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.}