في هذه المقالة سنتعرف على طبيعة الرابطة التساهمية في المركبات العضوية. فعلى سبيل المثال جزيء الميثان CH4 يتكون من ذرة كربون واحدة مرتبطة بأربع ذرات هيدروجين عن طريق أربعة روابط تساهمية أحادية Single covalent bond .
التوزيع الإلكتروني لذرة الكربون:
6C : [He] 2s2 2p2
6C : [He] 2s2 2p2
تهجين ذرة الكربون من نوع sp3
إذا قمنا بقياس طول وطاقة كل رابطة من الروابط الاربعة التساهمية لجزيء الميثان سنجد أن جميع الروابط الأربعة لها نفس الطول وكذلك نفس الطاقة ، مما يجعلنا نتساءل : كيف تستطيع ذرة الكربون في جزيء المثان CH4 تكوين أربعة روابط تساهمية ولها نفس الطول والطاقة ؟ بينما الإلكترونات الأربعة المتواجدة في المستوى الأخير للكربون والمستخدمة في تكوين هذه الروابط تتواجد في مستويات طاقة مختلفة والتي هي عبارة عن إلكترونين متواجدين في المستوى 2s (مستوى طاقة أقل) ، وإلكترونين متواجدين في المستوى 2p (مستوى طاقة أكبر).
نستطيع الاجابة التساؤل السابق كالتالي:
أن ذرة الكربون C في جزيء الميثان CH4 وقبل اتحادها مع ذرات الهيدروجين الأربعة تدخل في عملية تهجين بحيث تتحد الأفلاك الذرية الأربعة (فلك s وأفلاك p الثلاثة) فيما بينها لتكوين أفلاك جديدة ذات مستويات طاقة متساوية ، وتبعاً لذلك تستطيع ذرة الكربون ذات الأفلاك المهجنة الجديدة ان تكون أربعة روابط مع ذرات الهيدروجين الأربعة ولهذة الروابط المتكونة طول واحد وطاقة متساوية ، وتدعى الأفلاك المهجنة الجديدة أفلاك SP3- orbitals) sp3) .
تحدث عملية التهجين من خلال مرحلتين هما:
- المرحلة الأولى (انتقال الإلكترون) : عند إثارة ذرة الكربون ينتقل إلكترون من الفلك الفرعي 2s إلى الفلك الفرعي 2p ليشغل الفلك الفارغ من الإلكترونات، وبهذا تصبح ذرة الكربون مثاره.
- المرحلة الثانية: يحدث خلط الأفلاك الأربعة (فلك 2s وأفلاك 2p الثلاثة) لتكوين الأفلاك المهجنة الجديدة، ويحدث ذلك التهجين في مستوى طاقي أعلى من مستوى طاقة الفلك (2s) وأقل من مستوى طاقة الفلك (2p) فتتكون 4 أفلاك متماثلة في الشكل والطاقة، كما في الشكل التالي:
للأفلاك المهجنة الجديدة أشكال هندسية مختلفة عن الأفلاك التي كانت عليها قبل حدوث عملية التهجين، كما في الشكل التالي:
وبسبب التنافر بين الإلكترونات السالبة الشحنة في الأفلاك الهجينة فإن هذه الأفلاك تبتعد عن بعضها البعض وتتوزع على شكل رباعي (tetrahedral structure) وتكون أكبر زاوية ممكنة 109.5° في حالة الألكانات. وبعد أن تتم عملية التهجين ترتبط ذرة الكربون المهجنة مع أربعة ذرات هيدروجين ليتكون جزيء الميثان.
أما في جزيء الإيثان (CH3CH3) سنجد أن كل ذرة كربون مرتبطة بثلاثة ذرات من الهيدروجين، ولذلك فإن كل ذرة كربون تحتاج إلى أربعة أفلاك من نوع sp3 لتكوين الروابط الأربعة (لأن كل ذرة كربون سترتبط بثلاثة ذرات هيدروجين والرابطة الرابعة مع ذرة الكربون الأخرى).
وتسمى الرابطة المتكونة بين ذرتي الكربون بالرابطة التساهمية من نوع سيجما (Sigma) ويرمز لها بالرمز (σ) كما يوضح ذلك الشكل التالي:
تهجين ذرة الكربون من نوع sp2
عند مساهمة كل ذرة كربون باثنين من الإلكترونات فإن الرابطة الناشئة تسمى رابطة تساهمية ثنائية أو رابطة مزدوجة (Double covalent bond) .
وفي هذه الحالة جزيء الإيثيلين (CH2CH2) على سبيل المثال نجد ان كل ذرة كربون محاطة بثلاث ذرات (وذلك لأن كل ذرة كربون ترتبط مع ذرة الكربون الأخرى برابطة مزدوجة وترتبط مع ذرتين هيدروجين) ، وبالتالي فهي بحاجة إلى ثلاثة أفلاك مهجنة متساوية الطاقة والشكل.
ولكي نصل الى هذه النتيجة فإن ذرة الكربون وقبل الاتحاد مع ذرات الهيدروجين يحدث لها عملية تهجين من خلال اندماج فلك واحد 2s مع فلكين فقط من أفلاك 2p الثلاثة لنحصل على ثلاثة أفلاك جديدة والتي تسمى أفلاك SP2- orbitals) sp2).
ونلاحظ من الشكل السابق بقاء فلك واحد من نوع p كما هو وفي نفس مستوى الطاقة الذي كان عليه قبل التهجين لأنه خارج نطاق عملية التهجين.
كما نلاحظ أن مستوى طاقة أفلاك sp2 الجديدة أقل من مستوى طاقة الفلك 2p والذي لم يدخل في عملية التهجين، وبشكل عام فإن مستوى طاقة أفلاك sp2 الجديدة أكبر من مستوى طاقة الفلك s وأقل من مستوى طاقة الفلك p ، وذلك لأن أفلاك sp2 هجينة من الفلك s الذي هو أقرب الى النواة وذو طاقة أقل وكذلك من أفلاك p والتي لها طاقة أكبر فبالتالي تواجدت الأفلاك المهجنة الجديدة بين المستويين. أما شكل الأفلاك الهجينة الثلاثة فهي مثلث سطحي كما في الشكل التالي:
نلاحظ أن الأفلاك الهجينة sp2 تترتب على شكل مثلث سطحي ، وتبلغ الزاوية بين كل مدارين 120° ، أما بالنسبة للفلك p المتبقي يكون بشكل رأسي ويتقاطع مع المثلث السطحي بزاوية مقدارها 90° .
وعند اقتراب ذرتي كربون هجينتين sp2 تتكون نوعين من الروابط التساهمية بينهما وهما:
- رابطة تساهمية سيجما (σ) والتي تتكون من ارتباط فلكين sp2 بطريقة رأس لرأس.
- رابطة تساهمية باي (π) والتي تتكون من ارتباط فلكين p بطريقة جانب لجانب.
وهكذا فإن الرابطة المزدوجة (الثنائية) الناشئة بين ذرتي الكربون تتكون من رابطتين (سيجما و باي) بينهما ويؤدي ذلك إلى تحول جزيء الألكين بشكل عام على هيئة مسطح (planar) .
تهجين ذرة الكربون من نوع sp
يكون تهجين ذرات الكربون في الرابطة الثلاثية من النوع sp ، إذ ان كل ذرة الكربون بعد عملية التهجين sp تمتلك مدارين p غير مهجنين ومدارين sp مهجنين.
عند التداخل المباشر بين مداري sp (مدار واحد من كل ذرة كربون) تنشأ رابطة قوية سيجما σ ، وعند التداخل الجانبي لمدارات p الأربعة تتكون رابطتان من نوع π كما في الشكل التالي:
ان طاقة الرابطة الثلاثية بين ذرتي كربون تساوي 836.8 كيلوجول /مول، وهي أقوى من الرابطة الثنائية وكذلك من الرابطة الأحادية، فطاقة الرابطة سيجما σ تساوي 368.2 كيلوجول / مول، وطاقة الرابطة π الأولى 267.78 كيلوجول / مول، في حين تبلغ طاقة الرابطة π الثانية 200.8 كيلوجول / مول. ونتيجة للتهجين sp في كلا ذرتي الكربون في الرابطة الثلاثية يكون شكل الجزي خطياً 180° .
اخيراً فالرابطة الثلاثية بين ذرتين أقصر من الثنائية، والثنائية أقصر من الأحادية ، كما يتضح ذلك من خلال الشكل التالي:
إنظر ايضاً:
شرح راقي جدا
ردحذفسؤالي.هل هناك قاعده لمعرفه تهجين اي مركب من خلال النظر اليه؟؟؟
وفقكم الله
شكراً لك اخي العزيز ، في مركبات الكربون تستطيع معرفة نوع التهجين من خلال النظر الى نوع الروابط هل هي احادية ، مزدوجة ، ثلاثية ، كما في أول صورة للمقالة أعلى ، تلك الصورة هي الملخص النهائي لمعرفة نوع التهجين للكربون.
حذفستجد ان التهجين للكربون من نوع sp3 كل الروابط احادية.
حذفالتهجين sp2 للكربون ، هناك رابطة واحدة مزدوجة و رابطتين احاديتين.
التهجين sp للكربون ، هناك رابطة واحدة ثلاثية ورابطة احادية ، أو رابطتين مزوجتين.
شرح دقيق و مفصل شكرا
ردحذفشكراً لك اخي الكريم ، نتمنى ان نتوفق لتقديم المعلومات الدقيقة بطريقة مبسطة
حذفالسلام عليكم
ردحذفلدي سؤال كيف تستطيع ذرة الكربون ان تكون اربع روابط وهي تحتوي على الكترونين فقط في المدار Pوالكترونين في المدارS؟ هل الجواب ان ذره الكربون تدخل في عملية تهجين
وعليكم السلام ورحمة الله وبركاته
حذفنعم يحدث لذرة الكربون عملية تهجين حسب مركزية ذرة الكربون ونوع الرابطة التي تتصل بها..
فعلى سبيل المثال في جزئ الميثان CH4 تتحد الأفلاك الذرية الأربعة لذرة الكربون المركزية (فلك واحد s وثلاثة أفلاك p ولكن بعد اثارة احد الكترونات الفلك s لينتقل الى الفلك p وهنا يكون لدينا الكترون واحد في الفلك s وثلاثة الكترونات في الفلك p ثم تبدأ عملية التهجين) فتتحد الاربعة الافلاك الذرية لذرة الكربون (s + px + py + pz) فيما بينها لتكوين أفلاك جديدة ذات مستويات طاقة متساوية ، وتبعاً لذلك تستطيع ذرة الكربون ذات الأفلاك المهجنة الجديدة ان تكون أربعة روابط مع ذرات الهيدروجين الأربعة ولهذة الروابط المتكونة طول واحد وطاقة متساوية ، وتدعى الأفلاك المهجنة الجديدة أفلاك SP3- orbitals) sp3) .
وفي حالة جزيء الإيثيلين (CH2CH2) نجد ان كل ذرة كربون محاطة بثلاث ذرات (وذلك لأن كل ذرة كربون ترتبط مع ذرة الكربون الأخرى برابطة مزدوجة وترتبط مع ذرتين هيدروجين) ، وبالتالي فهي بحاجة إلى ثلاثة أفلاك مهجنة متساوية الطاقة والشكل..
ولكي نصل الى هذه النتيجة فإن ذرة الكربون وقبل الاتحاد مع ذرات الهيدروجين يحدث لها عملية تهجين من خلال اندماج فلك واحد 2s مع فلكين فقط من أفلاك 2p الثلاثة لنحصل على ثلاثة أفلاك جديدة والتي تسمى أفلاك SP2- orbitals) sp2).
وفي حالة جزئ الايثين CHCH يحدث عملية تهجين الكربون من خلال تداخل فلك واحد من s مع فلك واحد من p .
وفي المقال أعلى ستجد التوضيح بتفصيل أكبر..
خالص التحايا.
السلام عليكم كيف يكون التهجين في ثنائي اوكسيد الكاربونCo2 مع ذكر السبب
ردحذفوعليكم السلام ورحمة الله وبركاته
حذفنوع التهجين في ثاني اكسيد الكربون CO2 هو SP على اعتبار ان ذرة الكربون مركزية.
لماذا نوع التهجين هو SP ؟
يتم تحديد التهجين بواسطة الهندسة الجزيئية للمركبات، وهنا فإن CO2 مركب خطي - لكن هذا التفسير غير كافي - ولهذا يجب ان نشرح العملية التي تحدث.
في الحالة العادية فإن التوزيع الالكتروني لذرة الكربون يكون على النحو التالي:
1s2 2s2 2p2
وعند الاثارة يحدث انتقال احد الالكترونات التي في المدار 2s الى المدار 2p ليصبح توزيع الالكترونات بالحالة المثارة لذرة الكربون على النحو التالي:
1s2 2s1 2p3
هذا يعني ان كل مدار 2p التي هي (2Px, 2Py, 2Pz) يحتوي الان على إلكترون واحد.
الان يحدث تداخل وتساوي طاقي للإلكترون المفرد في 2s و إلكترون مفرد في 2p ولنقل 2Py فتحدث لهما عملية التهجين لينتج لنا مدارين جديدين مهجنين من نوع SP اي ان لدينا الان مدارين (2SP).
...
بالمقابل فإن التوزيع الالكتروني لذرة الاكسجين في الحالة العادية هو:
1s2 2s2 2p4
اذن فإن اثنين من مدارات 2p تحتوي على الكترون مفرد والمدار الثالث يحتوي على الكترون مزدوج ، ولنقل ان مدارات p التي تحتوي على الكترون مفرد هي 2px و 2pz.
الان فإن 2px لذرة الاكسجين الذي يحتوي على الكترون مفرد يمكن له تكوين رابطة سيجما σ مع المدار المهجن sp من ذرة الكربون ، وايضا فإن 2pz لذرة الاكسجين والذي يحتوي ايضا على الكترون مفرد يمكن له تكوين رابطة ڤاي π مع المدار الغير مهجن 2pz من ذرة الكربون، ويحدث نفس الشيء في الجهة الاخرى من الكربون مع ذرة الاكسجين الثانية.
وبالتالي فإن لدينا رابطة مزدوجة والتي هي اساسا رابطة سيجما + رابطة ڤاي ، وشكل الجزيء خطي ونوع الرابطة sp بإعتبار ذرة الكربون هي الذرة المركزية.
ان بعض المصادر تعتبر ذرة الاكسجين هي المركزية وبالتالي ترى ان نوع التهجين الذي يحدث لذرة الاكسجين هو sp2 وهذا الامر غير صحيح، والصحيح ان ذرة الكربون هي الذرة المركزية.
دمتم بخير دائماً..
شكرا على هذه الجهد الجميل
ردحذفالسلام عليكم
ردحذفاريد خاتمة حول تهجين الكربون