Back to chapter

11.3:

القوى بين الجزيئات

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Intermolecular Forces

Languages

Share

القوي البين جزيئية،التي توجد بين الجزيئات،مصدرها التفاعلات الكهروستاتيكية،بين الشحنات،الشحنات الجزئية،والشحنات المؤقتة. جميع الجزيئات تنتج شحنات مؤقتة. نتيجة التفاوت في توزيع الإلكترونات،ارتفاع كثافة الاكترون في أحد مناطق سحابة الإلكترونات،تتنتج ثنائي قطب لحظي،أو ثنائي قطب مؤقت.وهذا يحفّز فيما بعد ثنائي قطب آخر لحظي في الجزيء المجاور. تأثير الدومينو لثنائيات القطب،ينجم عنه قوى تجاذب ضعيفة بين الجزيئات،تسمى قوى التشتت،وهي موجودة بين كافة الجزيئات،سواء كانت قطبية أم غير قطبية. بعض المركبات التساهمية،كالماء على سبيل المثال،تُظهر مناطق كثيرة الإلكترونات وأخرى قليلة الإلكترونات نتيجة فروقات السالبيةالكهربية للذرات.التوزيع الغير متساوي للإلكترونات المشتركة،والشكل الجزيئي للمركب يُنتج شحنات جزئية دائمة،والتي بدورها تُنتج ثنائي قطب دائم في المركب المحايد فتجعله قطبيًا. الجزيئات ذات الثنائية القطبية الدائمة و تسمى أيضًا مركبات قطبية ترتب نفسها ما بين قوى ثنائي القطب-ثنائي القطب،حيث الطرف الموجب للجزيء يتفاعل إلكتروستاتيكياًمع الطرف السالب للجزيء المجاور. إذا احتوى مركب قطبي على ذرة هيدروجين مترابطة تساهميًا مع ذرة صغيرة ذات سالبية كهربية عالية،كذرة الفلور أو الأكسجين،أو النيتروجين،تميل الذرات إلى إظهار شحنات جزئية أكبر.بالتالي،فإن ذرة الهيدروجين،في F-H،أو O-H،أو N-H تتفاعل بقوة مع الذرة الكهروسالبية للذرة المجاورة،عبر نوع خاص من قوى ثنائي القطب-ثنائي القطب،وتعرف بالرابطة الهيدروجينية. ومن الملاحظ،أن الروابط الهيدروجينية أقوى من قوى ثنائي القطب-ثنائي القطب،وأن المركبات القادرة على تشكيل روابط هيدروجينية،تكون فيها نقاط الذوبان ونقاط الغليان أعلى. القوى الثلاث البين جزيئية التشتت،والقوى ثنائي القطب-ثنائي القطب،والروابط الهيدروجينية تعتبر بالمقارنة مع القوى البين جزئية تعتبر قوى ضعيفة نسبيًا،و تتفاوت في مدى شدتها.وتصنّف جميعًا كقوى فان دير فالس. بينما تتواجد قوى التشتت بين كافة الجزيئات،الروابط بين جزيئين قطبيين سواء كانت قطبية أم غير قطبية،والروابط الهيدروجينية توجد في الجزيئات القطبية فقط. أما قوة الترابط،بين أيون وبين جزيء قطبي،فتنحصر في المحاليل،وهي االقوة البين جزئية الأشد.عندما يُحل مركب أيوني مثل كلوريد الصوديوم،في مذيب قطبي كالماء،فإن الأيونات المتفككة تتفاعل مع ثنائيات القطب الموجودة في المذيب بواسطة قوى ترابط أيون وجزيء قطبي. وهنا تتصل الأيونات الموجبة مع الأطراف السالبة لجزيئات الماء،بينما تتفاعل الأيونات السالبة مع الأطراف الموجبة.

11.3:

القوى بين الجزيئات

تتفاعل الذرات والجزيئات من خلال الروابط (أو القوى): داخل الجزيء وبين الجزيئات. تكون القوى كهروستاتيكية لأنها تنشأ من التفاعلات (جاذبة أو تنافرية) بين الأنواع المشحونة (الشحنات الدائمة أو الجزئية أو المؤقتة) وتوجد بقوى متفاوتة بين الأيونات والجزيئات القطبية وغير القطبية والمحايدة. الأنواع المختلفة للقوى بين الجزيئات هي أيون&# 8211؛ثنائي القطب، ثنائي القطب&# 8211؛روابط هيدروجينية، والتشتت؛ من بينها، ثنائي القطب&#8211؛روابط ثنائية القطب، روابط هيدروجينية، وقوى تشتت موجودة بين الذرات والجزيئات المحايدة وتُعرف مجتمعة باسم قوى فان دير فال.

قوى ثنائية القطب

للجزيئات القطبية شحنة موجبة جزئية في أحد طرفيها وشحنة سالبة جزئية على الطرف الآخر للجزيء— وهو فصل شحنة يسمى ثنائي القطب. في جزيء قطبي مثل HCl، تحمل ذرة Cl الأكثر كهرسلبية الشحنة السالبة الجزئية، بينما تحمل ذرة H الأقل كهرسلبية الشحنة الموجبة الجزئية. تنتج قوة الجذب بين جزيئات حمض الهيدروكلوريك من التجاذب بين الطرف الموجب لجزيء حمض الهيدروكلوريك والنهاية السالبة لجزيء آخر. تسمى هذه القوة الجاذبة ثنائي القطب&#8211؛ثنائي القطب؛ القوة الكهروستاتيكية بين الطرف الموجب جزئياً لجزيء قطبي واحد والنهاية السالبة جزئياً لجزيء آخر.

قوى التشتت

توجد إحدى قوى فان دير فال الثلاث في جميع المراحل المكثفة، بغض النظر عن طبيعة الذرات أو الجزيئات المكونة للمادة. تسمى هذه القوة الجذابة بقوة تشتت لندن تكريماً للفيزيائي الألماني الأصل فريتز لندن الذي شرحها لأول مرة في عام 1928. غالباً ما يشار إلى هذه القوة على أنها مجرد قوة التشتت. نظراً لأن إلكترونات الذرة أو الجزيء في حركة ثابتة (أو، بدلاً من ذلك، يخضع موقعها لتقلب ميكانيكي الكم)، في أي لحظة من الوقت، يمكن للذرة أو الجزيء تطوير ثنائي القطب مؤقتاً ولحظياً إذا تم توزيع إلكتروناتها بشكل غير متماثل. يمكن أن يؤدي وجود قوة ثنائي القطب، بدورها، إلى تشويه إلكترونات ذرة أو جزيء مجاور، مما ينتج عنها ثنائي لقطب مستحثّ. يؤدي هذان النوعان من ثنائيات الأقطاب المؤقتة والسريعة التقلب إلى تجاذب إلكتروستاتيكي ضعيف نسبياً بين النوعين “ما يسمى بقوة التشتت”.

يمكن لقوى التشتت التي تنشأ بين الذرات في جزيئات مختلفة أن تجذب الجزيئين لبعضهما البعض. ومع ذلك، فإن القوى ضعيفة نسبياً، وتصبح مهمة فقط عندما تكون الجزيئات قريبة جداً. تُظهر الذرات والجزيئات الأكبر والأثقل قوى تشتت أقوى من الذرات والجزيئات الأصغر والأخف وزنًا. F2 و Cl2 هي غازات في درجة حرارة الغرفة (تعكس قوى جذب أضعف)؛ Br2 سائل، و I2 صلب (يعكس قوى جاذبة أقوى).

ارتباط الهيدروجين

فلوريد النيتروسيل (ONF ، الكتلة الجزيئية 49 amu) عبارة عن غاز في درجة حرارة الغرفة، بينما الماء (H2O، الكتلة الجزيئية 18 amu) عبارة عن سائل، على الرغم من احتوائه على جزيئات أقل كتلة. كلا الجزيئين لهما نفس الشكل تقريباً، و ONF هو الجزيء الأثقل والأكبر. لذلك، من المتوقع أن يواجه قوى تشتت أكبر. بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن أن يكون هذا الاختلاف في نقاط الغليان نتيجة للاختلافات في أعزام ثنائي القطب للجزيئات. كلا الجزيئين قطبيان ويظهران لحظات ثنائية القطب قابلة للمقارنة. يرجع الاختلاف الكبير بين نقاط الغليان إلى تجاذب ثنائي القطب قوي بشكل خاص &# 8211؛ والذي قد يحدث عندما يحتوي الجزيء على ذرة هيدروجين مرتبطة بذرة فلور أو أكسجين أو نيتروجين (الثلاثة معظم العناصر الكهربية). الاختلاف الكبير جداً في الكهربية بين ذرة H (2.1) والذرة التي ترتبط بها (4.0 لذرة F , 3.5 لذرة O, أو 3.0 لذرة N atom)، جنباً إلى جنب مع الحجم الصغير جداً لذرة تؤدي ذرة H والأحجام الصغيرة نسبياً لذرات F أو O أو N إلى شحنات جزئية شديدة التركيز مع هذه الذرات. تنجذب الجزيئات التي تحتوي على أجزاء F-H أو O-H أو N-H بشدة إلى أجزاء مماثلة في الجزيئات القريبة، وهو نوع قوي بشكل خاص من جذب ثنائي القطب &#8211؛ ثنائي القطب يسمى الترابط الهيدروجين. تتضمن أمثلة الروابط الهيدروجينية HF⋯HF, H2O⋯HOH, و H3N⋯HNH2، حيث يتم الإشارة إلى الروابط الهيدروجينية بالنقاط.

&#160؛القوى الأيونية ثنائية القطب

قوة الأيون &#8211؛ثنائية القطب هي قوة التجاذب الكهروستاتيكي بين أيون وثنائي القطب. هذه القوى شائعة في الحلول وتلعب دوراً مهماً في إذابة المركبات الأيونية في الماء.

عند إضافة مركب أيوني مثل KCl إلى مذيب قطبي مثل الماء، تنفصل الأيونات الموجودة في المادة الصلبة وتتشتت بشكل موحد. أيون&#8211؛ تجذب قوى ثنائي القطب الطرف الموجب (الهيدروجين) لجزيئات الماء القطبية إلى أيونات الكلوريد السالبة على سطح المادة الصلبة، وتجذب الأطراف السالبة (الأكسجين) إلى الموجب أيونات البوتاسيوم. تحيط جزيئات الماء بأيونات K+ and Cl، مما يقلل من القوى البينية القوية التي تربط الأيونات معاً (في مادة صلبة) وتتركها تتحرك إلى داخل محلول مثل الأيونات المذابة. يسمح التغلب على التجاذب الكهروستاتيكي بالحركة المستقلة لكل أيون مائي في محلول مخفف حيث تنتقل الأيونات من المواضع الثابتة في المركب غير المذاب إلى الأيونات المذابة والمشتتة على نطاق واسع في المحلول.

تتناسب قوة تفاعلات أيونثنائي القطب تفاعلات طرديًا مع 1) الشحنة الموجودة على الأيونات و 2) حجم ثنائي القطب للجزيئات القطبية.

تم اقتباس هذا النص من Openstax, Chemistry 2e, Chapter 10: Liquids and Solids.