تراكيب الشبكات الأيونية: شرح كيمياء HSC
تعرّف على كيفية ترتيب الشبكات الأيونية العملاقة، وكيف تفسر القوى الكهروستاتيكية درجات الانصهار والتوصيل والهشاشة والذوبانية.
أسقط بلورة من كلوريد الصوديوم في الماء، وقد تبدو كأنها اختفت. سخّن بلورة أخرى بقوة، وستجد أنها لا تنصهر إلا عند درجة حرارة مرتفعة جدًا. اضرب بلورة بقوة كافية، فقد تتحطم. تبدو هذه السلوكيات الثلاثة غير مترابطة، إلى أن تتخيل ما يحدث للأيونات داخل المادة الصلبة.
قبل أن تتابع القراءة، ضع توقّعًا. في كلوريد الصوديوم الصلب، هل تكون أيونات \(\mathrm{Na}^{+}\) و\(\mathrm{Cl}^{-}\) مرتبة في أزواج صغيرة منفصلة من \(\ce{NaCl}\)، أم في بنية متكررة هائلة واحدة؟
الإجابة هي الثانية. المادة الصلبة الأيونية هي شبكة أيونية عملاقة، وتُسمى أيضًا شبكة بلورية أيونية. وفهم هذه الشبكة يفسر معظم الخواص الفيزيائية للمركبات الأيونية.
01ابدأ بالترتيب، لا بالصيغة
قد تكون الصيغة \(\ce{NaCl}\) مضللة.
فهي لا تعني أن كلوريد الصوديوم الصلب يتكون من جزيئات منفردة من \(\ce{NaCl}\). بل تخبرنا بأبسط نسبة عددية صحيحة بين الأيونات: أيون \(\mathrm{Na}^{+}\) واحد مقابل كل أيون \(\mathrm{Cl}^{-}\) واحد.
داخل البلورة، تُرتب أعداد هائلة من الأيونات الموجبة والسالبة في نمط ثلاثي الأبعاد متكرر.
ومن النماذج الأولية المفيدة أن تتخيل غرفة مليئة بأشخاص يفضّل كل منهم بشدة الوقوف بجوار شخص يرتدي قميص فريقٍ مختلف عن فريقه. توضع الأيونات الموجبة بالقرب من الأيونات السالبة، وتوضع الأيونات السالبة بالقرب من الأيونات الموجبة.
لكن لهذا التشبيه حدود. يستطيع الأشخاص اختيار المكان الذي يقفون فيه، أما الأيونات فلا تستطيع ذلك. وينشأ ترتيبها من القوى الكهروستاتيكية ومن البنية الأقل طاقة المتاحة للمادة الصلبة.
لماذا يتكرر هذا الترتيب؟
تتجاذب الشحنات المتعاكسة:
\[ \ce{cation+ <-> anion-} \]
وتتنافر الشحنات المتشابهة:
\[ \ce{cation+ <-> cation+} \]
و
\[ \ce{anion- <-> anion-} \]
لذلك يميل الترتيب البلوري المستقر إلى وضع كل أيون بالقرب من أيونات ذات شحنة معاكسة، مع إبقاء الأيونات ذات الشحنات المتشابهة بعيدة عن بعضها بالقدر الممكن.
في كلوريد الصوديوم، لكل أيون \(\mathrm{Na}^{+}\) ستة أيونات \(\mathrm{Cl}^{-}\) هي الأقرب إليه، ولكل أيون \(\mathrm{Cl}^{-}\) ستة أيونات \(\mathrm{Na}^{+}\) هي الأقرب إليه.
لا تحوّل هذا الترتيب المحدد إلى قاعدة تنطبق على كل مركب أيوني. فقد تكوّن الأيونات المختلفة تراكيب شبكية مختلفة، وقد تكون لها أعداد تناسق مختلفة. أما الفكرة العامة المهمة فهي واحدة: تكوّن المواد الصلبة الأيونية ترتيبات ثلاثية الأبعاد ممتدة تمسكها معًا قوى التجاذب الكهروستاتيكي.
02ما الذي يمسك الشبكة معًا فعليًا؟
الرابطة الأيونية هي قوة التجاذب الكهروستاتيكي بين الأيونات ذات الشحنات المتعاكسة.
في الشبكة الأيونية، لا يكون الأيون مرتبطًا بشريك واحد فقط. فكل أيون يتعرض لقوى جذب نحو الأيونات المحيطة ذات الشحنة المعاكسة في أنحاء الشبكة، إضافة إلى قوى تنافر من الأيونات التي تحمل الشحنة نفسها.
ولهذا فإن وصف كلوريد الصوديوم بأنه مجموعة من روابط \(\ce{Na+-Cl-}\) المنفصلة يغفل الجزء الأهم. فالقوى تؤثر عبر البنية بأكملها.
هناك عاملان مفيدان بشكل خاص عند مقارنة قوى التجاذب الكهروستاتيكي:
- شحنات الأيونات
- المسافة بين الأيونات
تؤدي الشحنات الأيونية الأكبر عمومًا إلى قوى جذب أقوى. كما أن قِصر المسافة بين الشحنات المتعاكسة يؤدي عمومًا إلى قوى جذب أقوى.
يعطي قانون كولوم العلاقة الأساسية بين جسيمين مشحونين:
\[ F = k\frac{|q_1q_2|}{r^2} \]
حيث \(F\) هو مقدار القوة الكهروستاتيكية، و\(k\) ثابت، و\(q_1\) و\(q_2\) هما الشحنتان، و\(r\) هي المسافة بين الجسيمين.
عادةً لا تستخدم هذه المعادلة لحساب درجة انصهار مادة أيونية. فالشبكة الحقيقية تحتوي على أعداد هائلة من الأيونات المتفاعلة، وليست زوجًا واحدًا معزولًا. ومع ذلك، تظل العلاقة مفيدة للاستدلال: فحاصل ضرب الشحنات الأكبر والمسافات الأقصر بين الأيونات يميلان إلى أن يعنيَا قوى تجاذب كهروستاتيكي أقوى.
03لماذا تكون للمواد الصلبة الأيونية عادةً درجات انصهار مرتفعة؟
تخيل أنك تحاول صهر كلوريد الصوديوم.
الانصهار لا يعني تدمير الأيونات نفسها. تظل أيونات \(\mathrm{Na}^{+}\) و\(\mathrm{Cl}^{-}\) أيونات. الذي يتغير هو ترتيبها.
في الحالة الصلبة، تشغل الأيونات مواضع ثابتة في شبكة منتظمة. أما في الحالة السائلة، فيمكن للأيونات أن تتحرك حول بعضها.
ولكي يحدث ذلك، يجب تزويد المادة بطاقة كافية للتغلب على جزء كبير من التجاذب الكهروستاتيكي الذي يمسك الشبكة معًا.
يتطلب ذلك قدرًا كبيرًا من الطاقة، ولذلك تكون للمواد الأيونية عادةً درجات انصهار وغليان مرتفعة.
والتفسير المغري هو:
للمركبات الأيونية درجات انصهار مرتفعة لأن الروابط الأيونية قوية.
هذا التفسير يسير في الاتجاه الصحيح، لكنه غير مكتمل. فالخاصية المهمة هي الشبكة العملاقة ثلاثية الأبعاد من قوى التجاذب الكهروستاتيكي القوية. لا توجد رابطة واحدة فقط يجب كسرها؛ بل تحتوي الشبكة المنتظمة على قوى جذب في اتجاهات عديدة.
مثال محلول: أي شبكة يُتوقع أن تكون فيها قوى التجاذب أقوى؟
قارن بين كلوريد الصوديوم، \(\ce{NaCl}\)، الذي يحتوي على \(\mathrm{Na}^{+}\) و\(\mathrm{Cl}^{-}\)، وأكسيد المغنيسيوم، \(\ce{MgO}\)، الذي يحتوي على \(\mathrm{Mg}^{2+}\) و\(\mathrm{O}^{2-}\). توقّع أيهما يمتلك قوى تجاذب كهروستاتيكي أقوى بصورة عامة.
الخطوة 1
بالنسبة إلى \(\ce{NaCl}\)، يتناسب مقدار حاصل ضرب الشحنتين مع:
\[ |( +1)(-1)| = 1 \]
وبالنسبة إلى \(\ce{MgO}\):
\[ |( +2)(-2)| = 4 \]
الخطوة 2
إذا كانت المسافة بين الأيونات متساوية، فإن التجاذب الكهروستاتيكي بين \(\mathrm{Mg}^{2+}\) و\(\mathrm{O}^{2-}\) سيكون أقوى من التجاذب بين \(\mathrm{Na}^{+}\) و\(\mathrm{Cl}^{-}\).
الخطوة 3
تختلف الشبكات الحقيقية أيضًا في حجم الأيونات، والمسافة بينها، والبنية البلورية. لذلك فإن مقارنة الشحنات وحدها لا تعطينا قوة دقيقة أو درجة انصهار دقيقة.
الخطوة 4
يمتلك \(\ce{MgO}\) قوى تجاذب شبكية أقوى بكثير، ولذلك يتطلب تفكيك بنيته طاقة أكبر من \(\ce{NaCl}\).
ويساعد ذلك في تفسير كون درجة انصهار أكسيد المغنيسيوم أعلى بكثير من درجة انصهار كلوريد الصوديوم.
04لماذا لا يوصل المركب الأيوني الصلب الكهرباء؟
يتطلب التيار الكهربائي وجود جسيمات مشحونة قادرة على الحركة.
وتحتوي المادة الأيونية الصلبة بالتأكيد على جسيمات مشحونة. لكن المشكلة هي أنها لا تستطيع الحركة بحرية.
فكل أيون مثبت في موضع داخل الشبكة. تستطيع الأيونات الاهتزاز، لكنها لا تستطيع الانتقال عبر المادة الصلبة وحمل الشحنة من مكان إلى آخر.
لذلك فإن المركب الأيوني النموذجي:
- لا يوصل الكهرباء في الحالة الصلبة
- يوصل الكهرباء عندما يكون منصهرًا
ما الذي يتغير أثناء الانصهار؟ ليس وجود الأيونات، فهي كانت موجودة أصلًا.
الذي يتغير هو قدرتها على الحركة.
عندما تنصهر الشبكة، يمكن للأيونات الموجبة والسالبة التحرك عبر السائل. ولذلك يمكن للمجال الكهربائي المطبق أن ينتج تدفقًا للشحنة.
وهذه قاعدة مهمة لاتخاذ القرار في HSC:
وجود جسيمات مشحونة وحده لا يكفي. يجب أن تكون الجسيمات المشحونة قادرة أيضًا على الحركة.
ماذا عن مركب أيوني مذاب في الماء؟
إذا ذابت مادة أيونية، تنفصل أيوناتها وتصبح محاطة بجزيئات الماء. ويمكن لهذه الأيونات المذابة التحرك عبر المحلول، ولذلك يستطيع المحلول توصيل الكهرباء.
على سبيل المثال:
\[ \ce{NaCl(s) -> Na+(aq) + Cl-(aq)} \]
رموز الحالة مهمة.
- \(\ce{NaCl(s)}\): الأيونات موجودة، لكنها مثبتة في الشبكة.
- \(\ce{Na+(aq)}\) و\(\ce{Cl-(aq)}\): الأيونات منفصلة وقادرة على الحركة في المحلول.
لا تحفظ عبارة «المركبات الأيونية توصل الكهرباء». فهذه العبارة عامة أكثر من اللازم. تعتمد قدرتها على التوصيل على حالتها.
05لماذا تكون البلورات الأيونية هشة؟
هناك خاصية تبدو أكثر غرابة. يمكن للمواد الصلبة الأيونية أن تكون صلبة، ومع ذلك تكون هشة.
هاتان الصفتان ليستا متضادتين.
الصلادة تعني أن المادة تقاوم الخدش أو الانبعاج أو التشوه.
الهشاشة تعني أن المادة تميل إلى التصدع بدلًا من أن تتشوه بدرجة كبيرة.
ولفهم سبب هشاشة البلورة الأيونية، تخيل دفع طبقة من الأيونات جانبًا.
في البداية، يكون كل أيون موجب قريبًا من أيونات سالبة. لكن إذا تحركت الطبقة مسافة كافية، فقد تصطف الأيونات الموجبة مع أيونات موجبة، بينما تصطف الأيونات السالبة مع أيونات سالبة.
عندئذ تظهر قوى تنافر قوية.
ويمكن للبلورة تقليل هذا التفاعل غير الملائم عن طريق الانقسام على طول مستوى معين. والنتيجة هي حدوث كسر.
إذن لا تكون البلورات الأيونية هشة لأن قوى التجاذب الأيونية ضعيفة. بل يكاد العكس أن يكون صحيحًا. فترتيب الشحنات المنظم فيها يعني أن إزاحة الطبقات يمكن أن تُنشئ فجأة قوى تنافر شديدة.
مثال محلول: لماذا تتشقق البلورة بدلًا من أن تبقى منحنية؟
تُضرب بلورة لمركب أيوني، فتتحرك طبقة من الأيونات بحيث تصبح عدة أيونات موجبة مجاورة لأيونات موجبة. فسّر لماذا يُرجح أن تتصدع البلورة.
الخطوة 1
يضع الترتيب الأصلي الأيونات ذات الشحنات المتعاكسة بالقرب من بعضها، مما ينتج قوى تجاذب كهروستاتيكي.
الخطوة 2
يؤدي الاصطدام إلى تحريك جزء من الشبكة بالنسبة إلى جزء آخر.
الخطوة 3
بعد إزاحة كافية، يمكن أن تصبح الأيونات ذات الشحنة نفسها مصطفّة بالقرب من بعضها. والشحنات المتشابهة تتنافر.
الخطوة 4
يدفع التنافر القوي الأجزاء المتجاورة من الشبكة بعيدًا عن بعضها.
لذلك تتصدع البلورة بدلًا من أن تسمح للطبقات بالانزلاق بسلاسة متجاوزةً بعضها. وهذا هو السبب المجهري في كون المواد الصلبة الأيونية هشة عادةً.
06لماذا يستطيع الماء تفكيك بعض الشبكات الأيونية؟
تقول إحدى العبارات المختصرة الشائعة: «المركبات الأيونية تذوب في الماء».
وهذه ليست قاعدة موثوقة. فبعض المركبات الأيونية عالي الذوبان، وبعضها قليل الذوبان فقط، وبعضها يُعد غير قابل للذوبان عمليًا في الظروف العادية.
والسؤال المفيد هو:
هل تستطيع التفاعلات التي تتكون بين الأيونات والماء أن تعوض بدرجة كافية عن تفكيك الشبكة الأيونية؟
جزيئات الماء قطبية. يحمل طرف الأكسجين شحنة سالبة جزئية، بينما تحمل أطراف الهيدروجين شحنات موجبة جزئية.
حول الكاتيون، تميل جزيئات الماء إلى التوجه بحيث تكون أطراف الأكسجين في اتجاه الأيون الموجب. وحول الأنيون، تميل أطراف الهيدروجين إلى التوجه نحو الأيون السالب.
تساعد قوى التجاذب بين الأيون وثنائي القطب هذه على تثبيت الأيونات المنفصلة في الماء.
وبالنسبة إلى كلوريد الصوديوم، يمكننا تمثيل العملية الكلية كما يلي:
\[ \ce{NaCl(s) -> Na+(aq) + Cl-(aq)} \]
لكن لا تتخيل الماء وكأنه ببساطة «يقص الروابط الأيونية».
يتضمن الذوبان منافسة بين التفاعلات. يجب تفكيك الشبكة، وفي الوقت نفسه تتكون تفاعلات جديدة بين الأيونات والماء. وتعتمد ملاءمة عملية الذوبان على التوازن بين هذه التأثيرات، إلى جانب الزيادة في تشتت الجسيمات.
وعلى مستوى HSC، تتمثل النقطة المهمة في أن قوة الترابط الأيوني لا تعني تلقائيًا أن المادة الأيونية غير قابلة للذوبان.
07بنية واحدة تفسر عدة خواص
يصبح تذكر الخواص أسهل عندما تتوقف عن التعامل معها كحقائق منفصلة.
| الخاصية | ما الذي يحدث على مستوى الجسيمات؟ |
|---|---|
| درجة انصهار مرتفعة | يلزم قدر كبير من الطاقة لتعطيل قوى التجاذب الكهروستاتيكي الممتدة في الشبكة. |
| المادة الصلبة لا توصل الكهرباء | الأيونات المشحونة موجودة، لكنها مثبتة في مواضعها. |
| المادة المنصهرة توصل الكهرباء | تكون الأيونات حرة في الحركة عبر السائل وحمل الشحنة. |
| قد يوصل المحلول المائي الكهرباء | إذا ذاب المركب، تستطيع الأيونات المنفصلة التحرك عبر المحلول. |
| صلبة | تقاوم قوى التجاذب الكهروستاتيكي القوية إزاحة الأيونات. |
| هشة | قد تؤدي إزاحة الشبكة إلى اصطفاف الشحنات المتشابهة، مما يسبب تنافرًا قويًا وحدوث كسر. |
| ذوبانية متغيرة في الماء | يعتمد الذوبان على المنافسة بين تفاعلات الشبكة وتثبيت الماء للأيونات. |
ويظل النموذج المجهري نفسه يفسر كل ذلك: جسيمات مشحونة مرتبة في شبكة ممتدة، مع وجود قوى كهروستاتيكية قوية بينها.
08أكثر المفاهيم الخاطئة إغراءً
«تحتوي المادة الأيونية الصلبة على جزيئات»
في العادة، لا.
فصيغة مثل \(\ce{CaCl2}\) تصف نسبة الأيونات في الشبكة العملاقة: أيون \(\mathrm{Ca}^{2+}\) واحد مقابل كل أيونين من \(\mathrm{Cl}^{-}\).
وصف وحدة واحدة من \(\ce{CaCl2}\) بأنها جزيء يوحي بأنها جسيم منفصل ومستقل، وهو ما لا يوجد في البلورة الأيونية.
ويُعد مصطلح وحدة الصيغة أكثر ملاءمة.
«لا تتكون الأيونات إلا بعد انصهار المادة الصلبة»
لا. الأيونات موجودة بالفعل في الحالة الصلبة.
الانصهار يغيّر حريتها في الحركة، وليس شحنتها.
«لا تستطيع المواد الصلبة الأيونية التوصيل لأن جسيماتها متعادلة»
لا. جسيماتها أيونات، ولذلك فهي مشحونة.
المشكلة هي القدرة على الحركة. فالأيونات مثبتة في مواضع محددة داخل الشبكة.
«إذا كان للمركب الأيوني قوى تجاذب قوية، فلا بد أن يكون غير قابل للذوبان»
ليس بالضرورة.
يتطلب الذوبان تفكيك الشبكة، لكنه يؤدي أيضًا إلى تكوين تفاعلات جديدة بين الأيونات والمذيب. وتعتمد الذوبانية على التوازن بين هذه التأثيرات، وليس على تجاذب الشبكة وحده.
«الشحنة الأيونية الأعلى تضمن دائمًا درجة انصهار أعلى»
تؤدي الشحنات الأعلى غالبًا إلى تقوية التجاذب الكهروستاتيكي، لكن هذا ليس سوى جزء من المقارنة.
فحجم الأيونات، والمسافة بين الشحنات، والبنية الفعلية للشبكة عوامل مهمة أيضًا. لذلك فإن الشحنة مؤشر قوي، وليست أداة كاملة لحساب درجة الانصهار.
09أسئلة وحلول
السؤال 1
عينة من بروميد البوتاسيوم، \(\ce{KBr}\)، لا توصل الكهرباء وهي صلبة، لكنها توصلها بعد الانصهار. فسّر كلتا الملاحظتين باستخدام بنيتها.
الحل 1
لا يوصل \(\ce{KBr}\) الصلب الكهرباء لأن أيوناته مثبتة في الشبكة الأيونية، بينما يوصل \(\ce{KBr}\) المنصهر الكهرباء لأن هذه الأيونات تصبح قادرة على الحركة.
يحتوي بروميد البوتاسيوم على أيونات \(\mathrm{K}^{+}\) و\(\mathrm{Br}^{-}\) في كلتا الحالتين.
في الحالة الصلبة، تمسك قوى التجاذب الكهروستاتيكي القوية الأيونات في مواضع ثابتة. ويمكنها الاهتزاز، لكنها لا تستطيع الانتقال عبر المادة، ولذلك لا توجد ناقلات شحنة متحركة.
عندما تنصهر المادة الصلبة، تتعطل الشبكة المنتظمة. وعندها تستطيع أيونات \(\mathrm{K}^{+}\) و\(\mathrm{Br}^{-}\) التحرك عبر السائل وحمل الشحنة الكهربائية.
والفخ هنا هو القول إن الانصهار «يُنشئ الأيونات». فهو لا يفعل ذلك. وإنما يجعل الأيونات الموجودة بالفعل قادرة على الحركة.
السؤال 2
تحتوي مادتان صلبتان أيونيتان على أيونات بالشحنات الآتية:
- المادة A: \(\mathrm{X}^{+}\) و\(\mathrm{Y}^{-}\)
- المادة B: \(\mathrm{M}^{2+}\) و\(\mathrm{N}^{2-}\)
افترض، كنموذج مبسط، أن المسافات بين الأيونات المتجاورة ذات الشحنات المتعاكسة متساوية. أي المادتين سيكون لها تجاذب كهروستاتيكي أقوى بين كاتيون وأنيون متجاورين؟ فسّر السبب، واذكر أحد حدود هذه المقارنة.
الحل 2
سيكون للمادة B تجاذب أقوى في هذه المقارنة المبسطة لأن الأيونات المتجاورة فيها لها حاصل ضرب شحنات أكبر.
بالنسبة إلى المادة A، مقدار حاصل ضرب الشحنتين هو:
\[ |( +1)(-1)| = 1 \]
وبالنسبة إلى المادة B:
\[ |( +2)(-2)| = 4 \]
يعطي قانون كولوم:
\[ F = k\frac{|q_1q_2|}{r^2} \]
حيث \(F\) هي القوة الكهروستاتيكية، و\(k\) ثابت، و\(q_1\) و\(q_2\) هما الشحنتان الأيونيتان، و\(r\) هي المسافة بينهما.
وبما أن السؤال ينص على أن \(r\) متساوية، فإن حاصل ضرب الشحنات الأكبر في المادة B يؤدي إلى تجاذب أقوى بين الأيونات المتجاورة.
ويتمثل أحد حدود هذا النموذج في أن المواد الصلبة الأيونية الحقيقية لا تكون بالضرورة لها المسافات نفسها بين الأيونات أو تراكيب شبكية متطابقة. لذلك تتنبأ هذه المقارنة باتجاه قوة التجاذب، لكنها لا تستطيع وحدها تحديد درجة انصهار دقيقة أو قوة شبكية دقيقة.
السؤال 3
يقول طالب:
«البلورة الأيونية هشة لأن روابطها الأيونية ضعيفة وتنكسر بسهولة.»
فسّر الخطأ في هذه العبارة. يجب أن تصف إجابتك ما يحدث للأيونات عند تطبيق قوة جانبية.
الحل 3
العبارة غير صحيحة لأن البلورات الأيونية قد تتصدع رغم أن قوى التجاذب الكهروستاتيكي داخل الشبكة قوية. وتنشأ الهشاشة من ترتيب الشحنات، لا من ضعف الترابط.
في البداية، تكون الشبكة مرتبة بحيث تكون الأيونات ذات الشحنات المتعاكسة قريبة من بعضها.
عندما تؤدي قوة جانبية إلى إزاحة جزء من الشبكة، يمكن أن تتحرك طبقات من الأيونات. وإذا أدت الإزاحة إلى وضع الأيونات الموجبة بجوار أيونات موجبة، والأيونات السالبة بجوار أيونات سالبة، تحدث قوى تنافر كهروستاتيكي قوية.
ويمكن لهذه القوى التنافرية أن تدفع أجزاء البلورة بعيدًا عن بعضها، فتُحدث كسرًا.
وينشأ المفهوم الخاطئ من افتراض أن «ينكسر بسهولة» لا بد أن يعني «قوى ضعيفة». لكن الهشاشة تصف بدلًا من ذلك كيفية استجابة المادة للتشوه. فقد تظل البنية ذات الترابط القوي هشة إذا أدت إزاحة صغيرة إلى تكوين ترتيب غير مستقر.
السؤال 4
لأحد المركبات الأيونية الصلبة درجة انصهار مرتفعة، لكنه يذوب بسهولة في الماء. ويزعم طالب أن هاتين الملاحظتين تتناقضان لأن «الشبكة القوية يجب أن يكون من المستحيل على الماء فصلها».
فسّر لماذا يمكن أن تكون الملاحظتان صحيحتين معًا.
الحل 4
لا يوجد تناقض لأن الانصهار والذوبان عمليتان مختلفتان، ولأن الذوبان يؤدي إلى تكوين تفاعلات جديدة يمكنها تثبيت الأيونات المنفصلة.
تشير درجة الانصهار المرتفعة إلى أن تعطيل الشبكة الأيونية المنتظمة بدرجة كافية للسماح للأيونات بالحركة بحرية في صورة سائل يتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة.
وأثناء الذوبان في الماء، يجب أيضًا تفكيك الشبكة. لكن الماء قطبي، ولذلك تتكون قوى تجاذب جديدة بين الأيون وثنائي القطب، بين جزيئات الماء والأيونات المنفصلة.
تُثبَّت الكاتيونات بواسطة مناطق الأكسجين ذات الشحنة السالبة الجزئية في جزيئات الماء، بينما تُثبَّت الأنيونات بواسطة مناطق الهيدروجين ذات الشحنة الموجبة الجزئية.
وتعتمد قابلية المركب الأيوني للذوبان على التوازن الكلي بين تفكيك الشبكة، وتكوين التفاعلات بين الأيونات والماء، والتأثيرات المرتبطة بتشتت الجسيمات.
والافتراض الخفي في حجة الطالب هو أن الذوبان لا يتطلب سوى كسر قوى التجاذب. لكنه يؤدي أيضًا إلى تكوين تفاعلات جديدة.
السؤال 5
يقارن طالب بين مركبين أيونيين افتراضيين. يحتوي المركب P على \(\mathrm{A}^{+}\) و\(\mathrm{B}^{-}\). ويحتوي المركب Q على \(\mathrm{C}^{2+}\) و\(\mathrm{D}^{2-}\).
ويستنتج:
«لقد تضاعفت كل شحنة، لذلك لا بد أن يكون التجاذب في Q أقوى بمرتين تمامًا، وبالتالي لا بد أن تكون درجة انصهاره أعلى بمرتين تمامًا.»
حدّد مشكلتين في هذا الاستدلال.
الحل 5
يفشل هذا الاستدلال لأن مضاعفة كلتا الشحنتين الأيونيتين لا تؤدي إلى مجرد مضاعفة حاصل ضرب الشحنتين، ولأن القوة الكهروستاتيكية وحدها لا تحدد درجة الانصهار بعلاقة تناسب بسيطة.
أولًا، انظر إلى حاصل ضرب الشحنات.
بالنسبة إلى المركب P:
\[ |( +1)(-1)| = 1 \]
وبالنسبة إلى المركب Q:
\[ |( +2)(-2)| = 4 \]
إذا كانت المسافة بين الأيونات متطابقة، فإن قانون كولوم يتنبأ بأن التجاذب الكهروستاتيكي بين زوج من الأيونات والمرتبط بحاصل ضرب الشحنتين سيكون أكبر بأربع مرات، لا بمرتين:
\[ F \propto |q_1q_2| \]
إذن فالخطأ الأول رياضي: لقد تغيرت كلتا الشحنتين، ولذلك تتضاعف تأثيراتهما بالضرب.
ثانيًا، افترض الطالب أن كل العوامل الأخرى لم تتغير، وأن درجة الانصهار تتناسب مباشرة مع قوة واحدة بين زوج من الأيونات. وقد تختلف الشبكات الأيونية الحقيقية في حجم الأيونات، والمسافة بين الأيونات، والتناسق، وترتيب الشبكة. كما أن الانصهار يتضمن سلوك المادة الصلبة كلها، وليس زوجًا منفردًا ومعزولًا من كاتيون وأنيون.
لذلك تُعد الشحنة الأيونية الأكبر دليلًا على وجود تفاعلات كهروستاتيكية أقوى، لكنها لا تبرر توقعًا عدديًا دقيقًا لدرجة الانصهار.
10ما الذي يتيح لك هذا النموذج فعله بعد ذلك؟
عندما تتمكن بثقة من الربط بين بنية الشبكة والقوى الكهروستاتيكية والخواص العيانية، تصبح عدة أفكار كيميائية لاحقة أسهل بكثير.
يمكنك تفسير كيف يؤدي تغيير الشحنة الأيونية أو حجم الأيون إلى تغيير قوة الشبكة. ويمكنك وضع توقعات أفضل لدرجات الانصهار والذوبانية. كما يمكنك مقارنة الشبكات الأيونية بالشبكات الفلزية والمواد الصلبة ذات الشبكات التساهمية دون الاعتماد على قوائم خواص محفوظة.
والعادة المفيدة هي دائمًا نفسها: ابدأ بالجسيمات، واسأل ما القوى التي تؤثر بينها، وحدد ما إذا كانت هذه الجسيمات تستطيع الحركة، ثم توقّع كيف ستتصرف المادة ككل.