1.10 : نظرية رابطة التكافؤ والمدارات المهجنة

وفقا لنظرية رابطة التكافؤ، تنشأ الرابطة التساهمية عندما: (1) يتداخل مدار ذرة واحدة مع مدار ذرة ثانية، و (2) تتحد الإلكترونات المفردة في كل مدار لتشكل زوجًا من الإلكترونات. تعتمد قوة الرابطة التساهمية على مدى تداخل المدارات المعنية. يكون الحد الأقصى للتداخل ممكنًا عندما تتداخل المدارات على خط مباشر بين النواتين.

الرابطة σ (الرابطة الأحادية في بنية لويس) هي رابطة تساهمية تتركز فيها الكثافة الإلكترونية في المنطقة على طول المحور النووي. الرابطة π هي رابطة تساهمية تنتج عن التداخل جنبًا إلى جنب بين مدارين p. في الرابطة π، تقع مناطق التداخل المداري على جوانب متقابلة من المحور النووي، في حين توجد عقدة (مستوى لا يوجد به احتمال للعثور على إلكترون) على طول المحور. جميع الروابط المفردة هي روابط σ، بينما تتكون الروابط المتعددة من روابط σ وπ.

عندما ترتبط الذرات معًا في جزيء، يمكن للدوال الموجية للمدارات الذرية أن تتحد لإنتاج أوصاف رياضية جديدة لها أشكال مختلفة. تُسمى هذه العملية بالتهجين ويتم إنجازها رياضيًا عن طريق التركيب الخطي للمدارات الذرية. تسمى المدارات الجديدة الناتجة المدارات الهجينة.

تختلف أشكال واتجاهات المدارات الهجينة، التي تتشكل فقط في الذرات المرتبطة تساهميًا، عن تلك الموجودة في المدارات الذرية في الذرات المعزولة. عدد المدارات الهجينة يساوي عدد المدارات الذرية التي تم دمجها لتوليدها. جميع المدارات في مجموعة المدارات الهجينة متكافئة في الشكل والطاقة، ويتم التنبؤ باتجاهها من خلال نظرية VSEPR. تتداخل المدارات الهجينة لتشكل روابط σ، بينما تتداخل المدارات غير المهجنة لتشكل روابط π.

على سبيل المثال، في الحالة المثارة للكربون، يخضع المدار 2s والمدارات الثلاثة 2p للتهجين مما يؤدي إلى أربع مدارات هجينة متكافئة sp³ موجهة بشكل رباعي الأوجه. في جزيء الميثان، يتداخل المدار 1s لكل من ذرات الهيدروجين الأربع مع أحد المدارات الأربعة sp³ لذرة الكربون لتكوين رابطة سيجما (σ).

وبالمثل، فإن اختلاط مدار 2s واثنين من مدارات 2p من الكربون يولد ثلاث مدارات هجينة مكافئة sp² ذات شكل هندسي مثلثي مستوٍ، في حين أن تهجين مدار 2s وواحد من مدارات 2p يخلق مدارين sp موجهين بزاوية 180 درجة لبعضهما البعض.

بالنسبة للذرات التي تحتوي على مدارات d في مداراتها الفرعية، فإن تهجين خمس مدارات ذرية في غلاف التكافؤ (واحدة s، وثلاثة p، وواحدة من المدارات d) يعطي خمس مدارات هجينة sp³d ذات هندسة ثلاثية الهرمية. يتم الحصول على ترتيب ثماني الأوجه لست مدارات هجينة عن طريق اختلاط ست مدارات ذرية ذات غلاف تكافؤ (واحدة s، وثلاثة p، واثنان من المدارات d)، مما ينتج ست مدارات هجينة sp³d².

تم اقتباس هذا النص من Openstax, Chemistry 2e, Section 8.1 Valence Bond Theory and Section 8.2 Hybrid Atomic Orbitals.