التهجين في الكيمياء

التهجين في الكيمياء هو عبارة عن عملية دمج للمدارات الذرية حتى تعمل على تشكيل مدارات جديدة، وهذه المدارات تكون عبارة عن مدارات مهجنة حديثًا، والتي بدورها تقوم بالتأثير على الهندسة الجزيئية للمركبات وأيضا تقوم بالتأثير على خصائص الترابط لهذه المركبات الكيميائية.

مقدمة في التهجين

• التهجين (hybridization)، هو عبارة عن عملية دمج المدارات للإلكترونات، كما وأنه يعد امتداد لنظرية رابطة التكافؤ أو ما يعرف بنظرية تنافر الأزواج الإلكترونية لغلاف التكافؤ (VSEPR).

• ومن أجل استكشاف هذا المفهوم أو المنظور بشكل أكبر، سنقوم باستخدام أنواع مختلفة من المركبات الهيدروكربونية لنقوم بتوضيح ثلاثة أنواع مختلفة من التهجين والمعروفة بـ sp3 وبـ sp2 وبـ sp.

• يتم وصف عملية الترابط في الجزيئات ثنائية الذرة بشكل مناسب من خلال العمل على توليف وربط المدارات الذرية النقية على كل ذرة، حيث أن الاتجاه الوحيد الموجود في مثل هذه الجزيئات هو محاور النواة الداخلية بالإضافة إلى هندسة كل ذرة غير معروفة من خلال  نظرية VSEPR، حيث أن كلا الذرات تكون طرفية.

• هذا ليس ما يحصل مع الجزيئات متعددة الذرات، كما وأن اتجاه المدارات يعد شيئا مهما لعملية وصف دقيق لكل من عملية الترابط والهندسة الجزيئية للمدارات.

• مثلا الترابط في الأمونيا NH3 باستخدام مدارات ذرية “نقية” ما يحدث هو أن كلا من المدارات 2p على ذرة النيتروجين N تكون موجهة على طول كلا من المحاور X و Y و Z، لذلك نستطيع التوقع على أن الزوايا الرابطة الواقعة بين سيجما (2p-1s) في الأمونيا NH3 ستكون تساوي 90 درجة، لكن في الواقع وجد أن روابط الأمونيا تمتلك زاوية بمقدار 107° درجة.

• ما يحصل في الحقيقة أنه يتم التعامل مع مشكلة حساب الهندسة الحقيقية للجزيئات واتجاه المدارات والزوايا باستخدام مفهوم المدارات الهجينة أو الأفلاك المهجنة، حيث أن المدارات الهجينة هي عبارة عن خليط من المدارات الذرية، كما ويتم التعامل معها رياضيًا على اعتبار أنها مجموعات خطية من المدارات الذرية المناسبة s و p و d.

• وجب التنويه إلى أنه إذا قمنا بالبدء بـعدد n من المدارات الذرية، فغنه يجب أن ينتهي بنا الأمر بعدد n أيضا من المدارات بعد عملية التهجين.

• يتم تكوين عددين اثنين من المدارات الهجينة من النوع (sp) من خلال دمج مدار ذري واحد 2s ومدار ذري واحد من 2p.

علاقة نظرية رابطة التكافؤ والتهجين في الكيمياء

• قامت نظرية رابطة التكافؤ بعملية معالجة لجزيء خطي (linear)، مثل ​​الترابط في جزيء BeH2: حيث أن التداخل بين المدارات الهجينة على ذرة البيريليوم Be مع المدارات 1s على ذرات الهيدروجين H يقوم بإعطاء اثنين من روابط سيجما (Be-H (sp -1s في اتجاه مقداره 180 درجة من بعضها البعض، وهذا يتفق مع التنبؤ النظري لنظرية تنافر الأزواج الإلكترونية لغلاف التكافؤ (VSEPR).

• قامت نظرية رابطة التكافؤ بعملية معالجة لجزيء مستو ثلاثي الزوايا (trigonal planar)، مثل الترابط في جزيء BH3: حيث أن هذا يقوم بإعطاء ثلاثة مدارات من نوع sp2 والتي يتم العمل على توجيهها بمقدار 120 درجة عن بعضها البعض في مستوى xy، كما يعطي التداخل بين هذه المدارات الهجينة من نوع sp2 على ذرة البورون B مع المدارات 1s على ذرات الهيدروجين H ثلاثة روابط من نوع (B-H (sp2 -1s موجهة باتجاه 120 درجة من بعضها البعض، حيث أن هذا يتفق مع توقع نظرية تنافر الأزواج الإلكترونية لغلاف التكافؤ VSEPR.

• قامت نظرية رابطة التكافؤ بعملية معالجة لجزيء رباعي السطوح (tetrahedral)، مثل الترابط في جزيء الميثان CH4: حيث يقوم هذا بإعطاء أربعة مدارات من نوع sp3، والتي يتم توجيهها في رباعي السطوح، حيث يتم تداخل المدارات الهجينة من نوع sp3 على الكربون C مع المدارات 1s على ذرات الهيدروجين H، كما ويعمل على إعطاء أربعة روابط من نوع C-H (sp3) -1s موجهة في زاوية مقدارها 109.47 درجة من بعضها البعض، وهذا أيضا يعمل على توفير هندسة رباعي السطوح والتي تنبأت بها نظرية تنافر الأزواج الإلكترونية لغلاف التكافؤ  (VSEPR).

• كما وقامت نظرية رابطة التكافؤ بعملية معالجة لجزيء مثلث ثنائي الهرم (trigonal bipyramidal)، مثل الترابط في PF5: يحتوي جزيء PF5 على نظرية (VSEPR) الخاصة بالهندسة الخاصة بـ AX5، لذلك نحن بحاجة لتهجين المدارات المناسبة للروابط إلى 5 ذرات، كما أن تركيبات ns و np يمكن أن توفر فقط أربعة، لذلك نحن بحاجة إلى استخدام المدارات nd إذا كانت متاحة، حيث أن الخليط المناسب لتشكيل ترتيب زوايا مثلث ثنائي الهرم تتضمن تهجين جميع المدارات ns و np بالإضافة إلى المدار ndz2.

• تداخل المدارات الهجينة sp3d على P مع المدارات من نوع 2p على ذرات الفلور F يعطي خمس روابط  سيجما (P-F (sp3d) -2p  في مجموعتين، الأولى تكون الروابط المحورية على طول المحور z axis (180 درجة من بعضها البعض) وثلاثة روابط استوائية (equatorial) في المستوى xy ( 120 درجة من بعضها البعض، و 90 درجة من كل رابطة محورية). هذا يعني أن الروابط الخمسة ليست مكافئة.