التهجين Hybridization



أولاً: تعريف التهجين Hybridization

يعطى التهجين تفسيراً لطبيعة الأفلاك الذرية وكيفية اتحادها لتكوين الأفلاك الجزيئية وهى عبارة عن عملية تداخل بين أفلاك الذرة الواحدة المتقاربة في الطاقة ينتج عنها افلاك جديدة متساوية في الطاقة والشكل.

ثانياً: تعريف الفلك الجزيئي Molecular orbital

** يصف الفلك الجزيئي حيزاً من الفراغ تتحرك فيه الإلكترونات ويشمل نواتين أو أكثر ويتسع لإلكترونين مزدوجين كحد أقصى وتكون طاقة الإلكترون في فلك جزيئي رابط أقل منها في الفلك الذري المستقل.

** تتم عملية التهجين بعد إثارة الذرة  - نتيجة لامتصاص طاقة-  حيث ينتقل إلكترون من فلك فرعي أقل في الطاقة إلى فلك فرعي أعلى في الطاقة.

ثالثاً: تهجين وبناء جزئ الميثان CH4 - Methane

 H1: 1s1  ,   6C: 1s2,  2s2 2p2

(1) من التوزيع الإلكتروني لذرة الكربون نجد أنها تحتوى على مزدوج إلكتروني في الفلك الفرعي (2s) وإلكترونين مفردين في الفلك الفرعي (2p).

(2) عند إثارة الذرة ينتقل إلكترون من الفلك الفرعي (2s) إلى الفلك الفرعي (2p) فتمتلك بذلك ذرة الكربون 4 افلاك نصف ممتلئة ولكنها غير متماثلة في الشكل والطاقة.

(3) يحدث تهجين بين أفلاك (2s) وأفلاك (2p) في مستوى طاقة اعلى من مستوى طاقة الفلك (2s) وأقل من مستوى طاقة الفلك (2p) فتتكون 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 109.5o

(6) يتم التداخل بين الأفلاك المهجنة وفلك (1S) لأربع ذرات هيدروجين فتتكون 4 روابط تساهمية أحادية من النوع سيجما (Sigma bond) وبذلك يتكون جزئ الميثان.

(7) عدد الروابط المتكونة في جزي الميثان أربعة روابط كلها من النوع سيجما.


(8) من خلال دراسة تهجين جزئ الميثان نستنتج أن الشكل الهندسي له هو هرم رباعي الأوجه  tetrahedral


ملاحظات هامة

(أ) الرابطة سيجما : (σ) (Sigma bond) هي رابطة تنشأ من التداخل الأفقي للأفلاك أي تكونت على خط واحد.

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

رابعاً: 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 (pz)  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 120o

(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 (pz) من ذرة كربون مع الفلك(pz)  من ذرة الكربون الاخرى.

(4) عدد الروابط المتكونة في جزي الإيثلين = 6 روابط  منها (5) روابط سيجما ورابطة واحدة فقط من النوع باي.

(5) من خلال دراسة تهجين جزئ الإيثلين نستنتج أن الشكل الهندسي له هو مثلث مسطح Planar triangle


ملاحظات هامة

(أ) الرابطة باي : (π) (Pi bond) هي رابطة تنشأ من التداخل الجانبي للأفلاك الذرية غير المهجنة أي تكون متوازية.

(ب) ان درجة تداخل الأفلاك الإلكترونية في رابطة سيجما (σ) أعلى من درجة التداخل في الرابطة باي (π) لهذا فأن الرابطة سيجما (σ) أقوى من الرابطة باي (π).

خامساً: 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 (py)  والفلك (pz) في وضعهما الأصلي قبل التهجين.



(2) تسمى الأفلاك المهجنة sp لأنها تكونت من تهجين فلك s)) وفلك (p).

(3) يحدث تنافر بين الأفلاك المهجنة حتى تصل الزوايا بينها إلى 180o

(4) التداخل في جزئ الأسيتيلين:

(أ) تداخل يؤدي إلى تكوين روابط سيجما (σ):
** تداخل أفلاك (sp) من كل ذرة كربون مع أفلاك (1s) من كل ذرة هيدروجين ينتج عنه رابطة C-H
** تداخل بين أفلاك (sp) من كل ذرة كربون ينتج عنه رابطة C-C

(ب) تداخل يؤدي إلى تكوين روابط باي (π):
** نتيجة تداخل جانبي بين فلكي الفلك   (py),  (pz) من كل ذرة كربون فتتكون الرابطة الثلاثية CH ≡ CH

(5) عدد الروابط المتكونة في جزي الأسيتيلين = 6 روابط  منها (3) روابط سيجما ورابطتين من النوع باي.

(6) من خلال دراسة تهجين جزئ الأسيتيلين نستنتج أن الشكل الهندسي له هو خطي Linear


سادساً: مقارنة أطوال الروابط في جزيئات كل من الميثان والإيثان والإيثين والإيثاين

** أن طول الرابطة هو عبارة عن  الحيز بين الذرات في الرابطة التساهمية ويعب عنه في أغلب الأحيان بالأنجستروم angstroms ويساوي 1010- متر ويرمز له بالرمز (Ao)


** من القيم المدرجة بالجدول نجد أن:

(1) الرابطة C-C الاحادية أطول من الرابطة C=C الزوجية والرابطة الزوجية أطول من الرابطة C ≡ C الثلاثية بسبب الكثافة الإلكترونية بين نواتي الكربون والتي تزداد بزيادة رتبة الرابطة.

(2) تتناقص الرابطة C-H في الطول مع زيادة رتبة الرابطة C-C وذلك بسبب ارتفاع نسبة طبيعة الفلك (s) في تهجين sp (50%) عن تهجين sp2 (33%) وعن تهجين sp3 (25%) حيث تميل إلكترونات فلك (s) للقرب من النواة.

** الجدول التالي يوضح مقارنة بين أطوال روابط C-C الأحادية وتأثرها بالتهجين:



نلاحظ من الجدول التناقص المنتظم في طول الرابطة C-C الأحادية نتيجة ارتفاع نسبة طبيعة الفلك (s)

سابعاً: 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 107o

** الشكل الهندسي لجزئ الأمونيا هو هرم رباعي الأوجه حيث يشغل زوج الإلكترونات غير الرابط رأس الهرم الرباعي أي يكون له نفس شكل جزئ الميثان.

** لوصف الشكل الخاص لجزئ الأمونيا يهمل زوج الإلكترونات غير الرابط فيكون شكل الجزيء هو مثلث هرمي Trigonal pyramidal

ثامناً: 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 105o 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 لجزئ الأمونيا هو هرم رباعي الأوجه حيث يشغل كل زوج إلكترونات غير رابط أحد رؤوس الهرم الرباعي .

** لوصف الشكل الخاص لجزئ الماء يهمل زوجي الإلكترونات غير الرابط  على ذرة الأكسجين فيكون شكل الجزيء هو الشكل الزاوي Angular

تاسعاً: أنواع التهجين السائدة في الكيمياء العضوية

** يمكن إيجاد التهجين مباشرة من الجدول التالي الذي يوضح بعض أنواع التهجين السائدة في الكيمياء العضوية:



A: مركز الجزئ (الذرة المركزية)

X: عدد المجموعات أو الذرات المرتبطة تساهميا بالذرة المركزية ( أو الذرة المراد إيجاد التهجين لها ) .

** لاحظ أن عدد المجموعات أو الذرات المرتبطة بالذرة المراد إيجاد التهجين لها يساوي عدد الأفلاك المهجنة.

عاشراً: أمثلة محلولة

أوجد نوع التهجين للذرة المركزية وشكل الجزيئات التالية مستعينا بالجدول السابق ؟
H2CO , BF3 , H3C+ , H3C-

الحل:


 المراجع : أسس الكيمياء العضوية / وائل غالب محمد - وليد محمد السعيطي / الطبعة الأولى (2008) / دار الكتب الوطنية - بنغازي - لبيبا



هناك 4 تعليقات:

  1. اتمنى ان يتم نشر كل ماهو جديد ومفيد عن علم الكيمياء ,أنا استاذة في الكيمياء الفيزيائية أتمنى الاستفادة من كل ماهو منش
    ور عن علم الكيمياء

    ردحذف
    الردود
    1. ان شاء الله سوف يتم ذلك وتشرفنا بك فى موقعنا

      حذف
  2. شكرا بارك الله فيكم علي مدار سنوات لم افهمها الان

    ردحذف
    الردود
    1. نحن هنا لمساعدتك تشرفنا بك على موقعنا

      حذف