الفصل الثاني ( الروابط كربون – كربون )

1. الفصل الثاني ( الروابط كربون – كربون ) الميزة الخاصة لذرة الكربون: تعود الصفة المميزة للمركبات العضوية بوجود الكربون إلى: طبيعة الكربون التي تقود بدورها إلى نموذج جزئي خاص بمركباته, حيث يقع الكربون في منتصف الطريق بين الإشباع التام والتجرد التام عن الإلكترونات حسب السطر الثاني في الجدول الدوري للعناصر: وطبقته السطحية مملوءة حتى نصفها ويشترك معه في هذه الصفة الهيدروجين وكباقي العناصر يسعى الكربون إلى اكتمال طبقته السطحية بثمانية الكترونات عن طريق المشاركة، وتتم المشاركة مع العناصر التي تقع إلى يمينه أو يساره في الجدول الدوري، وهذا سبب تنوع مركباته، ولكي يبلغ الاستقرار يجب أن يرتبط بأربع الكترونات جديدة من عناصر أخرى.

2. الكربون رباعي وجوه:ان التوزيع الالكتروني لذرة الكربون في حالتها الطبيعية يكون على الشكل:ووجود الكترونين عازبين على الطبقة 2P يقودالى الاعتقاد ان الكربون ذو تكافؤ ثنائي كما في CO ولكنه في معظم مركباته رباعي التكافؤ كما في CO2 ، CH4 والسبب في ذلك أن المحطان 2S ,2Pمتقاربان في الطاقة ، وبسبب الطاقة المقدمة من الوسط المحيط ينتقل الكترون من المحط 2S الى المحط 2P ونسمي الذرة في هذه الحالة بذرة الكربون المثارة:ويصبح لها في هذه الحالة اربعة الكترونات فردية عزباء وكان العالم فانت هوف قد وضع فرضياً اولياً ينص على ان <<< للميتان بناء هرمي رباعي متميز حيث تقع نواة ذرة الكربون في مركز الهرم رباعي الوجوه، وتقع ذرات الهيدروجين في رؤوسه الاربعة، فيكون للميتان أربع روابط أحادية متساوية ومتماثلةالبعد فيما بينها في الفراغ،،، والدليل على ذلك :::

3. الــــــــــــــدلـــــــــــــــيـــــــــــل عـــــــــــــــــــلــــــــــــــى ذلــــــــــــــك ::: بانه اذا استعضنا عن احدى ذرات الهيدروجين الاربع المرتبطة بذرة الكربون في الرؤوس الاربعة ، وبذلك تكون روابط الكربون في الميتان أربع روابط احادية متماثلة ومتساوية البعد فيما بينها في الفراغ والدليل: اذا استعضنا عن احدى ذرات الهيدروجين في المتان بذرة كلور فلا نحصل الا على مركب واحد صيغته CH3Cl وهذا متفق مع التجربة. واذا استعضنا عن ذرتي الهيدروجين في المتان بذرتي كلور لا ينتج حسب التجربة إلا مركب واحد صيغته CH2Cl2 وهذا متفق مع التمثيل الرباعي الوجوه لذرة الكربون لوقوع ذرتي الكلور دائما على طرفي حرف رباعي الوجوه كما في الشكل المرفق ، في حين لو كانت ذرة الكربون مستوية لأمكن الحصول – خلافاً للتجربة والواقع – على مركبين من CH2Cl2 ومختلفين في البنية كما في الشكل المرفق ، فذرة الكربون في جزيء الميتان ذات بناء ثلاثي الابعاد.

4. تابع للشريحة السابقة • ولما كان من الصعب تمثيل بناء المجسم على الورق لذلك لجأ في تمثيل الصيغ البنيوية بطريقة الخطوط والاسافين وفيها يدور الخط العادي على رابطة تقع في مستوى الصفحة ، ويدل الخط المتقطع على رابطة تتجه خلف الصفحة ، أما الاسفين فيدل على رابطة تبرز متجهة أمام الصفحة كما في الشكل المرفق:

5. منشأ صفة الارتباط التشاركي في مركبات الكربون • تعود صفة الارتباط التشاركي في اغلب مركبات الكربون الى سببين: • الاول هو الكهرسلبية الوسطى للكربون، (أي مقدرة الذرة على الاحتفاظ بإلكتروناتها السطحية) التي تقع في منتصف الطريق بين الليثيوم والفلور، أي إن الكربون لا يتشارد بسهولة بفقد الإلكترونات أو قبولها. • والسبب الثاني هو القيمة المرتفعة لطاقة تشكل الرابطة c-c انطلاقا من ذرتي كربون ، وهذه القيمة 347.4 كيلوجول/مول أعلى من جميع طاقات تشكل الروابط البسيطة المتجانسة النوى، باستثناء الطاقة الموفقة لتشكل H2 ، فمن السهل والحالة هذه تشكل رابطة تشاركية متجانسة النوى انطلاقا من الكربون اكثر من تشكلها من أي عنصر آخر فيما عدا الهيدروجين كما يمكن ان نلاحظ أن تشكل الرابطة كربون هيدروجين هو كذلك اجراء سهل جدا من الناحية الطاقية، فاتحادات الكربون والهيدروجين هي والحالة هذه ثابتة ثباتا خاصا. • وصفة الارتباط التشاركي المتعلقة بمقدرة الكربون على تشكيل اربع روابط انطلاقاً من كل ذرة هي التي تضمن وجود تسلسلات كربونية ثلاثية البعد. وليس هناك أي عنصر آخر قادر على اعطاء سلاسل جزيئية مماثلة، فالتسلسلات ثلاثية البعد لذرات الكربون المواكبة لذرات اخرى بصورة طبيعية تستطيع إنتاج عدد لامتناه من المركبات، اذ تبلغ السلسلة الكربونية بسهولة ويسر بضعة آلاف من الذرات.

6. تهجينات ذرة الكربون: • 1) التهجين sp3 : • عندما تكون ذرة الكربون المثارة مطلوبة للارتباط باربع ذرات متماثلة كما في الميتان ، فان وضع المحطات الفراغية واتجاهاتها يقودنا الى ان نتوقع تشكل ثلاث روابط متعامدة بتراكب كل محط من المحطات الثلاثة2p في ذرة الكربون المثارة مع محط 2s من ذرة الهيدروجين، وهذا يدل على ان احدى الروابط C-H في الميتان مغايرة للروابط الثلاث الاخرى، وبما ان جميع روابط C-H في جزيء الميتان روابط متماثلة فلا بد من افتراض جديد يؤدي الى تماثل المحطات الذرية في الكربون وينتج منه تماثل في المحطات الجزيئية • وقد بين باولنغ ذلك مفترضاً امتزاج المحطات 2S و 2P (المطلوبة جميعها للإرتباط) ومن ثم توزع الكثافة الالكترونية من جديد وبالتساوي الى اربعة محطات متماثلة في الكثافة الالكترونية وفي المنحى الفراغي بحيث تشكل محاورها الممتدة من مركز ذرة الكربون زوايا متساوية فيما بينها (بقياس 109.5 درجة تقريباً) أي تتجه نحو رؤوس رباعي وجوه منتظم.

7. .

8. . • وبذلك نحصل على الكربون C ذي التهجين SP3 والبنية الهجينة المؤلفة من اربعة محطات هجينة، أي المعمولة من امتزاج محط S بثلاثة محطات P ، ويكون التوزيع الالكتروني كما يلي: • ونظرا لكون هذا التهجين SP3 يقود الى الاستنتاج الهندسي نفسه لذلك يطلق عليه اسم التهجين رباعي الوجوه.

9. . • 2) التهجين SP2 : • لا تفيد المحطات الذرية الهجينة SP3 الا في الارتباط بارع ذرات منفصلة، وإذا ما كان الارتباط مطلوبا لثلاث ذرات فقط فعندئذ تتهجن ثلاث محطات فقط: محط S ومحطان P لتشكيل ثلاثة محطات هجينة SP2. وهذا يترك محطاً P غير مهجن، تدعى هذه الحالة باسم التهجين المثلثي.

10. . • ........ فبامتزاج المحطات الثلاثة وتوزع الكثافة الالكترونية من جديد تنشأ ثلاثة محطات متماثلة في الكثافة تقع محاورها في مستوي واحد ، وتشكل فيما بينها زوايا متساوية تقدر بـ 120 درجة، ويبقى محط غير مهجن من النوع P عمودي على مستوى محاور المحطات SP2 . • وعندما يشار الى كل محط هجين في المجموعة الجديدة بالرمز SP2 فإن ذلك يعني انها معمولة من امتزاج محط S بمحطين P ، ويكون التوزع الالكتروني كما يلي:

11. التهجين SP • تنشأ حالة التهجين SP أو التهجين القطري من اجل الارتباط بذرتين فقط، وفيها يتهجن المحط 2S مع محط P واحد فقط لتشكيل محطين SP متماثلين في الكثافة الالكترونية يقع محوراهما على استقامة واحدة ( زاوية 180 درجة ) ويبقى المحطان الآخران P غير مهجنين. • ويكون التوزع الالكتروني من الشكل:

12. روابط ذرة الكربون • عندما يقترب محطان ذريان(أو فصان محطيان) ليشكلا محطا جزيئيا فعليهما أن يتراكبا ويمتزجا. فالتراكب الاعظمي يعطي الرابطة الاقوى، ولا يتراكب محطان S لذرتي هيدروجين الى مدى كبير، إذ إن تراكباً كبيراً يجعل النواتين قريبتين جداً، أما المحطات P فباستطاعتها أن تتراكب بصورة اكثر نجوعاً بسبب امتدادها الكبير بعيدا عن النواة، وبسبب قابلية توجهها القوية . • **روابط الكربون SP3 أو البارافينية: • تتشكل كل رابطة بتراكب محط ذري SP3 من محطات الكربون المعتبر مع محط ذري لذرة أخرى فيتشكل محط جزيئي مشترك يتزاوج فيه الكترونان يأتي كل منهما من ذرة.

13. . • ....... ويكون تراكب المحطات الذرية في هذا التشكل محوريا (أي يكون له محور ما بين النواتين بمنزلة محور دوران) أي التراكب أعظمياً (وهذا على علاقة باستقرار الرابطة المشتركة). ونحصل عندئذ على سحابة الكترونية لها الشكل التالي: • تلقب هذه الرابطة المشتركة ذات التناظر الاسطواني باسم الرابطة سيغما ويعطي الكربون SP3 في المجموع اربع روابط سيغما مع شركاء أربعة. ويكون لمجموع الروابط الاربع هذه ترتيب تتجه فيه من مركز رباعي وجوه نحو رؤوسه. • ان جميع روابط الكربون في الالكانات هي من النوع سيغما أي أنها روابط SP3-SP2 أو S-SP3.

14. روابط الكربون SP2 أو الروابط الإتيلينية • يتشكل هذا النوع من الروابط من تراكب أحد المحطات SP2 من ذرة كربون مع آخر من ذرة مماثلة وذلك بالتقاء الذرتين على محور مشترك يصل نواتي الذرتين ( الرابطة سيغما). • ويرافق هذا الترابط ترابط آخر ناتج من تراكب جانبي للمحط الذري P غير المهجن والعمودي في منحاه على مستوي المحطات SP2مع نظيره من ذرة الكربون الاخرى، ويكون هذا التراكب أعظميا إذا ما توازى المحوران، وتلقب هذه الرابطة باسم الرابطة كما يتضح من مثال الايتلن التالي:

15. . • تتألف –في مثال الإتلين- من سحابتين تقع احداهما فوق مستوي الجزيء وفوق الرابطة سيغما وتقع الثانية تحت مستوي الجزيء وتحت الرابطة سيغما. • ويمكن اعتماد هذا النوع من الترابط بين ذرتي كربون للرابطة المزدوجة في جزيئات الاكنات عامة، ويرمز لهذه الرابطة المزدوجة في الصيغ البنيوية بخطين( يمثل كل خط ثنائية الكترونية). وتعد هذه الرابطة توضعا لرابطة سيغما (متشكلة من تراكب محطين SP2) ولرابطة بي (متشكلة من تراكب محطين P). كما يمكن تطبيق هذا النوع من الترابط في مختلف الروابط المزدوجة كالروابط: • ونحصل على نتيجة هندسية جوهرية تنص على اشتراك ست ذرات في مستوى واحد:

16. روابط الكربون SP أو الروابط الاستيلنية • يتشكل هذا النوع من الترابط من تراكب أحد المحطين SP1 من ذرة كربون مع محط مماثل من ذرة الكربون الاخرى بالتقاء الذرتين على محور مشترك يصل بين نواتي الذرتين كما في الشكل: • ويرافق هذا الترابط ترابط آخر ناتج من تراكب جانبي للمحطين PوP من الذرة الاولى مع مماثليهما من الذرة الثانية ، وهي المحطات التي لم يشملها التهجين. (التراكب الجانبي للمحطات Px و Pz ) • وتشكل هاتان الرابطتان الواقعتين في مستويين متعامدين سحابة الكترونية توافق أربعة الكترونات تكون على شكل كم عريض ذي تناظر اسطواني كما في الشكل التالي:

17. . • ويمكن اعتماد هذا النوع من الترابط بين ذرتي كربون في الرابطة الثلاثية في جزيئات الالكينات عامة، ويرمز الى هذه الرابطة الثلاثية في الصيغ البنيوية بثلاثة خطوط متوازية (يمثل كل منها ثنائية الكترونية)، وتحصل في هذا النوع من الترابط ميزة هندسية جوهرية تنص على تراصف الذرات الاربع كما في الاستيلين: • جدول يلخص مميزات روابط كربون-كربون:

18. الاهداف التربوية: • . • . • . • . • . • . • . • .

19. . • إعداد : عبد اللطيف بركـــــــة • بإشراف الأستاذ : عمار الزير