معلومات عن التهجين في الكيمياء

يعطي التهجين تفسيرا لطبيعة الأفلاك الذرية وطريقة اتحادها لتكوين الأفلاك الجزيئية وهو عبارة عن عملية تداخل بين أفلاك الذرة الواحدة المتقاربة في الطاقة ، ينتج عنها أفلاك جديدة متساوية في الشكل والطاقة .

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.

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 109.5^o

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

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

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

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 (p_z)   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 120^o

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 (p_z)  من ذرة كربون مع الفلك(p_z)   من ذرة الكربون الأخرى.

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

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

– 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).

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 (p_y)  والفلك (p_z) 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 180^o

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   (p_y),  (p_z) 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

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 107^o

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

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

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 105^o 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 لجزيء الأمونيا هو هرم رباعي الأوجه حيث يشغل كل زوج إلكترونات غير رابط أحد رؤوس الهرم الرباعي .

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