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 أيون–ثنائي 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.