معظم المركبات العضوية لها بنية جزيئية. دائمًا ما تشكل الذرات الموجودة في المواد ذات البنية الجزيئية روابط تساهمية فقط مع بعضها البعض، وهو ما يتم ملاحظته أيضًا في حالة المركبات العضوية. ولنتذكر أن التساهمية هي نوع من الرابطة بين الذرات التي تتحقق بسبب مشاركة الذرات في جزء من إلكتروناتها الخارجية من أجل الحصول على التكوين الإلكتروني للغاز النبيل.
حسب عدد أزواج الإلكترونات المشتركة تكون الروابط التساهمية فيها مادة عضويةآه يمكن تقسيمها إلى مفردة ومزدوجة وثلاثية. يشار إلى هذه الأنواع من الاتصالات في صيغة رسوميةميزة واحدة أو اثنتين أو ثلاث ميزات على التوالي:
وكثرة الرابطة تؤدي إلى نقصان طولها، فمفردة اتصال S-Sيبلغ طوله 0.154 نانومتر، والرابطة المزدوجة C = C هي 0.134 نانومتر، والرابطة الثلاثية C≡C هي 0.120 نانومتر.
أنواع الروابط حسب طريقة تداخل المدارات
كما هو معروف، يمكن أن يكون للمدارات شكل مختلفعلى سبيل المثال، تكون المدارات s كروية وعلى شكل دمبل. لهذا السبب، يمكن أن تختلف الروابط أيضًا في طريقة تداخل مدارات الإلكترون:
ϭ الروابط - تتشكل عندما تتداخل المدارات بحيث تتقاطع منطقة تداخلها مع خط يربط النوى. أمثلة على اتصالات ϭ:
روابط π - تتشكل عندما تتداخل المدارات في منطقتين - فوق وتحت الخط الذي يربط نواة الذرات. أمثلة على روابط π:
كيف يمكنك معرفة ما إذا كان الجزيء يحتوي على روابط π و ϭ؟
مع النوع التساهمي من الرابطة، هناك دائمًا رابطة ϭ بين أي ذرتين، ورابطة π فقط في حالة الروابط المتعددة (المزدوجة والثلاثية). في هذه الحالة:
- الرابطة الفردية هي دائمًا رابطة ϭ
- تتكون الرابطة المزدوجة دائمًا من رابطة ϭ واحدة ورابطة π واحدة
- تتكون الرابطة الثلاثية دائمًا من رابطة ϭ واحدة ورابطتين π.
دعونا نشير إلى هذه الأنواع من الروابط في جزيء حمض البروبينيك:
تهجين مدارات ذرة الكربون
التهجين المداري هو عملية تتم فيها المدارات في البداية أشكال مختلفةوتختلط الطاقات لتشكل في المقابل نفس العدد من المدارات الهجينة المتساوية في الشكل والطاقة.
لذلك، على سبيل المثال، عند خلط واحد ق-وثلاثة ع-تتشكل أربع مدارات س 3- المدارات الهجينة:
وفي حالة ذرات الكربون، فإن التهجين يشارك دائمًا ق-المداري، والرقم ص- تختلف المدارات التي يمكن أن تشارك في التهجين من واحد إلى ثلاثة ع-المدارات.
كيفية تحديد نوع تهجين ذرة الكربون في جزيء عضوي؟
اعتمادًا على عدد الذرات الأخرى التي ترتبط بها ذرة الكربون، فهي إما في حالة س 3، أو قادر س 2، أو قادر س-تهجين:
دعونا نتدرب على تحديد نوع تهجين ذرات الكربون باستخدام مثال الجزيء العضوي التالي:
ترتبط ذرة الكربون الأولى بذرتين أخريين (1H و1C)، مما يعني أنها في حالة sp-تهجين.
- ترتبط ذرة الكربون الثانية بذرتين - sp-تهجين
- ترتبط ذرة الكربون الثالثة بأربع ذرات أخرى (اثنتان C واثنتان H) - س 3-تهجين
- ترتبط ذرة الكربون الرابعة بثلاث ذرات أخرى (2O و1C) – س 2-تهجين.
متطرف. المجموعة الوظيفية
المصطلح الجذري يعني في أغلب الأحيان جذر الهيدروكربون، وهو ما تبقى من جزيء الهيدروكربون بدون ذرة هيدروجين واحدة.
يتم تكوين اسم الجذر الهيدروكربوني بناءً على اسم الهيدروكربون المقابل عن طريق استبدال اللاحقة -آن إلى لاحقة -ايل .
المجموعة الوظيفية - الجزء الهيكلي لجزيء عضوي (مجموعة معينة من الذرات) مسؤول عن جزيء معين الخصائص الكيميائية.
اعتمادًا على أي من المجموعات الوظيفية في جزيء المادة هو الأكبر، يتم تصنيف المركب إلى فئة أو أخرى.
ص - التعيين بديل الهيدروكربون(متطرف).
يمكن أن تحتوي الجذور على روابط متعددة، والتي يمكن أيضًا اعتبارها مجموعات وظيفية، نظرًا لأن الروابط المتعددة تساهم في الخواص الكيميائية للمادة.
إذا كان جزيء مادة عضوية يحتوي على مجموعتين وظيفيتين أو أكثر، تسمى هذه المركبات متعددة الوظائف.
تهجين sp3
sp 3 -تهجين - التهجين، حيث تكون المدارات الذرية واحدة ق- وثلاثة ص-الإلكترونات (الشكل 1).
أرز. 1. تعليم sp 3- مدارات هجينة
أربعة spالمدارات الهجينة الثلاثة موجهة بشكل متناظر في الفضاء بزاوية 109°28" (الشكل 2).
النموذج الذري ج sp 3- المدارات الهجينة
التكوين المكاني للجزيء الذي تتشكل ذرته المركزية sp 3- المدارات الهجينة - رباعية السطوح
التكوين المكاني رباعي السطوح للجزيء الذي تتشكل ذرته المركزية sp 3- المدارات الهجينة
تهجين ذرة الكربون المدارية
أمثلة على المركبات التي تتميز sp 3- التهجين: NH 3، POCl 3، SO 2 F 2، SOBr 2، NH 4+، H 3 O +. أيضًا، sp 3- لوحظ التهجين في جميع الهيدروكربونات المشبعة (الألكانات، الألكانات الحلقية) والمركبات العضوية الأخرى: CH4، C5H12، C6H14، C8H18، إلخ. صيغة عامةالألكانات: C n H 2n+2. الصيغة العامة للألكانات الحلقية هي C n H 2n. وفي الهيدروكربونات المشبعة تكون جميع الروابط الكيميائية أحادية، وذلك بين المدارات الهجينة لهذه المركبات فقط في-متداخلة.
تكوين رابطة كيميائية، أي. يمكن للإلكترونات غير المتزاوجة فقط إنشاء زوج إلكترون مشترك مع إلكترون "أجنبي" من ذرة أخرى. عند كتابة الصيغ الإلكترونية، توجد الإلكترونات غير المتزاوجة واحدًا تلو الآخر في الخلية المدارية.
المدار الذريهي دالة تصف كثافة السحابة الإلكترونية عند كل نقطة في الفضاء حول نواة الذرة. السحابة الإلكترونية هي منطقة من الفضاء يمكن اكتشاف الإلكترون فيها باحتمالية عالية.
للموافقة الهيكل الإلكترونيتستخدم ذرة الكربون وتكافؤ هذا العنصر مفهوم إثارة ذرة الكربون. في الحالة الطبيعية (غير المثارة)، تحتوي ذرة الكربون على ذرتين غير متزاوجتين 2 ص 2 إلكترون. في حالة الإثارة (عند امتصاص الطاقة) واحد من 2 قيمكن أن يتحرر 2 إلكترون ص-المداري. ثم تظهر أربعة إلكترونات مفردة في ذرة الكربون:
لنتذكر أنه في الصيغة الإلكترونية للذرة (على سبيل المثال، للكربون 6 C - 1 ق 2 2ق 2 2ص 2) الأرقام الكبيرة الموجودة أمام الحروف - 1، 2 - تشير إلى رقم مستوى الطاقة. رسائل قو صتشير إلى شكل السحابة الإلكترونية (المدارية)، وتشير الأرقام الموجودة على اليمين فوق الحروف إلى عدد الإلكترونات في مدار معين. الجميع ق- مدارات كروية
في مستوى الطاقة الثاني ما عدا 2 ق- هناك ثلاث مدارات 2 ص-المدارات. هؤلاء 2 ص- المدارات لها شكل إهليلجي، يشبه الدمبل، وموجهة في الفضاء بزاوية 90 درجة لبعضها البعض. 2 ص-المدارات تشير إلى 2 ص X , 2ص ذو 2 ص ضوفقاً للمحاور التي تقع عليها هذه المدارات.
شكل واتجاه مدارات الإلكترون p
عندما تتشكل الروابط الكيميائية، تكتسب مدارات الإلكترون نفس الشكل. وهكذا، في الهيدروكربونات المشبعة واحد ق-المداري وثلاثة ص- مدارات ذرة الكربون لتكوين أربع مدارات متماثلة ( هجينة ) sp 3-المدارات:
هذا - sp 3- التهجين.
تهجين- محاذاة (خلط) المدارات الذرية ( قو ص) مع تكوين مدارات ذرية جديدة تسمى المدارات الهجينة.
أربعة س 3 - المدارات الهجينة لذرة الكربون
المدارات الهجينة لها شكل غير متماثل، ممدود نحو الذرة المرتبطة. تتنافر السحب الإلكترونية مع بعضها البعض وتقع في الفضاء بعيدًا عن بعضها البعض قدر الإمكان. في هذه الحالة، محاور الأربعة sp 3-المدارات الهجينةتبين أنها موجهة نحو رؤوس رباعي الاسطح (الهرم الثلاثي العادي).
وعليه فإن الزوايا الواقعة بين هذه المدارات هي رباعية السطوح، وتساوي 109°28".
يمكن أن تتداخل رؤوس مدارات الإلكترون مع مدارات الذرات الأخرى. إذا تداخلت السحب الإلكترونية على طول الخط الذي يصل بين مراكز الذرات، تسمى هذه الرابطة التساهمية سيجما () - الاتصالات. على سبيل المثال، في جزيء الإيثان C2H6، يتم تكوين رابطة كيميائية بين ذرتين من الكربون عن طريق تداخل مدارين هجينين. هذا اتصال. وبالإضافة إلى ذلك، فإن كل ذرات من ذرات الكربون مع ثلاثها sp 3-تتداخل المدارات مع ق- مدارات مكونة من ثلاث ذرات هيدروجين مكونة ثلاث روابط.
رسم تخطيطي لتداخل سحابة الإلكترون في جزيء الإيثان
في المجمل، هناك ثلاث حالات تكافؤ مع أنواع مختلفة من التهجين ممكنة لذرة الكربون. يستثني sp 3- وجود التهجين sp 2 - و sp-تهجين.
sp 2 -تهجين- خلط واحد ق- واثنين ص-المدارات. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل ثلاثة الهجينة sp 2-المدارات. هؤلاء sp 2- المدارات تقع في نفس المستوى (مع المحاور X, في) وموجهة إلى رؤوس المثلث بزاوية بين المدارات 120 درجة. غير مهجن ص-المدار عمودي على مستوى الهجين الثلاثة sp 2-المدارات (موجهة على طول المحور ض). النصف العلوي ص-المدارات تقع فوق المستوى، والنصف السفلي يقع تحت المستوى.
يكتب sp 2- يحدث تهجين الكربون في المركبات ذات الرابطة المزدوجة: C=C، C=O، C=N. علاوة على ذلك، فإن واحدة فقط من الروابط بين ذرتين (على سبيل المثال، C=C) يمكن أن تكون رابطة -. (يتم توجيه مدارات الترابط الأخرى للذرة في اتجاهين متعاكسين). وتتكون الرابطة الثانية نتيجة تداخل غير هجين ص-المدارات على جانبي الخط الذي يربط نوى الذرة.
المدارات (ثلاثة س 2 وواحد ف) ذرة كربون في sp 2 -تهجين
رابطة تساهمية تتكون من التداخل الجانبي ص- تسمى مدارات ذرات الكربون المجاورة بي () - اتصال.
التعليم - اتصالات
نظرًا لقلة التداخل المداري، فإن الرابطة أقل قوة من الرابطة.
sp-تهجين- هذا اختلاط (محاذاة الشكل والطاقة) لواحد ق-وواحد ص- المدارات لتكوين هجينين sp-المدارات. sp- تقع المدارات على نفس الخط (بزاوية 180 درجة) وموجهة في اتجاهين متعاكسين من نواة ذرة الكربون. اثنين ص- تبقى المدارات غير مهجنة. يتم وضعها بشكل متعامد مع اتجاهات الاتصالات. في الصورة sp-تظهر المدارات على طول المحور ذ، والثاني غير المهجن ص-المدارات- على طول المحاور Xو ض.
المدارات الذرية (اثنان sp واثنان p) من الكربون في حالة التهجين sp
تتكون الرابطة الثلاثية بين الكربون والكربون CC من رابطة مكونة من التداخل sp- المدارات الهجينة والروابط الثنائية.
التركيب الالكتروني لذرة الكربون
يظهر الكربون الموجود في المركبات العضوية التكافؤ المستمر. يحتوي مستوى الطاقة الأخير لذرة الكربون على 4 إلكترونات، اثنان منها يشغلان المدار 2s الذي له شكل كروي، وإلكترونان يشغلان المدار 2p الذي له شكل الدمبل. عند الإثارة، يمكن لإلكترون واحد من المدار 2s أن ينتقل إلى أحد المدارات الشاغرة 2p. يتطلب هذا التحول بعض استهلاك الطاقة (403 كيلوجول/مول). ونتيجة لذلك، تحتوي ذرة الكربون المثارة على 4 إلكترونات غير متزاوجة ويتم التعبير عن تكوينها الإلكتروني بالصيغة 2s1 2p3.
ذرة الكربون في حالة مثارة قادرة على تكوين 4 روابط تساهمية بسبب 4 إلكترونات غير متزاوجة و 4 إلكترونات من ذرات أخرى. وهكذا، في حالة هيدروكربون الميثان (CH4)، تشكل ذرة الكربون 4 روابط مع إلكترونات s لذرات الهيدروجين. في هذه الحالة، ينبغي تشكيل اتصال واحد اكتب s-s(بين إلكترون s لذرة الكربون وإلكترون s لذرة الهيدروجين) و3 روابط p-s (بين 3 إلكترونات p لذرة الكربون و3 إلكترونات s لثلاث ذرات هيدروجين). وهذا يؤدي إلى استنتاج مفاده أن الروابط التساهمية الأربع التي تشكلها ذرة الكربون غير متساوية. ومع ذلك، تشير الخبرة العملية في الكيمياء إلى أن جميع الروابط الأربعة في جزيء الميثان متكافئة تمامًا، وأن جزيء الميثان له بنية رباعية السطوح بزوايا روابط تبلغ 109 درجة، وهو ما لا يمكن أن يكون هو الحال إذا كانت الروابط غير متساوية. بعد كل شيء، فقط مدارات الإلكترونات p هي التي يتم توجيهها في الفضاء على طول المحاور المتعامدة x، y، z، ومدار الإلكترون s له شكل كروي، وبالتالي فإن اتجاه تكوين الرابطة مع هذا الإلكترون سيكون تكون تعسفية. وقد تمكنت نظرية التهجين من تفسير هذا التناقض. اقترح L. Polling أنه في أي جزيئات لا توجد روابط معزولة عن بعضها البعض. عندما تتشكل الروابط، تتداخل مدارات جميع إلكترونات التكافؤ. هناك عدة أنواع من تهجين مدارات الإلكترون معروفة. من المفترض أنه في جزيء الميثان والألكانات الأخرى تدخل 4 إلكترونات في عملية التهجين.
تهجين مدارات ذرة الكربون
التهجين المداري هو تغيير في شكل وطاقة بعض الإلكترونات عند تكوين رابطة تساهمية، مما يؤدي إلى تداخل مداري أكثر كفاءة وزيادة قوة الرابطة. يحدث التهجين المداري عندما تشارك الإلكترونات التي تنتمي إلى أنواع مختلفة من المدارات في تكوين الروابط. 1. س 3 - التهجين (حالة التكافؤ الأولى للكربون). أثناء تهجين sp3، تتفاعل مدارات 3 p ومدار s لذرة الكربون المثارة بطريقة تكون المدارات الناتجة متطابقة تمامًا في الطاقة وموجودة بشكل متماثل في الفضاء. يمكن كتابة هذا التحول على النحو التالي:
s + px+ py + pz = 4sp3
أثناء التهجين، لا يتغير العدد الإجمالي للمدارات، ولكن تتغير طاقتها وشكلها فقط. لقد تبين أن مدارات التهجين sp3 تشبه شكل ثمانية ثلاثي الأبعاد، حيث تكون إحدى شفراته أكبر بكثير من الأخرى. تمتد المدارات الهجينة الأربعة من المركز إلى رؤوس رباعي السطوح المنتظم بزاوية 109.50. تكون الروابط التي تتكون من إلكترونات هجينة (على سبيل المثال، رابطة s-sp 3) أقوى من الروابط التي تتكون من إلكترونات p غير مهجنة (على سبيل المثال، رابطة sp). لأن المدار الهجين sp3 يوفر مساحة أكبر من التداخل المداري الإلكتروني مقارنة بالمدار p غير المهجن. الجزيئات التي يحدث فيها تهجين sp3 لها بنية رباعية السطوح. وتشمل هذه، بالإضافة إلى الميثان، متجانسات الميثان، والجزيئات غير العضوية مثل الأمونيا. توضح الأشكال مدارًا مهجنًا وجزيء ميثان رباعي السطوح. تنتمي الروابط الكيميائية التي تنشأ في الميثان بين ذرات الكربون والهيدروجين إلى روابط y من النوع 2 (sp3 -s-bond). بشكل عام، تتميز أي رابطة سيجما بحقيقة أن كثافة الإلكترون لذرتين مترابطتين تتداخل على طول الخط الذي يربط بين مراكز (نوى) الذرات. تتوافق روابط y مع أقصى درجة ممكنة من تداخل المدارات الذرية، لذا فهي قوية جدًا. 2. تهجين sp2 (حالة التكافؤ الثانية للكربون). ينشأ نتيجة تداخل مدارين 2s و 2p. تقع المدارات الهجينة sp2 الناتجة في نفس المستوى بزاوية 1200 درجة لبعضها البعض، ويكون المدار p غير المهجن متعامدًا عليها. إجمالي عدد المدارات لا يتغير - هناك أربعة منها.
s + px + py + pz = 3sp2 + pz
تحدث حالة التهجين sp2 في جزيئات الألكين، في مجموعات الكربونيل والكربوكسيل، أي. في المركبات التي تحتوي على رابطة مزدوجة . وهكذا، في جزيء الإيثيلين، تشكل الإلكترونات المهجنة لذرة الكربون 3 روابط y (رابطتان من النوع sp 2 -s بين ذرة الكربون وذرات الهيدروجين ورابطة واحدة من النوع sp 2 -sp 2 بين ذرات الكربون). يشكل الإلكترون p غير المهجن المتبقي لذرة كربون واحدة رابطة p مع إلكترون p غير المهجن لذرة الكربون الثانية. ميزة مميزةالرابطة p هي أن تداخل مدارات الإلكترون يحدث خارج الخط الذي يربط الذرتين. يحدث تداخل المدارات أعلى وأسفل الرابطة y التي تربط ذرتي الكربون. هكذا رابطة مزدوجةعبارة عن مزيج من روابط y وp. يوضح الشكلان الأولان أن زوايا الارتباط بين الذرات التي تشكل جزيء الإيثيلين في جزيء الإيثيلين هي 1200 (المقابلة للاتجاه المكاني للمدارات الهجينة الثلاثة sp2). يوضح الشكلان الثالث والرابع تكوين الرابطة p. الإيثيلين (تكوين روابط y) الإيثيلين (تكوين رابطة y) نظرًا لأن مساحة تداخل المدارات p غير المهجنة في روابط p أقل من مساحة تداخل المدارات في روابط y ، فإن الرابطة p أقل قوة من الرابطة y وأسهل في كسرها التفاعلات الكيميائية. 3. التهجين sp (حالة التكافؤ الثالثة للكربون). في حالة التهجين sp، تحتوي ذرة الكربون على مدارين sp هجينين يقعان خطيًا بزاوية 1800 لبعضهما البعض واثنين من مدارات p غير مهجنة تقع في طائرتين متعامدتين بشكل متبادل. sp- التهجين نموذجي بالنسبة للألكينات والنيتريل، أي. للمركبات التي تحتوي على رابطة ثلاثية.
s + px + py + pz = 2sp + py + pz
وهكذا، في جزيء الأسيتيلين، تكون زوايا الرابطة بين الذرات 1800. تشكل الإلكترونات المهجنة لذرة الكربون رابطتين y (رابطة sp-s واحدة بين ذرة الكربون وذرة الهيدروجين ورابطة sp-sp أخرى بين ذرات الكربون. يشكل إلكترونان p غير مهجنان لذرة كربون واحدة رابطتين p مع إلكترونات p غير المهجنة، لا يحدث تداخل مدارات إلكترون p أعلى وأسفل الرابطة y فحسب، بل أيضًا في الأمام والخلف، وتكون السحابة الكلية للإلكترونات p على شكل أسطواني. الرابطة الثلاثية عبارة عن مزيج من رابطتين y ورابطتين p. إن وجود رابطتين p أقل قوة في جزيء الأسيتيلين يضمن قدرة هذه المادة على الدخول في تفاعلات إضافية مع انقسام الرابطة الثلاثية.
الاستنتاج: تهجين sp3 هو سمة من مركبات الكربون. نتيجة لتهجين مدار واحد s وثلاثة مدارات p، يتم تشكيل أربعة مدارات هجينة sp3، موجهة نحو رؤوس رباعي السطوح بزاوية بين المدارات قدرها 109 درجة.
في عملية تحديد الشكل الهندسي للجسيم الكيميائي، من المهم أن نأخذ في الاعتبار أن أزواج إلكترونات التكافؤ للذرة الرئيسية، بما في ذلك تلك التي لا تشكل الرابطة الكيميائية، تقع على مسافة كبيرة من بعضها البعض في الفضاء.
مميزات المصطلح
عند النظر في مسألة الروابط الكيميائية التساهمية، غالبا ما يستخدم مفهوم تهجين المدارات الذرية. يرتبط هذا المصطلح بمحاذاة الشكل والطاقة. يرتبط تهجين المدارات الذرية بعملية إعادة ترتيب كيميائية كمومية. المدارات لها بنية مختلفة مقارنة بالذرات الأصلية. جوهر التهجين هو أن الإلكترون الموجود بجوار نواة الذرة المرتبطة لا يتم تحديده بواسطة مدار ذري محدد، ولكن من خلال اتحاده مع عدد كمي رئيسي مساوٍ. في الأساس، تتعلق هذه العملية بالمدارات الذرية الأعلى والقريبة من الطاقة والتي تحتوي على إلكترونات.
تفاصيل العملية
تعتمد أنواع تهجين الذرات في الجزيئات على كيفية توجيه المدارات الجديدة. واستنادًا إلى نوع التهجين، يمكن تحديد هندسة الأيون أو الجزيء واقتراح خصائص كيميائية محددة.
أنواع التهجين
هذا النوع من التهجين، مثل sp، عبارة عن بنية خطية، الزاوية بين الروابط هي 180 درجة. مثال على جزيء بهذا النوع من التهجين هو BeCl 2 .
النوع التالي من التهجين هو sp2 تتميز الجزيئات بشكل مثلث، الزاوية بين الروابط 120 درجة. والمثال النموذجي لهذا النوع من التهجين هو BCl 3 .
يفترض نوع التهجين sp 3 بنية رباعية السطوح للجزيء؛ والمثال النموذجي لمادة ذات خيار التهجين هذا هو جزيء الميثان CH 4 . زاوية الرابطة في هذه الحالة هي 109 درجة و28 دقيقة.
ليس فقط الإلكترونات المقترنة، ولكن أيضًا أزواج الإلكترونات غير المشتركة تشارك بشكل مباشر في التهجين.
التهجين في جزيء الماء
على سبيل المثال، يوجد في جزيء الماء رابطتان تساهميتان قطبيتان بين ذرة الأكسجين وذرات الهيدروجين. بالإضافة إلى ذلك، تحتوي ذرة الأكسجين نفسها على زوجين من الإلكترونات الخارجية، والتي لا تشارك في إنشاء رابطة كيميائية. تشغل هذه الأزواج الأربعة من الإلكترون مساحة معينة حول ذرة الأكسجين. وبما أن جميعها لها نفس الشحنة، فإنها تتنافر في الفضاء، وتقع السحب الإلكترونية على مسافة كبيرة من بعضها البعض. وينطوي نوع تهجين الذرات في هذه المادة على تغير في شكل المدارات الذرية، فهي تتمدد وتتحاذى مع رؤوس رباعي السطوح. ونتيجة لذلك، يكتسب جزيء الماء شكلا زاويا؛ وتكون زاوية الرابطة بين روابط الأكسجين والهيدروجين 104.5 درجة.
للتنبؤ بنوع التهجين، يمكن استخدام آلية المانح والمتلقي لتكوين الرابطة الكيميائية. ونتيجة لذلك، تتداخل المدارات الحرة لعنصر ذي سالبية كهربية أقل، وكذلك مدارات عنصر ذي سالبية كهربائية أعلى، والذي يحتوي على زوج من الإلكترونات. في عملية تجميع التكوين الإلكتروني للذرة، يتم أخذ حالة الأكسدة الخاصة بها بعين الاعتبار.
قواعد لتحديد نوع التهجين
من أجل تحديد نوع تهجين الكربون، يمكنك استخدام قواعد معينة:
- يتم تحديد الذرة المركزية، ويتم حساب عدد روابط σ؛
- ضبط حالة أكسدة الذرات في الجسيم؛
- اكتب التكوين الإلكترونيالذرة الرئيسية في حالة الأكسدة المطلوبة؛
- رسم مخطط لتوزيع إلكترونات التكافؤ في المدارات، وإقران الإلكترونات؛
- يتم تحديد المدارات التي تشارك بشكل مباشر في تكوين الرابطة، ويتم العثور على الإلكترونات غير المتزاوجة (إذا كان عدد مدارات التكافؤ غير كاف للتهجين، يتم استخدام مدارات مستوى الطاقة التالي).
يتم تحديد هندسة الجزيء حسب نوع التهجين. لا يتأثر بوجود روابط pi. في حالة الترابط الإضافي، من الممكن حدوث تغيير في زاوية الرابطة، والسبب هو التنافر المتبادل للإلكترونات التي تشكل رابطة متعددة. وهكذا، في جزيء أكسيد النيتريك (4)، أثناء التهجين sp2، تزداد زاوية الرابطة من 120 درجة إلى 134 درجة.
التهجين في جزيء الأمونيا
يؤثر زوج الإلكترونات غير المشترك على عزم ثنائي القطب الناتج للجزيء بأكمله. تحتوي الأمونيا على بنية رباعية السطوح مع زوج من الإلكترونات غير المشتركة. تبلغ أيونية روابط النيتروجين والهيدروجين والنيتروجين والفلور 15 و 19 بالمائة، ويتم تحديد الأطوال لتكون 101 و 137 ميكرومتر على التوالي. وبالتالي، يجب أن يكون لجزيء فلوريد النيتروجين عزم ثنائي القطب أكبر، لكن النتائج التجريبية تشير إلى عكس ذلك.
التهجين في المركبات العضوية
تتميز كل فئة من الهيدروكربونات بنوع التهجين الخاص بها. وهكذا أثناء تكوين جزيئات فئة الألكانات ( الهيدروكربونات المشبعة) جميع الإلكترونات الأربعة لذرة الكربون تشكل مدارات هجينة. عندما تتداخل، تتشكل 4 سحب هجينة، تتماشى مع رؤوس رباعي السطوح. بعد ذلك، تتداخل رؤوسها مع مدارات الهيدروجين غير الهجينة، لتشكل رابطة بسيطة. تتميز الهيدروكربونات المشبعة بتهجين sp3.
في الألكينات غير المشبعة (ممثلها النموذجي هو الإيثيلين)، تشارك ثلاثة مدارات إلكترونية فقط في التهجين - s و2 p؛ وتشكل المدارات الهجينة الثلاثة شكل مثلث في الفضاء. تتداخل مدارات p غير الهجينة، مما يؤدي إلى إنشاء روابط متعددة في الجزيء. تتميز هذه الفئة من الهيدروكربونات العضوية بالحالة الهجينة sp2 لذرة الكربون.
تختلف الألكينات عن الفئة السابقة من الهيدروكربونات في أن هناك نوعين فقط من المدارات تشارك في عملية التهجين: s وp. يتداخل الإلكترونان غير الهجينان المتبقيان في كل ذرة كربون في اتجاهين، مما يشكل رابطتين متعددتين. تتميز هذه الفئة من الهيدروكربونات بالحالة الهجينة sp لذرة الكربون.
خاتمة
من خلال تحديد نوع التهجين في الجزيء، من الممكن شرح بنية المواد العضوية وغير العضوية المختلفة والتنبؤ بالخصائص الكيميائية المحتملة لمادة معينة.
التهجينات الأكثر شيوعا هي sp، sp 2، sp 3 و sp 3 d 2. يتوافق كل نوع من أنواع التهجين مع بنية مكانية معينة لجزيئات المادة.
س التهجين. يُلاحظ هذا النوع من التهجين عندما تشكل الذرة رابطتين بسبب الإلكترونات الموجودة في المدار s وفي نفس المدار p (من نفس مستوى الطاقة). في هذه الحالة، يتم تشكيل اثنين من المدارات الهجينة، الموجهة في اتجاهين متعاكسين بزاوية 180 درجة (الشكل 22).
أرز. 22. مخطط س التهجين
أثناء التهجين sp، تتشكل جزيئات ثلاثية خطية من النوع AB 2، حيث A هي الذرة المركزية التي يحدث عندها التهجين، وB هي الذرات المرتبطة التي لا يحدث عندها التهجين. وتتكون هذه الجزيئات من ذرات البريليوم والمغنيسيوم، وكذلك ذرات الكربون في الأسيتيلين (C2H2) وثاني أكسيد الكربون (CO2).
مثال 5.اشرح الرابطة الكيميائية في جزيئات BeH 2 وBeF 2 وبنية هذه الجزيئات.
حل.ذرات البريليوم في الحالة الطبيعية لا تشكل روابط كيميائية، لأن لا تحتوي على إلكترونات غير متزاوجة (2s2). في الحالة المثارة (2s 1 2p 1)، تكون الإلكترونات في مدارات مختلفة، لذلك، عندما تتشكل الروابط، يحدث تهجين sp وفقًا للمخطط الموضح في الشكل. 22. يتم إضافة ذرتين من الهيدروجين أو الفلور إلى مدارين هجينين، كما هو موضح في الشكل. 23.
1) 
2)
أرز. 23. مخطط تكوين الجزيئات BeH 2 (1) وBeF 2 (2)
الجزيئات الناتجة خطية، زاوية الرابطة 180 درجة.
مثال 6.وفقًا للبيانات التجريبية، فإن جزيء ثاني أكسيد الكربون خطي، وكلا روابط الكربون والأكسجين متطابقة في الطول (0.116 نانومتر) والطاقة (800 كيلوجول/مول). كيف يتم تفسير هذه البيانات؟
حل. يتم شرح هذه البيانات الخاصة بجزيء ثاني أكسيد الكربون من خلال النموذج التالي لتكوينه.
تشكل ذرة الكربون روابط في الحالة المثارة، حيث تحتوي على أربعة إلكترونات غير متزاوجة: 2s 1 2p 3. عندما تتشكل الروابط، يحدث تهجين sp للمدارات. يتم توجيه المدارات الهجينة في خط مستقيم في اتجاهين متعاكسين من نواة الذرة، وتقع المدارات النقية المتبقية (غير الهجينة) بشكل عمودي على بعضها البعض وعلى المدارات الهجينة. تحتوي جميع المدارات (الهجينة وغير الهجينة) على إلكترون واحد غير متزاوج.
ترتبط كل ذرة أكسجين، التي تحتوي على إلكترونين غير متزاوجين في مدارين p متعامدين بشكل متبادل، بذرة كربون بواسطة رابطة s ورابطة p: تتشكل رابطة s بمشاركة مدار كربون هجين، و تتشكل الرابطة p من خلال تداخل المدارات p النقية من ذرات الكربون والأكسجين. يظهر في الشكل تكوين الروابط في جزيء ثاني أكسيد الكربون. 24.
أرز. 24. مخطط تكوين جزيء ثاني أكسيد الكربون
يفسر تعدد الروابط المكونة من اثنين قوة الرابطة الأكبر، ويفسر التهجين sp البنية الخطية للجزيء.
يسمى خلط مدارات واحدة s واثنين من p س 2 التهجين. مع هذا التهجين، يتم الحصول على ثلاثة مدارات q مكافئة، تقع في نفس المستوى بزاوية 120 درجة (الشكل 25).
أرز. 25. مخطط التهجين sp2
الجزيئات من النوع AB 3 التي تكونت أثناء هذا التهجين لها شكل مثلث منتظم مسطح به ذرات A في المركز وذرات B في رؤوسه. ويحدث هذا التهجين في ذرات البورون وعناصر أخرى من المجموعة الثالثة وفي ذرات الكربون في جزيء C2H4 وفي أيون CO32-.
مثال 7.اشرح تكوين الروابط الكيميائية في جزيء BH3 وبنيتها.
حل.تشير الدراسات التجريبية إلى أنه في جزيء BH 3، تقع جميع روابط B-H الثلاثة في نفس المستوى، وتكون الزوايا بين الروابط تساوي 120 درجة. يتم تفسير بنية الجزيء هذه من خلال حقيقة أنه في ذرة البورون في حالة مثارة، تمتزج مدارات التكافؤ التي تشغلها إلكترونات غير متزاوجة (2s 1 2p 2) وتشكل روابط مع مدارات هجينة sp 2. يظهر الرسم التخطيطي لجزيء BH3 في الشكل. 26.
أرز. 26. مخطط تكوين جزيء BH3
إذا شاركت مدارات s وثلاث مدارات p في التهجين ( س 3 التهجين)، ونتيجة لذلك يتم تشكيل أربعة مدارات هجينة، موجهة نحو رؤوس رباعي السطوح، أي. موجهة بزوايا 109 درجة 28 درجة (~ 109.5 درجة) لبعضها البعض. الجزيئات الناتجة لها هيكل رباعي السطوح. يفسر التهجين من هذا النوع بنية الهيدروكربونات المشبعة، ومركبات الكربون مع الهالوجينات، والعديد من مركبات السيليكون، وكاتيون الأمونيوم NH 4 +، وما إلى ذلك. والمثال الكلاسيكي لهذا التهجين هو جزيء الميثان CH 4 (الشكل 27)
أرز. 27. مخطط تكوين الروابط الكيميائية في جزيء CH 4
إذا شاركت مدارات s- وثلاثة p- واثنان d في التهجين ( س 3 د 2 - التهجين)، ثم تنشأ ستة مدارات هجينة، موجهة إلى رؤوس المجسم الثماني، أي. موجهة بزاوية 90 درجة لبعضها البعض. الجزيئات الناتجة لها هيكل ثماني السطوح. يفسر التهجين من هذا النوع بنية مركبات الكبريت والسيلينيوم والتيلوريوم مع الهالوجينات، على سبيل المثال SF 6 وSeF 6، والعديد من الأيونات المعقدة: 2–، 3–، إلخ. في الشكل. يوضح الشكل 28 تكوين جزيء سداسي فلوريد الكبريت.
أرز. 28. مخطط جزيء SF 6
الروابط الكيميائية التي تنطوي على مدارات هجينة قوية جدًا. إذا تم اعتبار طاقة الرابطة s المتكونة من مدارات s "النقية" كوحدة، فإن طاقة الربط للتهجين sp ستكون مساوية 1.43، وللتهجين sp 2 1.99، وللتهجين sp 3 2.00، ومع sp 3 d 2 التهجين 2.92. يتم تفسير الزيادة في قوة الرابطة من خلال التداخل الأكثر اكتمالا للمدارات الهجينة مع المدارات غير الهجينة أثناء تكوين الرابطة الكيميائية.
بالإضافة إلى أنواع التهجين التي تم النظر فيها، في المركبات الكيميائيةهناك تهجينات sp 2 d، sp 3 d، sp 3 d 3، sp 3 d 3 وغيرها. مع التهجين sp 2 d، يكون للجزيئات والأيونات شكل مربع، مع التهجين sp 3 d، على شكل هرم ثنائي مثلثي، ومع التهجين sp 3 d 3، على شكل هرم ثنائي خماسي. أنواع أخرى من التهجين نادرة.
مثال 8.يتم إعطاء معادلات تفاعلين مماثلين:
1) CF 4 + 2HF = H 2 CF 6؛ 2) SiF 4 + 2HF = H 2 SiF 6
أي منها مستحيل من حيث تكوين الروابط الكيميائية؟
حل.لتكوين H 2 CF 6، يكون التهجين sp 3 d 2 ضروريًا، ولكن في ذرة الكربون تكون إلكترونات التكافؤ في مستوى الطاقة الثاني، حيث لا توجد مدارات d. ولذلك فإن رد الفعل الأول مستحيل من حيث المبدأ. التفاعل الثاني ممكن، حيث أن تهجين السيليكون sp 3 d 2 ممكن.
التهجين sp3 هو سمة من سمات مركبات الكربون. نتيجة تهجين مداري واحد وثلاثة
المدارات p ، يتم تشكيل أربعة مدارات هجينة sp 3 موجهة نحو رؤوس رباعي السطوح بزاوية بين المدارات 109.5 درجة. يتجلى التهجين في التكافؤ الكامل لروابط ذرة الكربون مع ذرات أخرى في المركبات، على سبيل المثال، في CH 4، CCl 4، C(CH 3) 4، إلخ.
الشكل 5س 3 التهجين
إذا كانت جميع المدارات الهجينة متصلة بنفس الذرات، فإن الروابط لا تختلف عن بعضها البعض. وفي حالات أخرى، تحدث انحرافات طفيفة عن زوايا الرابطة القياسية. على سبيل المثال، في جزيء الماء H 2 O، يوجد الأكسجين - sp 3 - الهجين في وسط رباعي السطوح غير المنتظم، حيث "تبدو" في رؤوسه ذرتان هيدروجين وزوجان وحيدان من الإلكترونات (الشكل 2). . يكون شكل الجزيء زاويًا عند النظر إليه من مراكز الذرات. زاوية الرابطة لـ HOH هي 105°، وهي قريبة جدًا من القيمة النظرية 109 س.
الشكل 6 sp 3 - تهجين ذرات الأكسجين والنيتروجين في الجزيئات أ) H 2 O و b) NCl 3.
إذا لم يكن هناك تهجين ("المحاذاة" سندات O-H) ، ستكون زاوية الرابطة لـ HOH 90 درجة لأن ذرات الهيدروجين ستكون مرتبطة بمدارين متعامدين بشكل متبادل. في هذه الحالة، ربما سيبدو عالمنا مختلفًا تمامًا.
تشرح نظرية التهجين هندسة جزيء الأمونيا. ونتيجة لتهجين مدارات النيتروجين 2s وثلاثة 2p، يتم تكوين أربعة مدارات هجينة sp3. تكوين الجزيء عبارة عن رباعي وجوه مشوه، حيث تشارك ثلاثة مدارات هجينة في تكوين رابطة كيميائية، لكن الرابع الذي يحتوي على زوج من الإلكترونات لا يشارك. الزوايا بين سندات N-Hلا تساوي 90 درجة كما في الهرم، ولكنها أيضًا لا تساوي 109.5 درجة، أي ما يعادل رباعي السطوح.
الشكل 7 sp 3 - التهجين في جزيء الأمونيا
عندما تتفاعل الأمونيا مع أيون الهيدروجين، نتيجة للتفاعل بين المانحين والمتقبلين، يتم تشكيل أيون الأمونيوم، وتكوينه هو رباعي السطوح.
يفسر التهجين أيضًا الفرق في الزاوية بين روابط OH في جزيء الماء الزاوي. نتيجة تهجين مدارات الأكسجين 2s وثلاثة 2p، يتم تشكيل أربعة مدارات هجينة sp3، يشارك اثنان منها فقط في تكوين رابطة كيميائية، مما يؤدي إلى تشويه الزاوية المقابلة لرباعي الأسطح .
الشكل 8تهجين sp3 في جزيء الماء
يمكن أن يشمل التهجين ليس فقط المدارات s وp، ولكن أيضًا المدارات d وf.
وبتهجين sp 3 d 2، تتشكل 6 سحب مكافئة. ويلاحظ في مركبات مثل 4-، 4-. في هذه الحالة، يكون للجزيء شكل المجسم الثماني:
أرز. 9د 2 س 3 - التهجين في أيون 4-
تتيح الأفكار حول التهجين فهم السمات الهيكلية للجزيئات التي لا يمكن تفسيرها بأي طريقة أخرى.
يؤدي تهجين المدارات الذرية (AO) إلى إزاحة السحابة الإلكترونية في اتجاه تكوين روابط مع الذرات الأخرى. ونتيجة لذلك، فإن مناطق التداخل في المدارات الهجينة تكون أكبر من المدارات النقية وتزداد قوة الرابطة.
نهاية العمل -
هذا الموضوع ينتمي إلى القسم:
الرابطة الكيميائية. أنواع التفاعلات الجزيئية
بالنسبة للأنظمة الجزيئية، وكذلك للذرات متعددة الإلكترونات، من المستحيل التوصل إلى حل دقيق لمعادلة شردينغر؛ حيث يتم التوصل إلى حلول تقريبية.. هناك طريقتان لشرح طبيعة الرابطة التساهمية السندات الأحكام الرئيسية للرابطة التساهمية MBC.
إذا كنت بحاجة مواد إضافيةحول هذا الموضوع، أو لم تجد ما كنت تبحث عنه، ننصحك باستخدام البحث في قاعدة بيانات الأعمال لدينا:
ماذا سنفعل بالمواد المستلمة:
إذا كانت هذه المادة مفيدة لك، فيمكنك حفظها على صفحتك على الشبكات الاجتماعية:
| سقسقة |
جميع المواضيع في هذا القسم:
الرابطة الكيميائية. أنواع التفاعلات الجزيئية
الرابطة الكيميائية هي مجموعة من القوى التي تتشكل بين الذرات الأنظمة المستدامة: الجزيئات والأيونات والجذور.
لا شيء من التفاعلات المعروفة - الكهربائية أو المغناطيسية أو الجاذبية
سبب تكوين الرابطة الكيميائية هو انخفاض الطاقة الكلية للنظام
الشكل 1: اعتماد الطاقة الكامنة E لنظام مكون من ذرتين هيدروجين على النواة الداخلية
1) تتكون الرابطة الكيميائية التساهمية من إلكترونين لهما دوران متعاكسان، وينتمي زوج الإلكترون هذا إلى ذرتين.
2) الرابطة التساهمية أقوى كلما زادت
آليات تكوين الروابط الكيميائية
تميز طريقة رابطة التكافؤ بين آليات التبادل والمتلقي والمانح لتكوين رابطة كيميائية.
آلية الصرف. نحو آلية التمثيل الغذائي للتكوين الكيميائي
آلية المانحين والمتقبلين
آلية المانح والمستقبل هي تكوين رابطة تساهمية بسبب السحابة ثنائية الإلكترون لذرة واحدة (المانحة) والمدار الحر لذرة أخرى (المتقبل).
أمثلة على تكوين المركبات الكيميائية
التكافؤ
التكافؤ هو خاصية ذرة عنصر معين لربط أو استبدال عدد معين من ذرات عنصر آخر. مقياس التكافؤ هو عدد الروابط التساهمية التي تشكلها الذرة. عند هذا
التهجين Sp
يحدث تهجين sp، على سبيل المثال، أثناء تكوين هاليدات Be وZn وCo وHg (II). في حالة التكافؤ، تحتوي جميع الهاليدات المعدنية على s وp-unpars عند مستوى الطاقة المناسب
الطريقة المدارية الجزيئية
يتم استخدام طريقة BC على نطاق واسع من قبل الكيميائيين. في هذه الطريقة، يُنظر إلى الجزيء الكبير والمعقد على أنه يتكون من روابط فردية ثنائية المركز وثنائية الإلكترون. ومن المفترض أن الإلكترونات
قطبية الاتصالات
بين الذرات المختلفة، يمكن أن تنشأ رابطة تساهمية نقية إذا كانت السالبية الكهربية (EO) للذرات هي نفسها. هذه الجزيئات متناظرة كهربائيا، أي. "مراكز الثقل" ذات الشحنات الموجبة I
رابطة الهيدروجين الرابطة الهيدروجينية هي نوع خاص من الروابط الكيميائية. من المعروف أن مركبات الهيدروجين ذات اللافلزات ذات السالبية الكهربية العالية، مثل F، O، N، لها نقاط غليان عالية بشكل غير طبيعيطاقة الاتصالات هذا مهمخصائص الطاقة<Е(А)+
الرابطة الكيميائية. عندما تتشكل رابطة كيميائية، تكون الطاقة الإجمالية للنظام (الجزيء) أقل من الطاقة
عناصر