معلومات عن التهجين في الكيمياء

التهجين يشرح كيفية تكوين الأفلاك الجزيئية من خلال دمج الأفلاك الذرية المتشابهة في الطاقة، ويتم ذلك بتداخل الأفلاك الذرية لتشكل أفلاكا جديدة متساوية في الشكل والطاقة .

تعريف الفلك الجزيئي Molecular orbital

يصف الفلك الجزيئي الفراغ الذي تتحرك فيه الإلكترونات، ويتضمن نواتين أو أكثر، ويسع لإلكترونين مزدوجين على الأكثر، وتكون طاقة الإلكترون في فلك جزيئي أقل من طاقته في الفلك الذري المستقل.

بمجرد إثارة الذرة وامتصاص ال الطاقة، يتم تنفيذ عملية التهجين حيث يتحرك الإلكترون من فلك فرعي طاقته أقل إلى فلك فرعي طاقته أعلى.

تهجين وبناء جزئ الميثان CH₄ – Methane

 H1: 1s¹  ,   ₆C: 1s²,  2s² 2p²

من خلال توزيع الإلكترونات في ذرة الكربون، نجد أنه يحتوي على زوج إلكتروني في المدار الفرعي 2s وإلكترونات فردية في المدار الفرعي 2p.

عند إثارة الذرة، يحدث انتقال إلكترون من الفلك الفرعي (2s) إلى الفلك الفرعي (2p)، مما يجعل ذرة الكربون تمتلك أربعة فلكات نصف ممتلئة، ولكنها غير متماثلة في الشكل والطاقة.

يحدث تداخل بين أفلاك (2s) وأفلاك (2p) في مستوى طاقة يزيد عن مستوى طاقة الفلك (2s) ويقل عن مستوى طاقة الفلك (2p)، مما يؤدي إلى تشكل 4 أفلاك متماثلة في الشكل والطاقة.

4- تسمى الأفلاك المهجنة بأفلاك (sp³) لأنها نتجت من تهجين فلك (s) مع ثلاثة أفلاك (p)

5- تتنافر الأفلاك المهجنة فيما بينها حتى تصل زوايا الربط (Bond angle) إلى 109.5^o

يحدث تداخل بين الأفلاك المهجنة وفلك (1S) لأربع ذرات هيدروجين، ويتكون بذلك ارتباط تساهمي أحادي من النوع “سيجما” بينهم، ويتكون بذلك جزيء الميثان.

يتكون جزيء الميثان من أربع روابط من النوع سيجما.

نستنتج من دراسة تهجين جزئ الميثان أن الشكل الهندسي له هو هرم رباعي الأوجه tetrahedral

ملاحظات هامة

– الرابطة سيجما : الرابطة السيغما هي رابطة تتشكل من تداخل الأفلاك على خط واحد.

– ذرات الهيدروجين  لا ترتبط مع ذرة الكربون المثارة لأن الأفلاك تكون متعامدة بزوايا 90^o وكذلك وجود نوعين من الأفلاك المختلفة في الشكل والطاقة (s, p).

تهجين وبناء جزئ الإيثيلين CH₂ = CH₂  Ethylene

1- يتم تهجين فلك (2s) مع فلكين (2p) في ذرة الكربون المثارة فتنتج  3 أفلاك متماثلة في الشكل والطاقة ويبقى الفلك (p_z)   في وضعه الأصلي قبل التهجين وتسمى الأفلاك المهجنة sp²  لأنها تكونت من تهجين فلك s)) وفلكين (p).

2- يحدث تنافر بين الأفلاك المهجنة حتى تصل الزوايا بينها إلى 120^o

3- التداخل في جزئ الإيثلين :

أ – تداخل يؤدي إلى تكوين روابط سيجما (σ):

– تداخل أفلاك (sp2) من كل ذرة كربون مع أفلاك (1s) من كل ذرة هيدروجين ينتج عنه رابطة C-H

– تداخل بين أفلاك (sp²) من كل ذرة كربون ينتج عنه رابطة C-C

ب- تداخل يؤدي إلى تكوين روابط باي (π):

–  نتيجة تداخل جانبي بين الفلك (p_z)  من ذرة كربون مع الفلك(p_z)   من ذرة الكربون الأخرى.

عدد الروابط الموجودة في جزيء الإيثيلين هو 6 روابط، بما في ذلك 5 روابط سيجما وروابط باي واحدة فقط.

نستنتج من دراسة تهجين جزئي الإيثيلين أن الشكل الهندسي له هو مثلث مسطح Planar triangle

ملاحظات هامة

–  الرابطة باي : الرابطة (π) (رابطة باي) هي رابطة تتشكل من تداخل الأفلاك الذرية غير المهجنة بشكل متوازٍ.

تزداد درجة تداخل الأفلاك الإلكترونية في رابطة سيجما (σ) بالمقارنة بدرجة التداخل في الرابطة باي (π)، ولذلك فإن الرابطة سيجما (σ) أقوى من الرابطة باي (π).

تهجين وبناء جزئ الأسيتيلين CH ≡ CH  Acetylene

1- يتم تهجين فلك (2s) مع فلك (2p) في ذرة الكربون المثارة فتنتج فلكين متماثلين في الشكل والطاقة ويبقى الفلك (p_y)  والفلك (p_z) في وضعهما الأصلي قبل التهجين.

تسمى الأفلاك المهجنة SP لأنها تكونت من تهجين فلك S وفلك P.

3-  يحدث تنافر بين الأفلاك المهجنة حتى تصل الزوايا بينها إلى 180^o

4- التداخل في جزئ الأسيتيلين :

أ – تداخل يؤدي إلى تكوين روابط سيجما (σ) :

تتداخل أفلاك (sp) من كل ذرة كربون مع أفلاك (1s) من كل ذرة هيدروجين لتشكل رابطة C-H

تتداخل أفلاك (sp) من كل ذرة كربون لتنتج رابطة C-C

ب-  تداخل يؤدي إلى تكوين روابط باي (π):

– نتيجة تداخل جانبي بين فلكي الفلك   (p_y),  (p_z) من كل ذرة كربون فتتكون الرابطة الثلاثية CH ≡ CH

عدد الروابط الموجودة في جزيء الأسيتيلين = 6 روابط، منها 3 روابط سيجما وروابط باي.

من خلال دراسة تهجين جزيء الأسيتيلين، نستنتج أن شكله الهندسي هو خطي Linear

تهجين وبناء جزئ النشادر Ammonia – NH₃

– يتم تهجين فلك (2s) مع افلاك (2p) لتكوين 4 أفلاك مهجنة من النوع (sp³) ثلاثة منها نصف ممتلئة ترتبط مع أفلاك (1s) لثلاث ذرات هيدروجين.

– تكون الزوايا بين أفلاك الأمونيا المهجنة 107^o

الشكل الهندسي لجزيء الأمونيا هو هرم رباعي الأوجه، حيث يشغل زوج الإلكترونات غير الرابط رأس الهرم الرباعي، أي أنه يتميز بنفس شكلجزيء الميثان.

عند وصف شكل جزيء الأمونيا، يتم تجاهل زوج الإلكترونات غير الرابط، ويصبح شكل الجزيء ثلاثي الأوجه هرمي Trigonal pyramidal

تهجين وبناء جزئ الماء Water – H₂O

– يتم تهجين فلك (1s) مع افلاك (2p) لتكوين 4 أفلاك مهجنة من النوع (sp³) ثم تتنافر لتصل الزوايا بينها إلى 105^o تقريباً.

– يتم التداخل بين فلكي (sp³) نصف الممتلئة مع فلك (1s) لرتي هيدروجين فيتكون جزئ الماء ويبقى زوجي الإلكترونات في الأفلاك غير الرابطة على ذرة الأكسجين.

الشكل الهندسي لجزيء الأمونيا يشبه هرمًا رباعي الأوجه، حيث يحتل كل زوج من الإلكترونات غير المرتبطة إحدى رؤوس الهرم الرباعي .

يتم تجاهل زوجي الإلكترونات غير المشاركة في الرابطة على ذرة الأكسجين لوصف الشكل الخاص لجزيء الماء، مما يؤدي إلى تشكل الجزيء بشكل زاوي