بنية جذر المثيل. التهجين sp²

Structure of the methyl radical. Sp² Hybridization

صرفنا قسطاً جيداً من هذا الفصل في مناقشة تشكل وتفاعلات جذر المثيل الحر (CH₃).

فكيف يبدو هذا الجزيء؟ ما هو شكله؟ كيف تتوزع الالكترونات، وبشكل خاص أين يوجد، الالكترون المفرد؟

إنها مسألة مهمة، وإن أجوبتها لا تطبق، فقط، على حالة هذا الجذر البسيط، بل وعلى أي جذر حر، نواجهه في المستقبل مهما كان معقداً، ينضوي الشكل طبيعياً تحت لواء الكيمياء ثلاثية الأبعاد – الكيمياء الفراغية – للجذور الحرة. يتعلق موقع الالكترون المفرد، بشكل وثيق، باستقرار الجذور الحرة بوساطة الزمر المتبادلة. وكما فعلنا، عندما أنشأنا الميثان ولكي نوفر الكترونين غير مقترنين للربط نرفع الكترون 2s الى

ويكون الكربون هنا مرتبطاً مع ثلاث ذرات أخرى كما هو البور في ثلاثي فلوريد البور. يوفر تهجين المدار (2s) مع مدارين من المدارات (p) المدارات الضرورية: ثلاثة مدارات (sp²) التي رأيناها سابقاً.

بحيث يتحقق تراكب أعظمي للمدارات، نحصل على البنية الموضحة في الشكل (1.1أ). إنها منبسطة وتقع ذرة الكربون في مركز المثلث وتقع ذرات الهيدروجين على رؤوسه. وتكون زاوية كل رابطة مساوية (120˚).

الشكل 1.1: جذر المثيل (أ) تبدو الروابط a فقط (ب) الالكترون المفرد على مدار p فوق وتحت مستوى الروابط a.

الآن، أين يوجد الالكترون المفرد؟ ففي تشكيل المدارات (sp²) استخدمت ذرة الكربون مدارين فقط من المدارات (p) الثلاث. يتألف المدار p المتبقي من انتفاخين متساويين، أحدهما يتوضع فوق مستوى المدارات (sp²)؛ الشكل 1.1 ب؛ ويشغل هذا المدار الالكترون المفرد.

لا يعد ذلك هو التشكيل الالكتروني المتحول، لجذر المثيل: تؤدي معالجة بديلة الى جزيء هرمي يشبه جزيء الأمونيا، ما عدا أن المدار الرابع (sp³) يحتوي على الالكترون المفرد، بدلاً من شفع من الالكترونات . ولا تعطى الحسابات القائمة على أساس ميكانيك الكم، رأياً قاطعاً شأن أحد التشكيلين. وتشير الدراسات الطيفية أن جذر المثيل هو منبسط بالفعل، أو يكاد يكون كذلك أي أن الكربون ثلاثي الروابط، أو ليس ببعيد عن ذلك؛ وأن الالكترون المفرد يشغل مداراً من نوع (p)، أو على الأقل، مداراً ذا سمة (p).

(قارن أشكال ثلاث جزيئات تكون ذرة الكربون فيها مرتبطة بثلاث ذرات أخرى:

(أ) ثلاثي فلوريد البور، ثلاثي الوجوه، مع عدم وجود الكترونات غير مشترك بها. (ب) الأمونيا، رباعي الوجوه، مع شفع من الالكترونات غير مشترك بهما. (جـ) جذر المثيل، مع وجود الكترون واحد مفرد بنية ثلاثية أو وسطاً بين ثلاثية ورباعية الوجوه).

هناك دليل كيميائي فراغي هو أن أغلب الجذور الحرة الأخرى، إما مستوية أو إذا كانت هرمية فإنها تخضع الى انقلاب سريع كالذي يحدث لجزيء الامونيا.

مسألة 5.2 الى جانب الجذور الحرة، ستواجه نوعين آخرين من الجسيمات الفعالة، الكربو كاتيونات (شحنة موجبة على الكربون) والكربوأنيونات (شحنة سالبة على الكربون).

اقترح التشكيل الالكتروني وتنبأ استناداً اليهما شكل:

(أ) كاتيون المثيل (CH₃⁺) (ب) آنيون المثيل (CH₃^-).