المدارات الهجينة: sp³   Hybrid orbitals sp³

نلتفت الآن الى أبسط الجزيئات العضوية على الأطلاق، الميتان CH₄.

يملك الكربون الكتروناً غير متزاوج في اثنين من المدارات p، وعلى هذا يمكن أن نتوقع أنه سيشكل المركب CH₂. (إنه يقوم بذلك فعلاً إلا أن CH₂ جزيء على التفالعية، تتمركز صفاته حول الحاجة الى توفير كربون ذي رابطتين إضافيتين). ومرة أخرى نرى الميل الى تشكيل أكبر عدد ممكن من الروابط وفي هذه الحالة الى الاتحاد مع أربع ذرات هيدروجين.

ولتوفير أربعة الكترونات غير متزاوجة، نرفع أحد الالكترونين 2s الى المدار p الشاغر.

رفع الكترون واحد: أصبح لدينا أربعة الكترونات غير متزاوجة

ونجد مرة أخرى إن المدارات الأشد توجيهاً هي مدارات هجينة: هذه المرة هي المدارات sp³، الناتجة عن مزج

مدار واحد s مع ثلاثة مدارات p. يملك كل منها الهيئة المبينة في الشكل 1.1؛ وكما هو الحال في المدارات sp و sp²، فإننا سنهمل الانتفاخ الخلفي الصغير ونمثل الانتفاخ الأمامي بكرة.

الشكل 1.1: المدارات الذرية: المدارات الهجينة sp³ (أ) مقطع عرضي والهيئة التقريبية لمدار مفرد. إنه موجه بقوة وفق أحد المحاور. (ب) تمثيل بشكل كرة، انتفاخ خلفي صغير مهمل. (جـ) أربعة مدارات، محاورها موجهة نحو رؤوس رباعي وجوه.

لنر الآن كيف تترتب المدارات sp³ في الفراغ. ولن يكون الجواب التالي مستغرباً: يجب أن تترتب هذه المدارات في الفراغ بحيث تبتعد بعضها عن بعض بأكبر قدر ممكن. إنها تتوجه نحو زوايا رباعي وجود منتظم. وتكون الزاوية بين أي مدارين هي زاوية رباعي الوجود المساوية 109.5˚ (الشكل 1.1). وكما يؤدي التدافع بين المدارات الى اعطاء رابطتين خطيتين أو ثلاث روابط مثلثة فإنه يؤدي هنا الى أربع روابط رباعية.

ينتج الميتان عن تراكب كل مدار من المدارات sp³ التابعة لذرة الكربون، مع مدار s لذرة هيدروجين: ويكون الكربون واقعاً في مركز رباعي وجوه منتظم، في حين تقع ذرات الهيدروجين الأربعة في رؤوسه (شكل 2.1).

الشكل 2.1: تشكل رابطة جزيء CH₄ (أ) مداراتsp3 رباعية الزاوية. (ب) الهيئة المتوقعة. تقع نوى H في تراكب أعظمي. (جـ) الهيئة والحجم

لقد وجد تجريبياً أن الميتان أعلى بنية رباعية الوجود متناظرة معروفة يكون لكل رابطة كربون – هيدروجين فيه نفس الطول A1.10، وتكون الزاوية بين أي رابطتين فيه هي زاوية رباعي الوجود المساوية 109.5˚. وتحتاج لتحطيم رابطة واحدة في جزيء الميتان مقدار 104 كيلو حريرة/مول من الطاقة.

لقد رأينا في دراسة الفقرات الثلاث الأخيرة، أن هذه الدراسة لم تقتصر على الرابطة المشتركة من حيث صفاتها وطولها وطاقة تفارقها، بل شملت أيضاً معلومات عن زاوية الترابط. يمكن بسهولة توضيح علاقة زوايا الترابط هذه بترتيب المدارات الذرية – بما في ذلك المدارات الهجينة – المتصمنة تشكيل الروابط، وتعود هذه الروابط في النهاية الى مبدأ الاستبعاد لباولي وإلى ميلا لالكترونات غير المتزاوجة الى الابتعاد بعضها عن بعض بأكبر قدر ممكن.

وتختلف الرابطة المشتركة عن الرابطة الأيونية، التي تساوي في القوة في كافة الاتجاهات، لأن الرابطة المشتركة هي رابطة موجهة. وربما نستطيع أن نبدأ من هنا في فهم سبب الاهتمام الكبير الذي توليه كيمياء الروابط المشتركة لأشكال وحجوم الجزيئات.

ولما كانت مركبات الكربون ترتبط ذراتها غالباً بروابط مشتركة، لذا فإن الكيمياء العضوية معنية كثيراً أيضاً بأشكال وحجوم الجزيئات. ولتسهيل دراستنا، سنستعين بصورة متكررة بالنماذج الجزيئية. يوضح الشكل (3.1) كيفية تمثيل جزيء الميتان بالاستعانة بثلاث تقانات مختلفة هي: الكرات والعصي Stick-and-ball، والهيكلة Framework، ومالئات الفراغات Space-filing. يصنع النموذج الأخير حسب المقاس ويظهر ليس فقط زوايا الترابط، بل وكذلك أيضاً أطول الروابط وحجوم الذرات.

الشكل 3.1: نموذج لجزيء الميتان. (أ) كرات وعصي (Allyn & Bacon) (ب) هيكل (Prentic Hall). (جـ) مالئ فراغ (CPK)؛ كل 1.25 سم لكافئ (A1.00).