استكشاف مجموعة متنوعة من المركبات العضوية - الجلسة 3

كما نعلم أن جزيء الميثان يتكون من أربع ذرات هيدروجين وذرة كربون واحدة. شكل جزيء الميثان رباعي السطوح. وبنفس الطريقة فإن جزيء الماء له شكل رباعي السطوح. يتكون جزيء الماء من ذرة أكسجين واحدة وذرتين هيدروجين. هل تساءلت يومًا كيف تتجمع الذرات المختلفة معًا لتكوين هذه المركبات الفريدة؟. أو كيف يتم تحديد شكل الجزيئات؟. حسنًا، الجواب يكمن في مفهوم التهجين.

تحتوي الذرات على أنواع مختلفة من المدارات، مثل المدارات s والمدارات p، والتي تختلف في أشكالها وطاقاتها. على سبيل المثال، المدار s له شكل كروي وطاقة أقل. المدار P له شكل دمبل وطاقة أعلى. عندما ننظر إلى جزيء مثل الميثان، نرى أن أطوال الروابط بين ذرات الكربون والهيدروجين متساوية تقريبًا. تبدو هذه الملاحظة محيرة لأن المدارات الذرية الفردية للكربون والهيدروجين لها أشكال وطاقات مختلفة. كيف من الممكن أن يشكلوا روابط ذات أطوال متساوية تقريبًا؟. وهذا بسبب التهجين.

تتضمن التهجين خلط أنواع مختلفة من المدارات الذرية ذات الأشكال والطاقات المختلفة لإنشاء مدارات هجينة جديدة. هذه المدارات الهجينة لها نفس الأشكال والطاقات. سنناقش ثلاثة أنواع من التهجينات. هذه هي sp³التهجين، sp2التهجين و spالتهجين. في sp³التهجين، حيث تتحد مدارات s وثلاثة مدارات p لتكوين أربعة مدارات متطابقة sp³المدارات الهجينة. تتمتع هذه المدارات الهجينة بنفس الشكل والطاقة.

في الميثان، تخضع ذرة الكربون لـ sp³التهجين. ذرة الكربون في الميثان لها تكوين إلكتروني 1s² 2s² 2p². في حالته الأساسية، يحتوي على إلكترونين في المدار 1s. يوجد إلكترونين في المدارين s. يوجد إلكترونين في اثنين من المدارات p الثلاثة. لتحقيق تكوين مستقر، يتم ترقية أو إثارة أحد إلكترونين s إلى المدارين p الفارغين. يؤدي هذا الترقية إلى ذرة الكربون ذات التكوين الإلكتروني 1s² 2s¹ 2p³.

ثم تخضع ذرة الكربون لـ sp³التهجين. تختلط المدارات s والمدارات p الثلاثة أو تتزاوج لتكوين أربعة مدارات هجينة جديدة تسمى sp³المدارات. نتيجة لذلك sp³التهجين، ذرة الكربون لديها الآن أربع ذرات متطابقة sp³المدارات الهجينة.

الاربعة sp³تنظم المدارات الهجينة نفسها في شكل هندسة رباعية السطوح حول ذرة الكربون. الزاوية بين كل مدار هي تقريبًا واحد صفر وتسع نقاط وخمس درجات. يضمن هذا الترتيب أقصى قدر من الفصل بين أزواج الإلكترونات ويقلل من التنافر بينها. كل واحد من الأربعة sp³تتداخل المدارات الهجينة مع مدار 1s لذرة الهيدروجين، لتشكل أربع روابط سيجما. هذه الروابط سيجما تتشكل عن طريق تداخل الرأس على المدارات الذرية على طول المحور النووي. تتركز كثافة الإلكترون بين الذرات.

في sp²التهجين، حيث يتحد مداري s واحد ومداران p لتكوين ثلاثة مدارات متطابقة sp²المدارات الهجينة. ويظل المداري p الثالث غير مهجن. في الإيثين تخضع ذرة الكربون sp²التهجين. في البداية، تحتوي ذرة الكربون على تكوين إلكتروني 1s²2s² 2p². مماثل ل sp³في التهجين، يتم ترقية أو إثارة أحد إلكترونين s إلى المدارين p الفارغين. ويؤدي هذا إلى تكوين إلكتروني لـ 1s²2s¹2p³.

في sp2التهجين في الإيثين، يختلط المداران s واثنان من المدارات p لذرة الكربون أو يتهجنان لتكوين ثلاثة مدارات هجينة جديدة تسمى sp2المدارات. المدار الثالث المتبقي 2pzيبقى غير مهجن. إنه عمودي على المستوى الذي تشكله sp2المدارات.

الثلاثة sp²تنظم المدارات الهجينة نفسها في شكل هندسة مستوية ثلاثية الأضلاع حول ذرة الكربون. يتم توجيههما في نفس المستوى، بزاوية مقدارها مائة وعشرين درجة تقريبًا بين كل مدار. يضمن هذا الترتيب أقصى قدر من الفصل بين أزواج الإلكترونات ويقلل من التنافر بينها.

في جزيء الإيثين، واحد sp²يتداخل المدار الهجين لذرة كربون واحدة مع sp²مداري هجين لذرة كربون أخرى. ويحدث هذا التداخل بطريقة مباشرة. ويؤدي هذا إلى تكوين رابطة سيجما بين ذرتي كربون. الاثنان الآخران sp²يتداخل المدار الهجين مع المدار 1s لذرة الهيدروجين.

دعونا نتحدث عن غير المهجن 2pzمدار ذرة الكربون، وهو عمودي على مستوى sp²المدارات. إنها تخضع لتداخل جانبي مع مداري غير مهجن مماثل لذرة كربون أخرى. يؤدي هذا التداخل الجانبي إلى تكوين رابطة باي. تتشكل الرابطة باي أعلى وأسفل مستوى الجزيء، مما يؤدي إلى إنشاء رابطة مزدوجة. في الرابطة باي، تتركز كثافة الإلكترون أعلى وأسفل المحور النووي المشكل بواسطة الرابطة سيجما.

في التهجين sp، نركز على ذرة الكربون كمثال. في البداية، تحتوي ذرة الكربون على تكوين إلكتروني 1s²2s²2p²، مع إلكترونين في المدار 1s وإلكترونين في المدار 2s. يتم ترقية أو إثارة أحد إلكترونين s إلى المدارين p الفارغين. ويؤدي هذا إلى تكوين إلكتروني لـ 1s²2s12p3.

أثناء التهجين sp، يختلط أو يهجن مداران s وواحد من المدارين p لتكوين مدارين هجينين جديدين يسمىان مدارات sp. نتيجة للتهجين sp، أصبحت ذرة الكربون تمتلك الآن مدارين هجينين sp متطابقين. يرتب المداران الهجينان sp نفسيهما في هندسة خطية حول ذرة الكربون. الزاوية بينهما 180 درجة. تظل المدارات p غير المهجنة المتبقية لذرة الكربون دون تغيير. أنها عمودية على المستوى الذي تشكله المدارات الهجينة sp. تحتفظ هذه المدارات p غير المهجنة بشكلها وطاقتها الأصلية.

في الإيثين، يتداخل مدار هجين sp واحد لكل ذرة كربون مع مدار s لذرة الهيدروجين لتشكيل رابطة سيجما. يتداخل المدار الهجين sp الثاني مع المدار الهجين sp لذرة كربون أخرى من الإيثين لتشكيل رابطة سيجما. يتعرض المداران p غير المهجنان لذرة الكربون لتداخل جانبي مع المدارات p غير المهجنة المقابلة لذرة الكربون المجاورة. يؤدي هذا التداخل الجانبي إلى تكوين روابط باي.

لتحديد تهجين الذرة في الجزيء بسرعة، قم بحساب عدد الذرات المرتبطة بالذرة. ثم قم بتحديد أي أزواج منفردة تمتلكها. أضف هذه القيم معًا. إذا كان المجموع أربعة، فإن التهجين هو sp³. إذا كان المجموع ثلاثة، فإن التهجين هو sp². إذا كان المجموع اثنان، فإن التهجين هو sp. على سبيل المثال في الأمونيا، ترتبط ثلاث ذرات هيدروجين بذرة نيتروجين. يحتوي النيتروجين على زوج واحد من الإلكترونات. ويبلغ مجموع هذا أربعة. لذا فإن تهجين ذرة النيتروجين في الأمونيا هو sp³.