ሃይብሪዳይዜሽን፣ ሲግማና ፓይ ቦንዶች፦ ከሞለኪውል ቅርፅ በስተጀርባ ያሉ ምህዋሮች

ቦንዶች እንደ ተደራራቢ ምህዋሮች

የቫለንስ ቦንድ ንድፈ ሃሳብ ኮቫለንት ቦንድን የሁለት አቶሞች ምህዋሮች በሚደራረቡበት ክልል ውስጥ ተቃራኒ ሽክርክሪት ያላቸው ሁለት ኤሌክትሮኖች አድርጎ ይገልጻል። መደራረቡ የኤሌክትሮን ጥግግትን በኒውክሊየሶቹ መካከል ያከማቻል፤ እዚያም ሁለቱንም ይስባል። በአጠቃላይ የበለጠ መደራረብ ማለት ጠንካራ ቦንድ ማለት ነው።

መደራረብ በሁለት መንገዶች ሊከሰት ይችላል። በሲግማ (σ) ቦንድ ውስጥ ምህዋሮቹ ኒውክሊየሶቹን በሚያገናኘው መስመር ላይ ጫፍ ለጫፍ ይገናኛሉ፤ ስለዚህ የኤሌክትሮን ጥግግቱ በዚያ ዘንግ ላይ ከፍተኛ ነው። በፓይ (π) ቦንድ ውስጥ ሁለት ትይዩ p ምህዋሮች ጎን ለጎን ይደራረባሉ፤ ስለዚህ ጥግግቱ ከዘንጉ በላይና በታች ይገኛል፤ ዘንጉንም የያዘ የኖድ ገጽ አለ። እያንዳንዱ ነጠላ ቦንድ σ ቦንድ ነው።

የካርቦን 2s እና 2p ምህዋሮች ለምን መቀላቀል አለባቸው

የካርቦን ቫለንስ ምህዋሮች አንድ 2s እና ሦስት 2p ናቸው። ሦስቱ p ምህዋሮች እርስ በርስ በ90° ሆነው በx፣ y እና z አቅጣጫ ያመለክታሉ። የሚቴን አራት C–H ቦንዶች እነሱን በቀጥታ ቢጠቀሙ ሦስት ቦንዶች በ90° ይሆኑ ነበር፤ አንዱ ደግሞ የተለየ ይሆን ነበር። በእውነቱ ግን በCH₄ ውስጥ ያሉ አራቱም ቦንዶች ተመሳሳይና በ109.5° የተራራቁ ናቸው።

ሃይብሪዳይዜሽን ይህንን ይፈታል። የ2s ምህዋሩን ከሦስቱም 2p ምህዋሮች ጋር በሒሳብ ማጣመር ወደ ቴትራሄድሮን ማዕዘኖች የሚያመለክቱ አራት እኩል sp³ ድቅል ምህዋሮችን ይሰጣል። የድቅል ምህዋሮች ብዛት ሁልጊዜ ከተቀላቀሉት የአቶም ምህዋሮች ብዛት ጋር እኩል ነው። እያንዳንዱ sp³ ምህዋር ከሃይድሮጂን 1s ምህዋር ጋር በደንብ የሚደራረብ አንድ ትልቅ ሎብ አለው፤ ድቅል ምህዋሮች ጠንካራ σ ቦንዶችን የሚፈጥሩት ለዚህ ነው።

ከስቴሪክ ቁጥር ሃይብሪዳይዜሽንን መመደብ

ሃይብሪዳይዜሽን በአንድ አቶም ዙሪያ ካሉት የኤሌክትሮን ክልሎች ብዛት፣ ማለትም ከVSEPR ስቴሪክ ቁጥሩ፣ ይከተላል። ብቸኛ ጥንዶች እንደ ክልሎች ይቆጠራሉ፤ ብዙ ቦንድ ደግሞ አንድ ጊዜ ይቆጠራል። ስቴሪክ ቁጥሩን ካወቁ በኋላ ሃይብሪዳይዜሽኑ ይወሰናል።

ብቸኛ ጥንዶችም ድቅል ምህዋሮችን ይይዛሉ፤ ቦንዶቹንም ወደ አንድ ላይ ያቀራርባሉ። OpenStax Chemistry 2e (ክፍል 8.2) በአሞኒያ ውስጥ ላለው የH–N–H ማዕዘን 107.3°፣ በውሃ ውስጥ ላለው H–O–H ደግሞ 104.5° ይሰጣል፤ ሁለቱም sp³ ሲሆኑ የቦንድ ማዕዘኖቻቸው ከተስማሚው 109.5° በታች ናቸው።

• ስቴሪክ ቁጥር 2፦ sp፣ ቀጥተኛ፣ 180°። አንድ s እና አንድ p ይቀላቀላሉ፤ ሁለት ያልተቀላቀሉ p ምህዋሮችን ይተዋሉ። እያንዳንዱ sp ምህዋር 50% የs ባሕርይ አለው።
• ስቴሪክ ቁጥር 3፦ sp²፣ ሦስት ማዕዘን ጠፍጣፋ፣ 120°። አንድ s እና ሁለት p ይቀላቀላሉ፤ ከጠፍጣፋው ገጽ ጋር ቀጥ ያለ አንድ p ምህዋር ይተዋሉ። 33% የs ባሕርይ።
• ስቴሪክ ቁጥር 4፦ sp³፣ ቴትራሄድራል፣ 109.5°። አንድ s እና ሦስት p ይቀላቀላሉ፤ ምንም አይተዉም። 25% የs ባሕርይ።
• ስቴሪክ ቁጥሮች 5 እና 6 ብዙውን ጊዜ እንደ OpenStax sp³d እና sp³d² ተብለው ይሰየማሉ። እነዚህን እንደ የጂኦሜትሪ መለያዎች ይውሰዱ፤ ከታች ያሉትን ገደቦች ይመልከቱ።

ድርብና ሦስትዮሽ ቦንዶች እንደ ሲግማ ሲደመር ፓይ

በኤቲሊን H₂C=CH₂ ውስጥ እያንዳንዱ ካርቦን ሦስት ክልሎች ስላሉት sp² ነው። ሦስቱ sp² ምህዋሮች ከሁለት ሃይድሮጂኖችና ከሌላው ካርቦን ጋር σ ቦንዶችን ይፈጥራሉ። በሁለቱ ካርቦኖች ላይ የቀሩት p ምህዋሮች ትይዩ ናቸው፤ ጎን ለጎን ተደራርበውም π ቦንድ ይፈጥራሉ። ስለዚህ ድርብ ቦንድ አንድ σ ቦንድ ሲደመር አንድ π ቦንድ ነው። እንደ አሴቲሊን HC≡CH ያለ ሦስትዮሽ ቦንድ አንድ σ ቦንድ ሲደመር ሁለት π ቦንዶች ነው፤ እነዚህም በsp ካርቦኖች ላይ እርስ በርስ ቀጥ ያለ ማዕዘን በሚሠሩ ሁለት ጥንድ ያልተቀላቀሉ p ምህዋሮች የተሠሩ ናቸው።

π ቦንዱ ድርብ ቦንዶች በነፃነት የማይሽከረከሩት ለምን እንደሆነ ያብራራል። አንዱን ጫፍ በ90° ማጣመም p ምህዋሮቹን ቀጥ ያለ ማዕዘን እንዲሠሩ ያደርጋቸዋል፤ የπ መደራረቡንም ይሰብራል። cis-2-ቡቲን እና trans-2-ቡቲን በክፍል ሙቀት እርስ በርስ የማይለዋወጡ የተለያዩ ውህዶች የሆኑት ለዚህ ነው፤ የC–C ነጠላ ቦንድ ሁለቱ ጫፎች ግን በቀላሉ ይሽከረከራሉ።

የተሠሩ ምሳሌዎች፦ በአክሪሎናይትራይልና በአስፕሪን ውስጥ ቦንዶችን መቁጠር

σ እና π ቦንዶችን ለመቁጠር እያንዳንዱን ሃይድሮጂን ጨምሮ የተሟላ የሌዊስ መዋቅር ይሳሉ። ከዚያ እያንዳንዱ የቦንድ መስመር በትክክል አንድ σ ቦንድ ያበረክታል፤ እያንዳንዱ ድርብ ቦንድ አንድ π ቦንድ፣ እያንዳንዱ ሦስትዮሽ ቦንድ ደግሞ ሁለት ይጨምራል።

የተሠራ ምሳሌ 1። አክሪሎናይትራይል፣ H₂C=CH–C≡N፣ የአክሪሊክ ፋይበሮችን ለመሥራት የሚያገለግል። σ ቦንዶች፦ ሦስት C–H፣ አንድ በC=C፣ አንድ በC–C እና አንድ በC≡N፣ በጠቅላላው 6። π ቦንዶች፦ አንድ በC=C እና ሁለት በC≡N፣ በጠቅላላው 3። ሃይብሪዳይዜሽን፦ የድርብ ቦንዱ ሁለቱም ካርቦኖች ሦስት ክልሎች ስላሏቸው sp² ናቸው፤ የናይትራይሉ ካርቦን ሁለት ክልሎች ስላሉት sp ነው፤ አንድ የቦንድ ክልልና አንድ ብቸኛ ጥንድ ያለው ናይትሮጂንም sp ነው። እንደ ፍተሻ፣ ቫለንስ ኤሌክትሮኖቹ 3(4) + 3(1) + 5 = 20 ናቸው፦ 9 ቦንዶች 18 ይይዛሉ፤ የናይትሮጂን ብቸኛ ጥንድ ደግሞ የቀሩትን 2 ይይዛል።

የተሠራ ምሳሌ 2። አስፕሪን፣ C₉H₈O₄፣ በቤንዜን ቀለበቱ ውስጥ ተፈራራቂ ድርብ ቦንዶች ተደርገው የተሳለ። σ ቦንዶች፦ በቀለበቱ ውስጥ 6 C–C፣ 4 የቀለበት C–H፣ በካርቦክሲሊክ አሲድ ቡድኑና ከቀለበቱ ጋር ባለው ትስስሩ ውስጥ 4 (የቀለበት C–C፣ C=O፣ C–O እና O–H)፣ እንዲሁም በኤስተር ቡድኑ ውስጥ 7 (የቀለበት C–O፣ O–C፣ C=O፣ C–CH₃ እና ሦስት C–H)። ይህ 6 + 4 + 4 + 7 = 21 σ ቦንዶችን ይሰጣል። π ቦንዶች፦ በቀለበቱ ውስጥ 3 እና በእያንዳንዱ C=O 1፣ በጠቅላላው 5። ፍተሻ፦ አስፕሪን 21 አቶሞችና አንድ ቀለበት አሉት፤ ማንኛውም የተገናኘ መዋቅር (አቶሞች − 1 + ቀለበቶች) σ ቦንዶች አሉት፣ 21 − 1 + 1 = 21። የኤሌክትሮን ቆጠራውም ይሠራል፦ 26 ቦንዶች 52 ኤሌክትሮኖችን ይይዛሉ፤ አራቱ ኦክስጅኖች ስምንት ብቸኛ ጥንዶችን፣ ወይም 16 ኤሌክትሮኖችን፣ ይይዛሉ፤ 9(4) + 8(1) + 4(6) = 68። ስምንት ካርቦኖች sp² ናቸው፤ የሜቲል ካርቦኑ ብቻ sp³ ነው።

ፓይ ቦንድ ከሲግማ ቦንድ ጋር ሲነጻጸር ምን ያህል ጠንካራ ነው?

በOpenStax Chemistry 2e ሠንጠረዥ 7.3 ያሉ አማካይ የቦንድ ኃይሎች በሁለት አቶሞች መካከል ቦንዶችን መጨመር እየቀነሰ የሚሄድ ጥቅም እንደሚሰጥ ያሳያሉ። ለካርቦን–ካርቦን ቦንዶች፦ C–C፣ 1.54 Å እና 345 kJ/mol፤ C=C፣ 1.34 Å እና 611 kJ/mol፤ C≡C፣ 1.20 Å እና 837 kJ/mol።

የተሠራ ምሳሌ 3። መቀነስ ለእያንዳንዱ የተጨመረ π ቦንድ ግምታዊ ኃይል ይሰጣል። የመጀመሪያው π ቦንድ 611 − 345 = 266 kJ/mol ይጨምራል፤ ሁለተኛው ደግሞ 837 − 611 = 226 kJ/mol ይጨምራል። ሁለቱም ከC–C σ ቦንድ 345 kJ/mol ያነሱ ናቸው፤ ምክንያቱም ጎን ለጎን መደራረብ ከጫፍ ለጫፍ መደራረብ ደካማ ነው። ድርብ ቦንድ ከነጠላ ቦንድ 1.77 እጥፍ ብቻ ይጠነክራል እንጂ ሁለት እጥፍ አይደለም። በመደመር ምላሾች ውስጥ የሚሰበረው ደካማው π ቦንድ ነው፤ አልኪኖች Br₂ እና HBrን፣ እንዲሁም የብረት ካታሊስት ባለበት H₂ን በቀላሉ የሚደምሩት ለዚህ ነው። እነዚህን ልዩነቶች እንደ ግምቶች ይውሰዱ፤ አማካይ የቦንድ ኃይሎች ከብዙ የተለያዩ ሞለኪውሎች የተገኙ እሴቶችን ያጣምራሉ።

የተሰራጩ የፓይ ኤሌክትሮኖችና የድቅል ምህዋሮች ገደቦች

በቤንዜን C₆H₆ ውስጥ እያንዳንዱ ካርቦን sp² ሲሆን ከቀለበቱ ጋር ቀጥ ያለ አንድ ያልተቀላቀለ p ምህዋር አለው። ስድስት ትይዩ p ምህዋሮች በዙሪያው ሙሉ በሙሉ ይደራረባሉ፤ ስለዚህ ስድስቱ π ኤሌክትሮኖች በሦስት ድርብ ቦንዶች ውስጥ ከመወሰን ይልቅ በመላው ቀለበት ላይ ይሰራጫሉ። ስድስቱም የC–C ቦንዶች በተለመዱት የነጠላና የድርብ ቦንድ ርዝመቶች መካከል ያለ ተመሳሳይ ርዝመት አላቸው።

ሬዞናንስ π ኤሌክትሮኖችንና ብቸኛ ጥንዶችን እንደገና ያደራጃል እንጂ σ ቦንዶችን በጭራሽ አያንቀሳቅስም፤ ስለዚህ እንደ ቤንዜን ካርቦኖች ላሉ አቶሞች ማንኛውም ትክክለኛ መዋቅር ተመሳሳይ ሃይብሪዳይዜሽን ይሰጣል፤ OpenStax ይህንን ነጥብ ለቤንዜን በግልጽ ያነሳል። ብቸኛ ጥንዱ በሌላ መዋቅር ውስጥ π ቦንድ ከሚሆንበት አቶም ጋር ይጠንቀቁ፤ ለምሳሌ በአማይድ ውስጥ ያለው ናይትሮጂን፦ የክልሎቹ ብዛት በመዋቅሮች መካከል ይለወጣል፤ የሚታየው ጠፍጣፋ ጂኦሜትሪውም sp² መሆኑን ያሳያል። መሰራጨት የቫለንስ ቦንድ ንድፈ ሃሳብ የማይመችበት መስክ ነው፤ የሞለኪውላዊ ምህዋር ንድፈ ሃሳብ ደግሞ የበለጠ ንጹህ መግለጫ ይሰጣል።

የቫለንስ ቦንድ ንድፈ ሃሳብ እያንዳንዱን ኤሌክትሮን በቦንድ ወይም በብቸኛ ጥንድ ውስጥ ያጣምራል፤ ስለዚህ O₂ ያልተጣመሩ ኤሌክትሮኖች እንደሌሉት ይተነብያል። በእውነቱ ግን ፈሳሽ ኦክስጅን ወደ ማግኔት ይሳባል፤ ይህም O₂ ያልተጣመሩ ኤሌክትሮኖች እንዳሉት ያሳያል። የሞለኪውላዊ ምህዋር ንድፈ ሃሳብ የመላው ሞለኪውል የሆኑ ምህዋሮችን ይገነባል። የቦንድ ደረጃ በቦንድ ሠሪና በፀረ-ቦንድ ምህዋሮች ውስጥ ባሉ ኤሌክትሮኖች መካከል ያለው ልዩነት ግማሽ ነው። ለO₂ 12ቱ ቫለንስ ኤሌክትሮኖች 8 ቦንድ ሠሪና 4 ፀረ-ቦንድ ይሰጣሉ፤ ስለዚህ የቦንድ ደረጃው (8 − 4)/2 = 2 ነው። የመጨረሻዎቹ ሁለት ኤሌክትሮኖች ትይዩ ሽክርክሪት ይዘው ሁለት የተለያዩ π* ምህዋሮችን ይይዛሉ፤ ይህም ፓራማግኔቲዝሙን ያብራራል። ለN₂ (8 − 2)/2 = 3 ሲሆን ከሦስትዮሽ ቦንዱ ጋር ይስማማል።

የሃይብሪዳይዜሽን ስህተቶችና እንዴት እንደሚያዙ

አብዛኞቹ ስህተቶች የሚመጡት የሌዊስ መዋቅሩን ከመዝለል ወይም ክልሎችን በስህተት ከመቁጠር ነው። መጀመሪያ በአቶሙ ላይ ያሉትን σ ቦንዶችና ብቸኛ ጥንዶች ይቁጠሩ፤ ሃይብሪዳይዜሽኑ ከዚያ ቆጠራ ብቻ ይከተላል።

• π ቦንዶችን በስቴሪክ ቁጥሩ ውስጥ መቁጠር። እንደ ክልሎች የሚቆጠሩት σ ቦንዶችና ብቸኛ ጥንዶች ብቻ ናቸው።
• ብቸኛ ጥንዶችን መርሳት፤ ይህም በNH₃ ውስጥ ያለውን ናይትሮጂን ከsp³ ይልቅ sp² እንዲመስል ያደርገዋል።
• ድርብ ቦንድን እንደ ሁለት σ ቦንዶች መቁጠር። እያንዳንዱ ድርብ ቦንድ አንድ σ እና አንድ π ነው።
• በአጽም ወይም በተጨመቀ ቀመር ውስጥ σ ቦንዶችን ሲቆጥሩ ሃይድሮጂኖችን መተው።
• ድርብ ቦንድ ያለው እያንዳንዱ ካርቦን sp² ነው ብሎ መገመት። ሁለት ድርብ ቦንዶች ያሉት የCO₂ ማዕከላዊ ካርቦን ሁለት ክልሎች ስላሉት sp ነው።
• የሬዞናንስ መዋቅር የአቶምን ሃይብሪዳይዜሽን ይለውጣል ብሎ ማመን። ሬዞናንስ π ኤሌክትሮኖችን ያንቀሳቅሳል እንጂ σ ቦንዶችን አይደለም።