تهجين ذرة الكربون وأنواع الروابط المتشكلة

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

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:

التهجين في الكيمياء hybridization التهجين الكيميائي من نوع sp² نوع التهجين في مركب فلوريد الهيدروجين HF