طبق قانون عناصر با تشکیل پیوند با یکدیگر با رسیدن به آرایش هشت تایی گاز نجیب بعد از خود به پایداری می‌رسند. اما ترکیباتی مهم وجود دارند که این قانون را مکررا نقض ...
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :

اوربیتال هیبریدی

طبق قانون، عناصر با تشکیل دادن پیوند با یکدیگر، به آرایش هشت تایی گازِ نجیبِ بعد از خود، رسیده و پایدار می شوند. اما ترکیباتی مهم وجود دارند که این قانون را مکررا نقض می‌کنند. در این ترکیبات اتم هایی وجود دارند که تعداد الکترون‌های لایه ظرفیت آن ها بیشتر یا کمتر از هشت الکترون است.

برای توجیه ارتباط بین آرایش الکترونی حالت اصلی یک اتم و خواص ساختمانی مشاهده شده ترکیبی که این اتم تشکیل می‌دهد، دانشمندان مفهوم هیبرید شدن را مطرح کرده‌اند.

هیبرید شدن یک مفهوم نظری است که نواقص ساختمان لوئیس یعنی فقدان ارتباط بین ساختمان لوئیس و ساختار هندسی مولکول را بر طرف می‌کند.

بررسی اوربیتال های مولکول متان با استفاده از نظریه VSEPR

به استثنای مواردی بسیار معدود، پیش بینی‌هایی که بر اساس نظریه ی دافعه ی جفت الکترونی به عمل آمده است، صحیح بوده و با واقعیت انطباق دارند. مثلاً نظریه مزبور پیش بینی می‌کند که مولکول متانCH4 چهار وجهی است، زیرا اتم مرکزی C در پوسته والانس خود چهار جفت الکترون پیوندی دارد.

 

اوربیتال هیبریدی

شواهد تجربی بسیار، درستی این پیش بینی را تائید کرده است. در مولکول متان چهار پیوند C-H  از لحاظ طول پیوند و استحکام یکسانند و تمام زوایای پیوندی H-C-H زوایای چهار وجهی 109 درجه و  '28 است.

 

اوربیتال هیبریدی

توجیه تشکیل پیوند چهار وجهی متان

طبق نظریه پیوند والانس، هر پیوند کووالانسی متشکل از یک جفت الکترون (با اسپین های مخالف) است که هر دو اتم در آن شرکت دارند. می‌توان تصور کرد پیوند کووالانسی وقتی بوجود می‌آید که یک اوربیتال (حاوی یک الکترون جفت نشده) از یک اتم با اوربیتالی (حاوی یک الکترون جفت نشده) از اتم دیگر همپوشانی می‌کند. اگر قرار باشد در این چهار چوب فکر کنیم، تشکیل پیوند چهار وجهی متان چگونه است؟

اوربیتال هیبریدی

آرایش الکترونی حالت پایه ی کربناوربیتال هیبریدیاست که نشاندهنده تنها، دو الکترون جفت نشده است. شاید این نوع آرایش، این تصور غلط را ایجاد کند که اتم C ، با اتم های H تنها دو پیوند کووالانسی به وجود می‌آورد، ولی اگر یکی از الکترون های 2S به اوربیتال خالی 2P ، ارتقا داده شود، اتم برانگیخته کربن اوربیتال هیبریدیچهار الکترون جفت نشده لازم برای تشکیل چهار پیوند C-H را تامین خواهد کرد.
 
چگونه می‌توان بر پایه این حالت برانگیخته ی اتم کربن، تشکیل پیوند را در CH4 توجیه کرد؟

فرض می‌کنیم، هر اوربیتال،پیوندی مولکول، نتیجه همپوشانی یک اوربیتال اتمی C و یک اوربیتال 1S اتم H است. چون چهار اوربیتال پیوندی چهار وجهی متان هم ارزند، پس چهار اوربیتال اتمی کربن که آن ها را به وجود آورده‌اند، نیز باید دقیقاً یکسان باشند و محورشان در امتدادی باشد که با یکدیگر زوایای 109 درجه و  '28 تشکیل دهد، اما اوربیتال 2S و اوربیتال های 2P اتم کربن نه یکسان هستند و نه در امتداد گفته شده، جهت گیری کرده‌اند. بنابراین نمی‌توانیم نحوه تشکیل پیوند را به این صورت ساده تجسم کنیم.

 

فرآیند هیبریداسیون

در مولکول‌هایی مانند BeCl2 که اتم مرکزی در حالت اصلی، اوربیتال نیمه پر (الکترون فرد) برای ایجاد پیوند با اتم دیگر در اختیار ندارد، برای تشکیل پیوند باید ابتدا به صورت برانگیخته در آیند.

به عنوان مثال در حالت برانگیخته اتم Be یکی از الکترون‌های اوربیتال 2S به تراز بالاتر یعنی 2P انتقال می‌یابد. بنابراین دو الکترون جفت نشده‌ ی برای تشکیل دو پیوند در اختیار Be قرار می‌گیرد. طبق بررسی‌های طیف سنجی هر دو پیوند BeCl2  از نظر طول، استحکام و انرژی هم‌ارز می‌باشند.

اوربیتال هیبریدی

بنابراین بریلیم در حالت برانگیخته با کلر پیوند برقرار نکرده است، زیرا در این حالت یکی از پیوندها بین اوربیتال 2P کلر با اوربیتال 2S بریلیم و دیگری بین اوربیتال 2P اتم دیگر و اوربیتال 2P بریلیم ایجاد می‌شود و در این صورت پیوندها با هم، هم‌ارز نخواهند بود.

اوربیتال هیبریدی

ساختمان این مولکول را می‌توان با این فرض توضیح داد که یک اوربیتال 2S و یک اوربیتال 2P اتم بریلیم با یکدیگر در آمیخته و به صورت دو اوربیتال هیبریدی در می‌آیند که با یکدیگر هم ارز هستند. سپس اوربیتال 2P هر اتم کلر با هر کدام از این اوربیتال‌های هیبریدی همپوشانی کرده و مولکول کلرید بریلیم ایجاد می‌کنند.

 

مرکز یادگیری تبیان - تهیه و تنظیم: فاطمه گودرزی