Question

شرح التهجين من النوع sp³ مع الأمثلة والتمارين؟

أريد شرح التهجين من النوع sp³؟

Hybridization of sp³

Answer 1

 التهجين من النوع sp³

- ينتج هذا النوع من التهجين من مزج (دمج) مجال من نوع (S) مع ثلاث مجالات من نوع ( P) لنحصل على أربعة مجالات مهجنة من نوع (  sp3 ) لتتخذ المجالات المهجنة شكل هرم رباعي السطوح والزاوية بين أي مجالين °109.5

- هذا النوع من التهجين يوجد في الجزيئات أو الأيونات التي حول ذرتها المركزية أربعة أزواج إلكترونية.

مثال (1): كيفية تكون الرابطة التساهمية في CH₄ من خلال مفهوم التهجين

(1) نكتب التركيب الإلكتروني لذرة الكربون في الحالة المستقرة (المنفردة):

 

نلاحظ من التوزيع الإلكتروني أن الكربون يحتوي على إلكترونين منفردين، وهذا يعني أن الكربون يكون رابطتين تساهميتين فقط، وفي الواقع الكربون يرتبط بأربع روابط تساهمية بين (C-H) ولتفسير ذلك يجب الحصول على إلكترونين منفردين إضافيين كما يلي:

(2) ينتقل (يستثار) إلكترون من المدار (2S) إلى أحد مجالات (2p)  الفارغة عندما يكتسب طاقة ليصبح لدينا أربع إلكترونات مفردة.

التركيب الإلكتروني لذرة الكربون في الحالة المثارة:

 

نلاحظ اربع إلكترونات منفردة، ولكن عندما يرتبط الكربون مع الهيدروجين يحدث نوعين من التداخل بين المجالات كـمـا يلي: (1S – 2S) وكذلك بين 1S) - 2p)  ينتج عن ذلك روابط غير متكافئة وهذا يناقض ما هو معروف من ان الروابط بين (C - H) متماثلة في القوة والطاقة ، ولتفسير ذلك يجب الحصول على أربع مجالات متماثلة ، كما يلي .

(3) تحدث عملية دمج بين ثلاث مجالات من (P) والمجال (2S) لينتج أربع مجالات مهجنة متساوية في الشكل والطاقة ويرمز لكل منهما (sp³).

التركيب الإلكتروني لذرة الكربون في بعد التهجين:

 

(4) يحدث تداخل بين مـجـال (1S) من ذرة الهيدروجين ومجالات (sp³) المهجنة من ذرة الكربون لتتكون أربع روابط تسـاهـمـيـة.

وهذه الروابط مـتـسـاوية في الشكل والطاقة ولذلك سوف تكون الزاوية HCH تكون ( 109.5^o ) وحيث ان المركب ينتمي إلى النوع (AX₄) ، إذن الشكل الهندسي للجزيء هو شكل هرم رباعي الأوجه منتظم (Tetrahedral)

 

الأمثلة المشابهة للميثان CH₄ في التهجين والشكل الهندسي:

⁺CCl₄ & NH₄⁺ & SnCl₄ & CF₄ & PH₄⁺ & BF₄^- & ClO₄^- , & PO₄^3- & POCl₃ & SnF₄ & PCl₄

هام جداً لمعرفة نوع التهجين بسهولة 

يتبين مما سبق أنه بمعرفة عدد الأزواج الإلكترونية حول الذرة المركزية يمكن معرفة نوع التهجين كما في الجدول التالي:

ملاحظة: يمكن معرفة عدد الأزواج الإلكترونية حول الذرة المركزية برسم تركيب لويس.

تطبيق على الجدول السابق

 مثلاً تركيب لويس للجزيء (F₂O) هو:

فنلاحظ أن حول الذرة المركزية أربعة أزواج إلكترونية ، فإنه حسب نظرية (VSEPR) سوف تتوزع الأزواج الإلكترونية في أركان هرم رباعي السطوح. وهذا يعني أن التهجين من نوع sp³

Answer 2

مثال (2): كيفية تكون الرابطة التساهمية في NH₃ من خلال مفهوم التهجين .

(1) تكتب التركيب الإلكتروني لذرة النيتروجين في الحالة المستقرة:

تركيب لويس لجـزئ NH₃ هو

 

نلاحظ ان حـول الذرة المركزية أربعـة ازواج إلكترونية، فإنه حسب نظرية (VSEPR) سوف تتوزع الأزواج الإلكترونية في أركان هرم رباعي السطوح.

وهذا يعني أن التهجين من نوع sp³

وبذلك فنحن في حاجة إلى أربعة مدارات متساوية في الطاقة، بحيث يكون ثلاثة مدارات منها يحتوي كل منها على إلكترون منفرد.

ملاحظة: في هذه الحالة لن تحتاج إلى نقل إلكترون لأنه متوفر لدينا ثلاثة إلكترونات مفردة.

(2) تحدث عملية دمج بين ثلاث مجالات من (p) والمجال (2s) لينتج أربع مجالات مهجنة متساوية في الشكل والطاقة ويرمز لكل منهما (sp³) 

ويحتوى كل منها على إلكترون منفرد فيما عدا مدار واحد يحتوي على زوج إلكتروني غير رابط (حر).

التركيب الإلكتروني لذرة الكربون في بعد التهجين:

 

(3) يحدث تداخل بين مجال (1s) من ذرة الهيدروجين وثلاث مجالات من (sp³) المهجن من ذرة النيتروجين لتتكون ثلاث روابط تساهمية.

 وهذه الروابط متساوية في الشكل والطاقة أما المدار الرابع فيحتوي على زوج من الإلكترونات الحرة.

وحيث أن الزوج الإلكتروني غير الرابط أكثر طاقة من الزوج الرابط لذا فإنه يشغل حيز أكبر في الفراغ وبالتالي سوف يزداد التنافر بين إلكترونات الزوج الحر وإلكترونات الأزواج الرابطة وبالتالي تقل الزاوية بين أي رابطتين في النشادر عن مـا هـو مـوجـود في الميـثـان (°109.5) لتـصـبح الزاويةHNH حوالي. (107.3^o)

وحيث أن المركب ينتمي إلى النوع (AX₃E) ، إذن الشكل الهندسي للـجـزيء هو هرم ثلاثي (Trigonal Pyramid)

 

من الأمثلة المشابهة للنشادر NH₃ في التهجين والشكل الهندسي:

NF₃ & PF₃ & PC1₃ & AsH₃

مثال (3) كيفية تكون الرابطة التساهمية في H₂O من خلال مفهوم التهجين

(1) نكتب التركيب الإلكتروني لذرة الأكسجين في الحالة المستقرة:

تركيب لويس لجزيء H₂O هو:

نلاحظ أن حول الذرة المركزية أربعة أزواج إلكترونية، فإنه حسب نظرية ( VSEPR ) سوف تتوزع الأزواج الإلكترونية في اركان هرم رباعي السطوح ، وهذا يعني أن التهجين من نوع sp³. 

وبذلك فنحن في حـاجـة أربعـة مـدارات مـتـساوية في الطاقة بحيث يكون مدارين منها يحتوي كل منهما على إلكترون منفرد

 ملاحظة: في هذه الحالة لن نحتاج لنقل إلكترون لأنه متوفر لدينا إلكترونان مفردان .

(2) تحدث عملية دمج بين ثلاث مجالات من (p) والمجال (2s) لينتج أربع مدارات مهجنة متساوية في الشكل والطاقة ويرمز لكل منهما (sp³) .

ويحتـوى مـداران منها على إلكترون منفرد اما المداران الآخران فيحتوي كل منهما على زوج الكتروني حر .

التركيب الإلكتروني لذرة الأكسجين بعد التهجين:

 

(3) يحدث تداخل بين مجال (1s) من ذرة الهيدروجين ومجالين من (sp³) المهجن من ذرة الأكسجين لتتكون رابطتين تساهميتين.

 وهذه الرابطتان متساويتان في الشكل والطاقـة أمـا المدار الثالث والرابع من (sp³) فيحتوي كل منهما على زوج من الإلكترونات الحرة

وحيث أن الزوج الإلكتروني غير الرابط أكثر طاقة من الزوج الرابط لذا فإنه يشغل حيز أكبر في الفراغ وبالتـالي سوف يزداد التنـافـر بين إلـكـتـرونـات الأزواج الـحـرة وإلكترونات الأزواج للرابطة وبالتالي تقل الزاوية بين الرابطتين في الماء لتصبح الزاوية HOH تساوي (104.5^o) .

وحيث أن المركب ينتمي إلى النوع (AX₂E₂) ، إذنالشكل الهندسي للجزيء هـو زاوي (منحني) Angular

من الأمثلة المشابهة للماء H₂O في التهجين والشكل الهندسي:

OF₂ & H₂S & ClF₂⁺ & SF₂ & SCl₂ & OCl₂ & ClO₂^- & NH₂^- & Cl₂O  

ملاحظة: إذا رمزنا بالرمز (LP) للزوج الحر ورمـزنـا لـ (BP) للزوج الرابط ، فـإن طاقـات التنافر تترتب كما يلي:

LP-LP > LP - BP > BP - BP