المدخل إلى الكيمياء العضوية | المدارات الذرية - التهجين - الروابط في مركبات الكربون
 |
| كيمياء عضوية - المدخل إلى الكيمياء العضوية |
لدراسة آليات التفاعلات العضوية لابد من التعرف على بنية الكربون وطريقة أرتباط ذرات الكربون بالذرات الأخرى وأرتباط ذرات الكربون مع بعضها البعض .
المدارات الذرية (Atomic Orbitals)
تحتوي ذرة الكربون C على ستة ألكترونات ، تتوضع بحسب نموذج بور حول النواة في مسارات متزايدة في أنصاف أقطارها ، وهذه المسارات تتوافق مع أزدياد مستويات الطاقة .
مستوى الطاقة الأدنى 1S يستوعب ألكترونين
والمستوى التالي 2S يستوعب ألكترونين
والمستوى 2P يمكنه أستيعاب ستة ألكترونات ويتوضع فيه ألكترونان .
- وإن مبدأ عدم التعيين لهيزنبرغ ودراسة سلوك الألكترون وفق قوانين الميكانيك الموجي ، تدل على أنه لاوجود لمثل هذه المسارات ، بل إن الألكترونات ذات طبيعة موجية .
- وهناك تصور آخر عن مدارات ذرية ثلاثية الأبعاد ذات مستويات طاقة مختلفة ، وتعكس شكل المدارات الذرية وحجمها وأتجاهها ، ووفق هذا التصور يمكن تحديد الأحتمال الأعظمي لوجود ألكترون ما موافق لمستوى طاقة معين ومكمم .
- ويحدد وضع الألكترونات على المدارات بالعدد الكمي السبيني حيث أن كل مدار لايستوعب أكثر من ألكترونين مختلفين عن بعضهما بأتجاه اللف الذاتي (ألكترونان متزاوجان) وهذا يتوافق مع مبدأ الأستثناء لباولي الذي يشير إلى أنه لايوجد في الذرة الواحدة ألكترونان يمتازان بالمجموعة نفسها من الأعداد الكمية .
- إن بنية المدار 1s و 2s بنية كروية أما المستوى 2p له ثلاثة مدارات لها الشكل نفسه ومستوى الطاقة نفسه لكنها تختلف من حيث أتجاهاتها الفراغية 2Px , 2Py , 2Pz ولها شكل يشبه الدومبلز (Dombles)
 |
وتقوم الألكترونات الست في ذرة الكربون بملء المدارات على الشكل :
ألكترونان متعاكسان باللف الذاتي في المدار 1s , والألكترونان التاليان في المدار 2s , أما الألكترونان الباقيان يشغلان المستوى 2P , في مدارات مختلفة 2Px , 2Py بحسب مبدأ باولي
ويكون التوزع الألكتروني على الشكل :
1S" , 2S'', 2Px ' , 2Py '
وهذا التوزع يحصل في الحالة الحرة لذرة الكربون .
- ويبدو للوهلة الأولى أن الكربون ثنائي التكافؤ ويمكنه تكوين الروابط مع الذرات الأخرى بمشاركة الألكترونين الموجودين في المدارين 2Px , 2Py .
إلا أنه في الحقيقة يشكل أربع روابط بأنفصال الألكترونين المتزاوجين في 2s عن بعضهما وأنتقال أحدهما إلى المدار الشاغر 2Pz , فتصبح ذرة الكربون متهيجة وتملك أربع ألكترونات مفردة قادرة على تكوين أربع روابط .
التهجين في ذرة الكربون (Hybridisation)
1- التهجين SP3 :
عند أرتباط ذرة الكربون بأربع ذرات مثل (الميتان CH4) يمتزج المدار الذري 2S والمدارات الذرية الثلاث 2P معطية أربعة مدارات جديدة متشابهة فيما بينها وقادرة على تكوين روابط قوية ، وتعرف هذه المدارات الجديدة بالمدارات الذرية ذات التهجين SP3 , وتدعى عملية تشكلها بالتهجين ، وتكون هذه الروابط متشابهة ومتناظرة وتشكل بينها زوايا تساوي 109° .
2- التهجين SP2 :
عند أرتباط ذرة الكربون بثلاث ذرات مثل (الأيتلن C2H4)
تتوضع المدارات الذرية الثلاثة الهجينة في المستوي نفسه صانعة فيما بينها زوايا 120° ، ويبقى مدار واحد لايشارك في التهجين .
3- التهجين SP1 :
عند أرتباط ذرة الكربوم بذرتين مثل (الاستيلن C2H2) يتوضع المداران الذريان الهجينان بحيث يشكلان فيما بينهما زاوية 180° ، ويبقى مداران p لايشاركان في التهجين .
ثالثا - الروابط في مركبات الكربون :
إن الرابطة بين ذرتين هي تداخل المدارات الذرية لكلتا الذرتين المشاركتين وكلما كان التداخل كبيرا كانت الرابطة المتشكلة قوية .
1- الرابطة الأحادية C---C :
لنأخذ الأيتان كمثال C2H6 ينتج أتحاد ذرتي الكربون من أمتزاج مدارين ذريين SP3 (مدار واحد من كل ذرة كربون ) مما يؤدي إلى تشكل رابطة قوية ~○ سيغما .
إن طول الرابطة C---C بين ذرتي كربون ذات تهجين SP3 يساوي 1.54 A°
وفي التهجين SP2 يساوي 1.47 A°
وفي التهجين SP1 يساوي 1.138 A°
أي يزداد أقتراب نواتي ذرتي الكربون المرتبطتين إلى بعضهما البعض في المدارات الهجينة التي تزداد نسبة المدار S فيها .
2- الرابطة الثنائية C---C :
ترتبط كل من ذرتي الكربون في الأيتلن C2H4 بثلاث ذرات فقط ذرتي هيدروجين وذرة كربون ، وتكون الروابط بهذه الذرات الثلاث متينة من نوع ~○ سيغما ، وتتشكل بمشاركة ثلاثة مدارات هجينة من النوع SP2 .
3- الرابطة الثلاثية C---C :
ترتبط كل ذرة كربون في الأستيلين C2H2 بذرتين فقط ذرة هيدروجين وذرة كربون ، وتكون الروابط بهاتين الذرتين من النوع ~○ سيغما القوية ، وتتشكل بمشاركة المداريين الهجينين من النوع SP1 .
4- الروابط C---O و C---N
إن الأوكسجين يملك التوزيع الألكتروني
1S",2S",2Px",2Py',2Pz' .
وعند أرتباطها بالكربون تبدو وكأنها تستعمل مدارات هجينة لتشكيل روابط قوية .
مثلا :
-ميتوكسي الميتان CH4--O--CH4 يمكن للأوكسجين أستعمال أربع مدارات هجينة SP3 أثنين لتشكيل روابط سيغما القوية لتداخل مدارات هجينة SP3 من كل من ذرتي الكربون .
أما المداران الأخران فإنهما يحملان الزوجين من الألكترونات الحرة .
- وفي الأسيتون Me2C=O تقوم ذرة الاوكسجين بأستعمال ثلاثة مدارات هجينة SP2 بتداخل أحدها مع مدارات SP2 لذرة الكربون لتكوين رابطة سيغما .
أما المداران الأخران فإنهما يحملان الزوجين من الألكترونات الحرة .
- وبالنسبة للرابطة C---N و C=N و الرابطة الثلاثية CN يتم الأرتباط بنفس مبدأ التهجين في الأوكسجين .
5- الترافق :
أي أن تكون الروابط المضاعفة والأحادية متناوبة ، ولايقتصر الترافق فقط على الروابط المضاعفة C=C .
وقد وجد أن المركبات التي تكون فيها الروابط المضاعفة مترافقة اكثر ثباتا من المركبات التي تكون فيها هذه الروابط منعزلة .
6- البنزن والعطرية :
-إن أطوال جميع الروابط C---C في البنزن متساوية ويساوي كل منها 1.4 A° ، أي أن البنزن مضلع سداسي منتظم الاطوال
-وذو ثبات ترموديناميكي كبير نتيجة لتوضع الروابط الثلاثة في كل ذرة كربون في مستوي واحد صانعة فيما بينها زوايا نظامية يساوي كل منها 120° .
- البنية المستوية للبنزن تشير إلى وجود التهجين SP2 ، إلى جانب مدارات ذرية P في ذرات الكربون الست التي تتوضع صانعة مع مستوي الحلقة زوايا قائمة .