطة ‪𝜎‬‏ واحدة. الروابط المزدوجة تتكون من رابطة ‪𝜎‬‏ ورابطة ‪𝜋‬‏. والروابط الثلاثية تتكون من رابطة ‪𝜎‬‏ ورابطتي ‪𝜋‬‏.