Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

10.6: تهجين المدارات الذرّية I
فهرس المحتويات

JoVE Core
Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content. You will only be able to see the first 20 seconds.

Education
Hybridization of Atomic Orbitals I
 
نسخة طبق الأصل

10.6: تهجين المدارات الذرّية I

يحتوي التعبير الرياضي المعروف باسم الدالة الموجية، ψ، على معلومات حول كل مداري وخصائص تشبه الموجة للإلكترونات في ذرة معزولة. عندما ترتبط الذرات ببعضها البعض في جزيء، تتحد الوظائف الموجية لإنتاج أوصاف رياضية جديدة لها أشكال مختلفة. تسمى عملية الجمع بين الوظائف الموجية للمدارات الذرية بعملية التهجين ويتم إنجازها رياضياً عن طريق التوليفة الخطية للمدارات الذرية. المدارات الجديدة التي تنتج تسمى المدارات الهجينة.

فهم التهجين المداري الذري

الأفكار التالية مهمة في فهم التهجين:

  1. لا توجد المدارات الهجينة في الذرات المعزولة. تتشكل فقط في ذرات مرتبطة تساهمياً.
  2. المدارات الهجينة لها أشكال واتجاهات مختلفة تماماً عن تلك الموجودة في المدارات الذرية في الذرات المعزولة.
  3. يتم إنشاء مجموعة من المدارات الهجينة عن طريق الجمع بين المدارات الذرية. عدد المدارات الهجينة في مجموعة يساوي عدد المدارات الذرية التي تم دمجها لإنتاج المجموعة.
  4. كل المدارات في مجموعة المدارات الهجينة متكافئة في الشكل والطاقة.
  5. يعتمد نوع المدارات الهجينة المتكونة في ذرة مرتبطة على هندسة زوج الإلكترون الخاص بها ، كما تنبأت نظرية فيسبر.
  6. المدارات الهجينة تتداخل لتشكل روابط σ. تتداخل المدارات غير المهجنة لتشكل روابط π.

في الأقسام التالية، سنناقش الأنواع الشائعة من المدارات الهجينة.

sp تهجين

ذرة البريليوم في جزيء BeCl2 الغازي هو مثال على ذرة مركزية بدون أزواج وحيدة من الإلكترونات في ترتيب خطي من ثلاث ذرات. هناك منطقتان لكثافة إلكترون التكافؤ في جزيء BeCl2 يتوافقان مع الروابط التساهمية Be–Cl. لاستيعاب هذين المجالين الإلكترونيين، سوف يختلط اثنان من ذرات’s BE أربعة من مدارات التكافؤ لإنتاج مدارين هجينين. تتضمن عملية التهجين هذه خلط مدار التكافؤ s مع أحد مدارات التكافؤ p لإعطاء مداري تكافؤ sp مختلطين موجودين بشكل خطّي هندسياً. تبدو مجموعة المدارات sp متشابهة في الشكل مع المدار p الأصلي، ولكن هناك فرق مهم. عدد المدارات الذرية مجتمعة يساوي دائماً عدد المدارات الهجينة المتكونة. المدار p هو مدار واحد يمكنه استيعاب ما يصل إلى إلكترونين. مجموعة sp هي اثنين من المدارات المتكافئة التي تشير إلى 180° من بعضهما البعض. تم توزيع الإلكترونين اللذين كانا في الأصل في مدار s الآن على مدارين sp، اللذين كانا نصف ممتلئين. في المركب الغازي BeCl2، ستتداخل هذه المدارات الهجينة نصف المملوءة مع المدارات من ذرات الكلور لتشكيل رابطتين متطابقتين من روابط σ.

عند تهجين المدارات الذرية، تحتل إلكترونات التكافؤ المدارات المنشأة حديثاً. تحتوي ذرة Be على إلكترونين تكافؤين ، لذلك يحصل كل من المدارات sp على أحد هذه الإلكترونات. يتزاوج كل من هذه الإلكترونات مع الإلكترون غير المزاوج على ذرة الكلور عندما يتداخل مداري هجين ومدار كلور مداري أثناء تكوين روابط Be–Cl bonds.

أي ذرة مركزية محاطة بمنطقتين فقط من كثافة إلكترون التكافؤ في جزيء ستظهِر تهجيناً sp. تشمل الأمثلة الأخرى ذرة الزئبق في الجزيء الخطي HgCl2، ذرة الزنك في Zn(CH3)2، والتي تحتوي على ترتيب خطّيC–Zn–C، وذرات الكربون في HCCH و CO2.

sp2 التهجين

تتكون مدارات التكافؤ لذرة مركزية محاطة بثلاث مناطق من كثافة الإلكترون من مجموعة من ثلاث مدارات sp2 مهجّنة ومدار p غير مهجّن. ينتج هذا الترتيب عن التهجين sp2، وهو خلط مدار واحد من s مع اثنين من مدارات p لإنتاج ثلاثة مدارات متطابقة مدارات هجينة موجهة في هندسة مستوية مثلثية.

يقترح التركيب الملحوظ لجزيء البوران BH3 تهجيناً sp2 للبورون في هذا المركب. الجزيء مستو ثلاثي الزوايا، وتشارك ذرة البورون في ثلاث روابط لذرات الهيدروجين. تتم إعادة توزيع إلكترونات التكافؤ الثلاثة لذرة البورون في المدارات الهجينة 2 ، وكل زوج من إلكترونات البورون مع إلكترون الهيدروجين عندما تتشكل روابط B–H.

ستظهر أي ذرة مركزية محاطة بثلاث مناطق من كثافة الإلكترون تهجينًا sp2. يتضمن ذلك جزيئات ذات زوج وحيد على الذرة المركزية، مثل ClNO، أو جزيئات ذات رابطتين فرديتين ورابطة مزدوجة متصلة بالذرة المركزية ، كما هو الحال في الفورمالديهايد، CH 2H2O، والإيثين، H2CCH2.

1

sp3 التهجين

تتكون مدارات التكافؤ للذرة المحاطة بترتيب رباعي السطوح من أزواج الترابط والأزواج المنفردة من مجموعة من أربعة مدارات sp3 مدارات مختلطة. تنتج الهجائن عن خلط مدار s واحد وجميع المدارات p الثلاثة ، والتي  تنتج أربعة مدارات sp3 هجينة متطابقة. يشير كل من هذه المدارات الهجينة نحو زاوية مختلفة من رباعي السطوح.

يتكون جزيء الميثان ، CH4، من ذرة كربون محاطة بأربع ذرات هيدروجين في زوايا رباعي السطوح. تُظهر ذرة الكربون في الميثان تهجينًا sp3. يتم توزيع إلكترونات التكافؤ الأربعة لذرة الكربون بالتساوي في المدارات الهجينة، وكل زوج من إلكترون الكربون مع إلكترون الهيدروجين عندما تتشكل روابط C–H.

في جزيء الميثان، يتداخل المدار 1s لكل ذرة من ذرات الهيدروجين الأربع مع إحدى مدارات sp3 الأربعة لذرة الكربون لتشكيل رابطة سيجما (σ). ينتج عن هذا تكوين أربع روابط تساهمية قوية ومتكافئة بين ذرة الكربون وكل ذرة من ذرات الهيدروجين لإنتاج جزيء الميثان ، CH4.

يمكن أن يحتوي المدار

sp3 المختلط أيضاً على زوج واحد من الإلكترونات. على سبيل المثال، ذرة النيتروجين في الأمونيا محاطة بثلاثة أزواج مترابطة وزوج وحيد من الإلكترونات موجه إلى الزوايا الأربع لرباعي السطوح. ذرة النيتروجين sp3 مهجنة بمدار واحد مختلط يشغله الزوج الوحيد.

يتوافق التركيب الجزيئي للماء مع ترتيب رباعي السطوح لزوجين منفردين وزوجين مترابطين من الإلكترونات. وهكذا نقول إن ذرة الأكسجين sp3 مهجنة ، مع اثنين من المدارات الهجينة تشغلها أزواج منفردة واثنان من أزواج الترابط. نظراً لأن الأزواج المنفردة تشغل مساحة أكبر من أزواج الترابط، فإن الهياكل التي تحتوي على أزواج وحيدة لها زوايا رابطة مشوهة قليلاً عن المثالية. الهياكل رباعية السطوح المثالية لها زوايا 109.5° ، لكن الزوايا المرصودة في الأمونيا (107.3°) والماء (104.5°) أصغر قليلاً. تتضمن الأمثلة الأخرى للتهجين CCl4, PCl3, و NCl3.

تم اقتباس هذا النص من Openstax, Chemistry 2e, Section 8.2: Hybrid Atomic Orbitals.

Waiting X
Simple Hit Counter