تهجين الكربون: ما هي مكوناته وأنواعه وخصائصه
ينطوي تهجين الكربون على مزيج من مدارين ذريين خالصين لتكوين مداري جزيئي "هجين" جديد له خصائصه الخاصة. تعطي فكرة المدار الذري تفسيرا أفضل من مفهوم المدار السابق ، لإثبات تقريبي للمكان الذي يوجد فيه احتمال أكبر لإيجاد إلكترون داخل الذرة.
بعبارة أخرى ، فإن المدار الذري هو تمثيل ميكانيكا الكم لإعطاء فكرة عن موقف الإلكترون أو زوج من الإلكترونات في منطقة معينة داخل الذرة ، حيث يتم تعريف كل مدار وفقًا لقيم أرقامه الكم.
تصف الأرقام الكمية حالة النظام (مثل حالة الإلكترون الموجود داخل الذرة) في لحظة معينة ، عن طريق الطاقة الخاصة بالإلكترون (ن) ، الزخم الزاوي الذي يصفه في حركته (ل) ، اللحظة المغناطيسية المرتبطة (م) وتدور الإلكترون أثناء التحرك داخل الذرة (الذرات).
هذه المعلمات فريدة لكل إلكترون في المدار ، لذلك لا يمكن أن يكون للإلكترونين نفس القيم للأرقام الكمية الأربعة تمامًا ، ويمكن أن يشغل كل مدار إلكترونين على الأكثر.
ما هو تهجين الكربون؟
لوصف تهجين الكربون ، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن خصائص كل مداري (شكله ، الطاقة ، الحجم ، إلخ) تعتمد على التكوين الإلكتروني لكل ذرة.
أي أن خصائص كل مدارية تعتمد على ترتيب الإلكترونات في كل "طبقة" أو مستوى: من الأقرب إلى اللب حتى الأبعد ، والمعروف أيضًا باسم قذيفة التكافؤ.
إلكترونات المستوى الأبعد هي الوحيدة المتاحة لتشكيل رابطة. لذلك ، عندما تتشكل رابطة كيميائية بين ذرتين ، يتم إنشاء تداخل أو تداخل مداريتين (واحدة من كل ذرة) وهذا يرتبط ارتباطًا وثيقًا بهندسة الجزيئات.
كما ذُكر أعلاه ، يمكن ملء كل مدار مداري بحد أقصى إلكترونين ، لكن يجب اتباع مبدأ Aufbau ، حيث يتم ملء المدارات وفقًا لمستوى طاقتها (من أدنى إلى أعلى) ، كما يظهر أدناه:
وبهذه الطريقة ، يتم أولاً ملء المستوى 1 s ، ثم 2 s ، يليه 2 p وما إلى ذلك ، اعتمادًا على عدد الإلكترونات الموجودة في الذرة أو الأيون.
وبالتالي ، فإن التهجين هو ظاهرة تقابل الجزيئات ، حيث أن كل ذرة يمكن أن توفر مدارات ذرية نقية فقط ( s ، p ، d ، f ) ، وبسبب الجمع بين مدارين ذريين أو أكثر ، نفس الكمية من مدارات مختلطة تتيح روابط بين العناصر.
الأنواع الرئيسية
المدارات الذرية لها أشكال مختلفة وتوجهات مكانية ، تزداد تعقيدًا ، كما هو موضح أدناه:
يلاحظ أنه لا يوجد سوى نوع واحد من المدارات s (الشكل الكروي) ، ثلاثة أنواع من المداري p (الشكل الفصحي ، حيث يتم توجيه كل فص على محور مكاني) ، خمسة أنواع من المداري d وسبعة أنواع من المدارات f ، حيث كل نوع المداري لديه بالضبط نفس الطاقة مثل فئتها.
تحتوي ذرة الكربون في حالتها الأرضية على ستة إلكترونات ، تكوينها هو 1 s 22 s 22 p 2. أي ، يجب أن تشغل المستوى 1 s (إلكترونين) ، 2 s (إلكترونين) والثاني (p) (الإلكترونات) جزئيًا. إلكترونان متبقيان) وفقًا لمبدأ Aufbau.
هذا يعني أن ذرة الكربون بها إلكترونان فقط غير موجودين في المدار 2 p ، وبهذه الطريقة لا يمكن تفسير تكوين أو هندسة جزيء الميثان (CH 4 ) أو غيرها من الإلكترونات الأكثر تعقيدًا.
لذلك ، لتكوين هذه الروابط ، تحتاج إلى تهجين المدارات s و p (في حالة الكربون) ، لتوليد مدارات هجينة جديدة تشرح حتى الروابط المزدوجة والثلاثية ، حيث تحصل الإلكترونات على التكوين الأكثر استقرارًا لتشكيل الجزيئات.
تهجين SP3
يتكون تهجين sp3 في تكوين أربع مدارات "هجينة" من مدارات 2s و 2p x و 2p و 2p z .
وبالتالي ، لدينا إعادة ترتيب الإلكترونات في المستوى 2 ، حيث توجد أربعة إلكترونات متاحة لتشكيل أربع روابط ، ويتم ترتيبها بالتوازي للحصول على طاقة أقل (استقرار أكبر).
مثال على ذلك هو جزيء الإيثيلين (C 2 H 4 ) ، الذي تشكل روابطه زوايا تبلغ 120 درجة بين الذرات وتوفر هندسة مثلثية مسطحة.
في هذه الحالة ، يتم إنشاء روابط CH و CC بسيطة (بسبب المدارات sp 2) ورابطة CC مزدوجة (بسبب المداري p ) ، لتشكيل الجزيء الأكثر استقرارًا.
تهجين sp2
من خلال التهجين sp2 ، يتم إنشاء ثلاثة مدارات "هجينة" من المدارات 2s النقية وثلاثة مدارات 2p نقية. بالإضافة إلى ذلك ، يتم الحصول على المداري الصافي النقي الذي يشارك في تكوين رابطة مزدوجة (تسمى pi: "π").
مثال على ذلك هو جزيء الإيثيلين (C 2 H 4 ) ، الذي تشكل روابطه زوايا تبلغ 120 درجة بين الذرات وتوفر هندسة مثلثية مسطحة. في هذه الحالة ، يتم إنشاء روابط بسيطة CH و CC (بسبب المدارات sp2) ورابطة CC مزدوجة (بسبب المدارية p) ، لتشكيل الجزيء الأكثر استقرارا.
عن طريق التهجين sp يتم إنشاء مداريين "هجينين" من المدارات 2s النقية وثلاثة مدارات 2p نقية. وبهذه الطريقة ، يتم تشكيل مداريين صينين يشاركان في تكوين رابطة ثلاثية.
في هذا النوع من التهجين ، يتم تقديم جزيء الأسيتيلين (C 2 H 2 ) كمثال ، حيث تشكل روابطه 180 درجة زوايا بين الذرات وتوفر هندسة خطية.
بالنسبة إلى هذا الهيكل ، توجد روابط CH و CC بسيطة (بسبب المدارات sp) ورابط CC ثلاثي (أي رابطان pi بسبب المدارات p) للحصول على التكوين بأقل قدر من الطرد الإلكتروني.
