دراسة العلاقة بين التركيب وخصائص الهيدروكربونات - الجلسة الثانية

الانشطار المتماثل هو نوع من انقسام الرابطة حيث تنكسر الرابطة التساهمية بين ذرتين بشكل متماثل. تحتفظ كل ذرة بإلكترون واحد من الزوج المشترك. تؤدي هذه العملية إلى تكوين نوعين شديدي التفاعل يُطلق عليهما اسم الجذور. على سبيل المثال، يؤدي الانقسام المتماثل للرابطة التساهمية في جزيء الكلور إلى تكوين جذرين من الكلور. يتم تمثيل عملية الانقسام المتماثل بسهم ذي رأس واحد.

تتطلب عملية الانقسام المتماثل عادة إدخال الطاقة لكسر الرابطة وبدء الانقسام. يمكن توفير هذه الطاقة بوسائل مختلفة، مثل الحرارة، أو الضوء، أو التفاعل مع الأنواع التفاعلية الأخرى. يؤدي إدخال الطاقة إلى زعزعة التوازن بين القوى الجاذبة التي تربط الذرات معًا والقوى الطاردة بين الإلكترونات. ونتيجة لذلك، يتم كسر الرابطة، ويحتفظ كل ذرة بإلكترون واحد. هل يمكنك إعطاء أي مثال للتفاعل الكيميائي الذي يتضمن الانقسام المتماثل؟.

الانشطار غير المتماثل هو نوع من انقسام الرابطة حيث تنكسر الرابطة التساهمية بشكل غير متماثل. ويؤدي هذا إلى تكوين نوعين مشحونين يسميان الأيونات. في هذه العملية، تحتفظ إحدى الذرات المرتبطة بالإلكترونين من الزوج المشترك. ويصبح نوعًا مشحونًا سلبًا يسمى الأنيون. الذرة الأخرى تصبح ناقصة الإلكترون. ويصبح نوعًا مشحونًا إيجابيًا يسمى الكاتيون. على سبيل المثال، تنكسر الرابطة في جزيء كلوريد الهيدروجين بشكل غير متماثل لتنتج أيون الهيدروجين وأيون الكلوريد.

الهدرجة التحفيزية للألكينات هي تفاعل كيميائي يتفاعل فيه غاز الهيدروجين مع الألكين في وجود محفز لتكوين الألكان. تتضمن هذه العملية إضافة ذرات الهيدروجين عبر الرابطة المزدوجة للألكين. ويؤدي هذا إلى تحويل الرابطة المزدوجة إلى رابطة مفردة. المحفز المستخدم عادة في هدرجة الألكينات هو عادة معدن انتقالي، مثل البلاتين أو البلاديوم أو النيكل. على سبيل المثال، يؤدي الهدرجة التحفيزية للإيثين إلى تكوين الإيثان.

الهدرجة التحفيزية للألكاينات هي تفاعل كيميائي يتفاعل فيه غاز الهيدروجين مع الألكاين في وجود محفز لتكوين الألكان. تتضمن هذه العملية إضافة ذرات الهيدروجين عبر الرابطة الثلاثية للألكاين. ويؤدي هذا إلى تحويل الرابطة غير المشبعة إلى رابطة مفردة. المحفز المستخدم عادة في هدرجة الألكاينات هو عادة محفز معدني، مثل البلاديوم أو البلاتين أو النيكل. على سبيل المثال، يؤدي الهدرجة التحفيزية للإيثين إلى تكوين الإيثان.

يمكن تفسير طبيعة الرابطة في البنزين من خلال النظر في بنية كيكولي ومفهوم عدم توطين إلكترون باي. بنية كيكولي هو نموذج مبكر اقترحه فريدريش أوغست كيكولي لوصف بنية البنزين. ويشير إلى أن البنزين هو جزيء حلقي يحتوي على روابط أحادية ومزدوجة متناوبة بين ذرات الكربون.

في بنية الكيكولي في البنزين، ترتبط كل ذرة كربون بذرة هيدروجين واحدة وذرتي كربون متجاورتين بواسطة رابطة سيجما. الرابطة باي المتبقية تتكون من ذرة الكربون مع ذرة الكربون المجاورة. يوضح هذا أن كل ذرة كربون في البنزين هي sp²مهجن.

زعم كيكولي أن البنزين يمكن أن يوجد في شكلين أو بنيتين. وأشار إلى هذه الهياكل باسم هياكل الرنين. في بنية واحدة، يتم ترتيب الروابط الأحادية والمزدوجة المتبادلة في حلقة سداسية. في بنية أخرى، يتم عكس مواقع الروابط المفردة والمزدوجة. كانت فكرة كيكولي هي أن البنية الفعلية للبنزين لا يتم وصفها من خلال أي من هياكل الرنين هذه وحدها. إنه وسيط أو هجين بين البنيتين.

وفقا لهيكل كيكولي، فإن الروابط الكربونية الأحادية والروابط المزدوجة في البنزين مميزة. ويقال أنه في البنزين، طول الرابطة الأحادية للكربون هو 154pm. طول الرابطة لذرات الكربون ذات الرابطة المزدوجة هو 133pm. ومع ذلك، تكشف البيانات التجريبية أن جميع أطوال الروابط بين ذرات الكربون في البنزين متساوية. جميع أطوال الروابط بين ذرات الكربون في البنزين هي 138pm. يتناقض هذا مع أطوال الرابطة المتناوبة التي يقدمها هيكل كيكولي.

الآن سوف نقوم بمقارنة قيمة Enthalpy القياسي لهدرجة بنية كيكولي للبنزين مع القيمة المرصودة. كما نعلم، 1-cyclohexatrieneيحتوي على رابطة مزدوجة واحدة. المحتوى الحراري القياسي للهدرجة 1-cyclohexatrieneيكون -120 kj/mol. تقول بنية كيكولي أن البنزين يمتلك ثلاث روابط مزدوجة. لذا فإن المحتوى الحراري القياسي للهدرجة لثلاث روابط مزدوجة سيكون -360 kj/mol.

وفي الوقت نفسه، تقول النتائج التجريبية أن المحتوى الحراري القياسي لهدرجة البنزين هو -208 kj/mol. تظهر هذه البيانات أن المحتوى الحراري القياسي لهدرجة البنزين أقل من المحتوى الحراري القياسي لهدرجة بنية كيكولي للبنزين. وهذا يدل على أن البنزين مستقر من بنية كيكوليه بمقدار واحد وخمسين كيلو جول لكل مول. وهذا يعني أن البنزين لا يخضع لتفاعلات الإضافة بسهولة مقارنة بالألكينات الأخرى.

يمكننا أن نستنتج أن بنية الكيكولا لا تصف بشكل صحيح بنية البنزين. وذلك لأن البنزين أكثر استقرارا من هيكل كيكولي الخاص به. يمكن وصف بنية البنزين بشكل صحيح من خلال عدم توطين إلكترون باي. كما نعلم بالفعل أن جميع ذرات الكربون في البنزين هي sp². وهذا يعني أن كل ذرة كربون في البنزين لها مداري p غير مهجن. لذا، هناك إجمالي ستة مدارات p غير مهجنة في البنزين. هذه المدارات p غير المهجنة تكون عمودية على الروابط سيجما بين ذرات الكربون في البنزين.

تسمى الإلكترونات الموجودة في هذه المدارات p غير المهجنة بإلكترونات باي. تنتشر الإلكترونات باي غير الموضعية في البنزين على الحلقة بأكملها. إنها لا تتواجد بين أي ذرات كربون محددة. يمنح هذا التوطين البنزين استقراره وتفاعليته الفريدة مقارنة بالهيدروكربونات غير المشبعة الأخرى. تمثل الدائرة الموجودة في البنية المحددة للبنزين توزيع الإلكترونات باي في جميع أنحاء حلقة البنزين.

كما نعلم، في الألكاينات توجد روابط ثلاثية بين ذرات الكربون. على سبيل المثال، يحتوي الإيثين على رابطة ثلاثية بين ذرتي كربون. هذه الذرات الكربونية مهجنة sp. إحدى الروابط الثلاثية هي الرابطة سيجما. والاثنتان الأخريان هما روابط باي. بسبب وجود رابطة سيجما واحدة ورابطتين باي، تتركز كثافة الإلكترون بين ذرتي كربون. ونتيجة لذلك، تصبح ذرة الهيدروجين مرتبطة بشكل فضفاض بذرات الكربون.

عندما يتم التعامل مع الألكاينات بقاعدة قوية، يتم إزاحة ذرة الهيدروجين المرتبطة بذرة الكربون المهجنة sp بواسطة الأيون المعدني للقاعدة القوية. يوضح هذا أن الألكاينات تظهر سلوكًا حمضيًا لأنها قادرة على التبرع بأيون الهيدروجين. على سبيل المثال، عندما يتم معالجة الإيثين بأميد الصوديوم، يتم إزاحة ذرة الهيدروجين في الإيثين بواسطة معدن الصوديوم.