الترابط والخواص الفيزيائية: دليل كيمياء HSC
تعلّم كيف تفسّر البنية والترابط درجة الانصهار ودرجة الغليان والتوصيل الكهربائي والصلابة والهشاشة والذوبانية في كيمياء HSC.
الماس والغرافيت كلاهما مكوَّنان بالكامل من ذرات الكربون. ومع ذلك، فالماس شديد الصلابة ولا يوصل الكهرباء، بينما الغرافيت لين بما يكفي ليترك أثرًا على الورق ويوصل الكهرباء.
توقّع الإجابة قبل متابعة القراءة: إذا كانت الذرات متطابقة، فما الذي لا بد أن يكون مختلفًا؟
لا يمكن أن يكون العنصر نفسه هو المختلف. الاختلاف هو كيفية ترتيب الذرات وترابطها. وهذه هي الفكرة المركزية في هذا الموضوع. تخبرك الصيغة الكيميائية بالجسيمات الموجودة. أما البنية والترابط فيخبرانك بكيفية سلوك تلك الجسيمات.
بمجرد أن تتمكن من النظر إلى بنية ما وتسأل: «ما الذي يجب أن يتحرك أو ينفصل أو ينكسر حتى تحدث هذه الخاصية؟»، يصبح التنبؤ بدرجة الانصهار ودرجة الغليان والتوصيل الكهربائي والصلابة والهشاشة والذوبانية أسهل بكثير.
01السؤالان وراء كل خاصية تقريبًا
قبل التفكير في كل خاصية على حدة، اطرح سؤالين:
- ما الجسيمات التي تكوّن المادة، وكيف تتماسك معًا؟
- ما الذي يجب أن يتحرك أو ينفصل حتى تظهر الخاصية التي أفسرها؟
يحدّد السؤال الأول نوع البنية. أما السؤال الثاني فيمنعك من الوقوع في أحد أكثر الأخطاء شيوعًا في أسئلة الترابط: الحديث عن أقوى رابطة في المادة حتى عندما لا تكون هذه الرابطة هي التي تشارك في العملية.
على سبيل المثال، يحتوي الماء على روابط تساهمية قوية بين الأكسجين والهيدروجين. لكن عندما يغلي الماء، لا تنكسر هذه الروابط التساهمية عادةً. تنفصل جزيئات الماء عن بعضها مع بقائها جزيئات \(\ce{H2O}\).
وهذا الفرق بالغ الأهمية.
أربع بُنى تحتاج إلى التعرّف عليها
في معظم أسئلة الترابط في كيمياء HSC، يمكنك تصنيف المواد ضمن أربعة أنواع بنيوية عامة.
| البنية | ما تحتويه المادة | التجاذب الرئيسي الذي يحافظ على تماسك البنية | السلوك الفيزيائي المعتاد |
|---|---|---|---|
| جزيئية بسيطة | جزيئات منفصلة | قوى بين جزيئية بين الجزيئات | درجات انصهار وغليان منخفضة نسبيًا في العادة، وغالبًا ما تكون لينة، وعادةً ما تكون رديئة التوصيل للكهرباء |
| شبكة أيونية | أيونات موجبة وسالبة في شبكة متكررة | تجاذب كهروستاتيكي بين الأيونات ذات الشحنات المتعاكسة | عادةً ذات درجة انصهار مرتفعة، وصلبة وهشة، وتوصل الكهرباء عند انصهارها أو عند وجود أيونات متحركة في المحلول |
| شبكة فلزية | نوى أيونات فلزية موجبة محاطة بإلكترونات غير متمركزة | التجاذب بين نوى الأيونات الموجبة والإلكترونات غير المتمركزة | موصلة للكهرباء، وعادةً قابلة للطرق والسحب، وغالبًا ذات درجات انصهار متوسطة إلى مرتفعة |
| شبكة تساهمية | ذرات مترابطة في شبكة متصلة | روابط تساهمية في جميع أنحاء البنية | عادةً ذات درجات انصهار مرتفعة جدًا، وغالبًا شديدة الصلابة، ورديئة التوصيل عمومًا، مع استثناءات مهمة مثل الغرافيت |
الشبكة البلورية هي ترتيب منتظم ومتكرر للجسيمات يمتد عبر المادة الصلبة.
هذه الفئات مفيدة، لكنها ليست تسميات سحرية. فقد تكون لمادتين من الفئة نفسها خواص مختلفة جدًا. بعد أن تحدد النوع البنيوي، تحتاج إلى مقارنة قوة التجاذبات ذات الصلة.
02الانصهار والغليان: ما الذي يجب أن ينفصل فعليًا؟
تخيّل مادة صلبة جزيئية كأنها حفلة مزدحمة مليئة بالأزواج. يمثل كل زوج جزيئًا واحدًا. الذرات داخل الجزيء هي الشخصان المتمسكان ببعضهما. أما التجاذبات بين الجزيئات المتجاورة فهي التفاعلات الأضعف بين الأزواج المختلفة.
يشبه انصهار المادة جعل الجميع يتوقفون عن الوقوف في مواضع ثابتة. أما الغليان فيتطلب ابتعاد الجزيئات كثيرًا عن بعضها. وعادةً لا تحتاج إلى تفريق كل زوج.
هذا هو الجزء المفيد من التشبيه. لكنه لا يكون دقيقًا تمامًا لأن القوى بين الجزيئية هي تفاعلات كهروستاتيكية وليست تفضيلات اجتماعية، كما أن الجزيئات الحقيقية تتحرك باستمرار.
المواد الجزيئية
في المادة الجزيئية البسيطة، تكون الروابط التساهمية داخل كل جزيء عادةً أقوى بكثير من القوى بين الجزيئية بين الجزيئات.
أثناء الانصهار أو الغليان:
- تكتسب الجزيئات طاقة حركية
- يتم التغلب على التجاذبات بين الجزيئية
- تتحرك الجزيئات بحرية أكبر أو تنفصل
- تبقى الروابط التساهمية داخل كل جزيء سليمة عمومًا
لذلك تعتمد درجات انصهار وغليان المواد الجزيئية أساسًا على قوة القوى بين الجزيئية، لا على قوة روابطها التساهمية.
وهذا يعطينا قاعدة مهمة:
بالنسبة إلى مادة جزيئية، اسأل عن مدى قوة تجاذب جزيء واحد مع جزيء آخر.
تشمل القوى الرئيسية بين الجزيئية التي تُدرَس في كيمياء HSC قوى التشتت، وتفاعلات ثنائي القطب-ثنائي القطب، والروابط الهيدروجينية.
توجد قوى التشتت بين جميع الذرات والجزيئات. وتصبح أقوى عمومًا كلما كبرت السحابة الإلكترونية وأصبحت أسهل في التشوه.
تحدث تفاعلات ثنائي القطب-ثنائي القطب بين الجزيئات القطبية.
الرابطة الهيدروجينية هي تجاذب قوي نسبيًا بين الجزيئات يحدث عندما يكون الهيدروجين مرتبطًا بذرة عالية السالبية الكهربائية مثل النيتروجين أو الأكسجين أو الفلور، وينجذب إلى زوج إلكتروني منفرد مناسب في جزيء مجاور.
مثال محلول: أي مادة جزيئية تغلي بسهولة أكبر؟
انظر إلى \(\ce{H2O}\) و\(\ce{H2S}\). كلاهما جزيئات تساهمية صغيرة. أيهما يجب أن تكون له درجة غليان أعلى، ولماذا؟
الخطوة 1
يفصل الغليان الجزيئات عن بعضها. لذلك نقارن القوى بين الجزيئية بدلًا من الروابط التساهمية داخل كل جزيء.
الخطوة 2
كلتا المادتين لهما قوى تشتت. وكلا الجزيئين قطبي، لذلك توجد أيضًا تجاذبات ثنائي القطب-ثنائي القطب.
لكن \(\ce{H2O}\) يستطيع تكوين روابط هيدروجينية قوية بين جزيئاته لأن الهيدروجين مرتبط مباشرةً بالأكسجين.
أما \(\ce{H2S}\) فلا يكوّن روابط هيدروجينية قوية مماثلة وفق النموذج المعتاد في HSC.
الخطوة 3
تحتاج عملية فصل جزيئات \(\ce{H2O}\) إلى طاقة أكبر لأن التجاذبات بين جزيئاته أقوى.
لذلك، للماء درجة غليان أعلى.
والتفسير المهم ليس مجرد قول «للماء روابط هيدروجينية». بل إن الروابط الهيدروجينية تجعل التجاذب بين الجزيئات أقوى، ولذلك تلزم طاقة حرارية أكبر لفصل الجزيئات وتحويلها إلى الطور الغازي.
03لماذا تميل المواد الأيونية إلى امتلاك درجات انصهار مرتفعة؟
لا تحتوي المادة الصلبة الأيونية على جزيئات صغيرة منفصلة من \(\ce{NaCl}\) مصطفة بجانب بعضها. بل تحتوي على ترتيب عملاق ثلاثي الأبعاد من الأيونات الموجبة والسالبة.
في كلوريد الصوديوم، على سبيل المثال، تحيط أيونات \(\mathrm{Cl}^{-}\) بأيونات \(\mathrm{Na}^{+}\)، والعكس صحيح.
الشحنات المتعاكسة تتجاذب. ولإذابة البلورة بالانصهار، يجب التغلب على عدد كافٍ من هذه التجاذبات الكهروستاتيكية القوية بحيث تتمكن الأيونات من مغادرة مواضعها الثابتة في الشبكة.
ويتطلب ذلك عادةً طاقة أكبر بكثير من فصل جزيئات لا تمسكها معًا إلا قوى بين جزيئية.
ليست لكل المركبات الأيونية درجة الانصهار نفسها
تسمية المادة بأنها «أيونية» ليست سوى الطبقة الأولى من التفسير.
يصبح التجاذب الكهروستاتيكي أقوى عندما:
- تكون الشحنات الأيونية أكبر
- تكون المسافة بين الأيونات ذات الشحنات المتعاكسة أصغر
لا تحتاج إلى دراسة كهروستاتيكا متقدمة لاستخدام هذه الفكرة. فأيون بشحنة \(2+\) يجذب أيونًا بشحنة \(2-\) بقوة أكبر من تجاذب أيون \(1+\) مع أيون \(1-\)، إذا كانت العوامل الأخرى متقاربة. كما تستطيع الأيونات الأصغر الاقتراب من بعضها بدرجة أكبر.
مثال محلول: لماذا ينصهر أكسيد المغنيسيوم عند درجة حرارة أعلى من كلوريد الصوديوم؟
يشكّل كل من \(\ce{MgO}\) و\(\ce{NaCl}\) شبكات أيونية. فسّر لماذا تكون تجاذبات الشبكة في \(\ce{MgO}\) أقوى، وبالتالي تكون درجة انصهاره أعلى.
الخطوة 1
يتطلب الانصهار أن تتحرك الأيونات بعيدًا عن مواضعها الثابتة في الشبكة. لذلك نقارن التجاذبات الكهروستاتيكية بين الأيونات.
الخطوة 2
في \(\ce{NaCl}\)، الأيونات هي \(\mathrm{Na}^{+}\) و\(\mathrm{Cl}^{-}\).
وفي \(\ce{MgO}\)، الأيونات هي \(\mathrm{Mg}^{2+}\) و\(\mathrm{O}^{2-}\).
مقادير الشحنات في أكسيد المغنيسيوم أكبر.
الخطوة 3
أيونَا \(\mathrm{Mg}^{2+}\) و\(\mathrm{O}^{2-}\) صغيران نسبيًا أيضًا، مما يسمح ببقاء الشحنات المتعاكسة متقاربة.
الخطوة 4
تحتاج التجاذبات الكهروستاتيكية الأقوى في شبكة \(\ce{MgO}\) إلى طاقة أكبر للتغلب عليها.
لذلك، لـ \(\ce{MgO}\) درجة انصهار أعلى من \(\ce{NaCl}\).
لاحظ تسلسل الاستدلال:
شحنات أيونية أكبر ومسافة فصل قصيرة بين الأيونات -> تجاذب كهروستاتيكي أقوى -> طاقة أكبر مطلوبة لتعطيل الشبكة -> درجة انصهار أعلى
هذا التسلسل أقوى بكثير من مجرد كتابة «لدى MgO روابط أيونية أقوى».
04الشبكات التساهمية: عندما يتطلب الانصهار بالفعل كسر روابط تساهمية
قارن الآن مادة جزيئية بالماس.
لا يتكون الماس من جزيئات كربون منفردة. بل ترتبط كل ذرة كربون تساهميًا بذرات كربون أخرى ضمن شبكة متصلة ثلاثية الأبعاد.
ولا توجد طبقة ضعيفة من القوى بين الجزيئية يمكن التغلب عليها ببساطة مع إبقاء جزيئات منفصلة سليمة.
ولتعطيل البنية بدرجة كبيرة، يجب كسر عدد كبير من الروابط التساهمية القوية.
ولهذا تمتلك البُنى التساهمية العملاقة عمومًا درجات انصهار مرتفعة جدًا.
ثاني أكسيد السيليكون، \(\ce{SiO2}\)، مثال مهم آخر. فعلى الرغم من أن صيغته قد تبدو وكأنها تصف جزيئًا صغيرًا من ثلاث ذرات، فإن ثاني أكسيد السيليكون الصلب يشكّل شبكة تساهمية ممتدة.
تخبرك الصيغة \(\ce{SiO2}\) بنسبة ذرات السيليكون إلى ذرات الأكسجين. ولا تعني أن المادة الصلبة تتكون من جزيئات \(\ce{SiO2}\) مستقلة.
05درجة الانصهار ليست قياسًا مباشرًا لـ«قوة الرابطة»
هناك توقع مغرٍ يقول:
الروابط التساهمية القوية تعني درجة انصهار مرتفعة.
أحيانًا يؤدي ذلك إلى الإجابة الصحيحة. لكنه كثيرًا ما لا يفعل.
يحتوي الميثان، \(\ce{CH4}\)، على روابط تساهمية قوية بين الكربون والهيدروجين، ومع ذلك فدرجتا انصهاره وغليانه منخفضتان جدًا. لماذا؟ لأن انصهار الميثان أو غليانه لا يتطلب كسر روابط الكربون-الهيدروجين. بل يجب فقط التغلب على التجاذبات الأضعف بكثير بين جزيئات الميثان.
أما الماس فمختلف. إذ تربط روابطه التساهمية البلورة بأكملها. لذلك فإن تعطيل بنيته يعني تعطيل روابط تساهمية.
لذلك لا ينبغي أن يكون السؤال الأفضل مجرد:
«ما مدى قوة الروابط؟»
بل اسأل:
«ما التجاذبات التي يجب التغلب عليها فعليًا أثناء هذه العملية؟»
06القوة والصلابة والهشاشة أفكار مختلفة
من السهل الخلط بين كلمات مثل قوي وصلب وهش.
لكنها تصف سلوكيات مختلفة.
الصلابة هي مقاومة الخدش أو الانبعاج.
القوة تصف بوجه عام مقاومة التشوه أو الانهيار تحت نوع معيّن من القوى.
الهشاشة تعني أن المادة تميل إلى الكسر بدلًا من أن تتشوه بدرجة كبيرة.
قابلية الطرق تعني أن المادة يمكن تشكيلها إلى صفائح.
قابلية السحب تعني إمكانية سحبها إلى أسلاك.
لذلك يمكن أن تكون المادة صلبة وهشة في الوقت نفسه.
لماذا تكون المواد الصلبة الأيونية صلبة لكنها هشة؟
في البلورة الأيونية، تتجاذب الأيونات ذات الشحنات المتعاكسة بقوة. وهذا يكوّن شبكة صلبة، مما يساعد على جعل كثير من المواد الصلبة الأيونية ذات صلابة مرتفعة.
تخيّل الآن تطبيق قوة كافية لإزاحة طبقة من الأيونات بالنسبة إلى طبقة أخرى.
قبل الإزاحة، تكون الأيونات الموجبة بالقرب من الأيونات السالبة.
بعد إزاحة معينة، قد تصبح الأيونات الموجبة مصطفة مع أيونات موجبة أخرى، بينما تصطف الأيونات السالبة مع أيونات سالبة أخرى.
الشحنات المتشابهة تتنافر.
ويمكن لهذا التنافر القوي أن يشق الشبكة على طول مستوى معين.
إذًا، لا تكون المادة الصلبة الأيونية هشة لأن التجاذب الأيوني ضعيف. بل العكس تمامًا. تنكسر البلورة لأن إزاحة الترتيب الصلب قد تؤدي فجأة إلى تنافرات قوية بين الشحنات المتشابهة.
07لماذا يمكن للفلزات أن تنثني بدلًا من أن تتحطم؟
يتضمن النموذج المعتاد للترابط الفلزي نوى أيونات فلزية موجبة تحيط بها إلكترونات غير متمركزة.
الإلكترون غير المتمركز لا يكون محصورًا في رابطة واحدة بين ذرتين محددتين. بل يمكنه الحركة خلال البنية الفلزية.
ويحافظ التجاذب الكهروستاتيكي بين نوى الأيونات الموجبة والإلكترونات غير المتمركزة على تماسك الفلز.
والآن ادفع طبقة من ذرات الفلز بالنسبة إلى طبقة أخرى.
على خلاف الشبكة الأيونية، لا تؤدي هذه الإزاحة بالضرورة إلى وضع صفّين ثابتين من الشحنات المتساوية مباشرةً في مواجهة بعضهما دون وسيلة لاستمرار التجاذب. إذ يمكن للإلكترونات غير المتمركزة أن تستمر في جذب نوى الأيونات الفلزية الموجبة بعد تحرك الطبقات.
ويساعد ذلك على تفسير كون كثير من الفلزات قابلة للطرق وقابلة للسحب بدلًا من أن تكون هشة.
النموذج المدرسي مفيد، لكن تذكّر أن الترابط الفلزي الحقيقي يوصف بصورة أدق باستخدام النماذج الكمية للبنية الإلكترونية. ولأغراض تفسير الخواص في HSC، يقدم نموذج الإلكترونات غير المتمركزة الاستدلال الفيزيائي الأساسي.
08التوصيل الكهربائي: توقف عن البحث عن «الروابط»
عند تفسير التوصيل الكهربائي، غيّر السؤال تمامًا.
لا تبدأ بـ:
«هل الروابط قوية؟»
بل اسأل:
«هل توجد جسيمات مشحونة تستطيع التحرك خلال المادة؟»
يتطلب التيار الكهربائي حوامل شحنة متحركة.
وقد تكون هذه:
- إلكترونات متحركة
- أيونات موجبة أو سالبة متحركة
قد تحتوي المادة على جسيمات مشحونة ومع ذلك لا توصل الكهرباء إذا لم تستطع هذه الجسيمات الحركة.
الفلزات
توصّل الفلزات الكهرباء في الحالتين الصلبة والسائلة لأنها تحتوي على إلكترونات غير متمركزة متحركة.
ولا تحتاج نوى الأيونات الموجبة إلى الانتقال عبر السلك. فالإلكترونات المتحركة هي التي تنقل الشحنة خلال البنية الفلزية.
المواد الصلبة الأيونية
إليك خطأ شائعًا جدًا:
المواد الأيونية توصل الكهرباء لأنها تحتوي على أيونات.
هذه العبارة غير مكتملة.
فالقطعة الصلبة من كلوريد الصوديوم تحتوي بالتأكيد على أيونات، لكن الأيونات مثبتة في مواضع ثابتة داخل الشبكة. ولا تستطيع التحرك بحرية خلال البلورة.
لذلك لا يوصل كلوريد الصوديوم الصلب الكهرباء بفاعلية.
وعندما ينصهر مركب أيوني، تتعطل الشبكة وتصبح الأيونات متحركة.
عندها تستطيع الأيونات الموجبة والسالبة التحرك خلال السائل وحمل الشحنة، ولذلك يوصل المركب الأيوني المنصهر الكهرباء.
وإذا ذابت مادة أيونية في الماء، فقد تصبح أيوناتها حرة الحركة عبر المحلول أيضًا. ويمكن لمثل هذا المحلول توصيل الكهرباء.
قاعدة القرار هي:
أيونات موجودة + أيونات متحركة = توصيل أيوني
المواد الجزيئية
معظم المواد الجزيئية البسيطة لا تحتوي على أيونات متحركة ولا إلكترونات حرة الحركة، ولذلك فهي رديئة التوصيل الكهربائي.
ويظل هذا صحيحًا حتى لو كانت الروابط داخل جزيئاتها قطبية.
يحتوي الجزيء القطبي على توزيع غير متساوٍ للشحنة. وهذا ليس الشيء نفسه مثل وجود جسيمات مشحونة حرة الحركة.
يمكن لبعض المواد الجزيئية أن تتفاعل مع الماء لتكوين أيونات، ولذلك قد توصل محاليلها المائية الكهرباء. وفي هذه الحالة تكون حوامل الشحنة هي الأيونات الموجودة في المحلول.
الشبكات التساهمية واستثناء الغرافيت
معظم المواد الصلبة ذات الشبكات التساهمية لا توصل الكهرباء لأن إلكتروناتها متمركزة في الروابط التساهمية.
الماس مثال جيد. تستخدم كل ذرة كربون إلكتروناتها الخارجية في شبكة الترابط، فلا تبقى حوامل شحنة متحركة مناسبة.
أما الغرافيت فمختلف.
ترتبط كل ذرة كربون في الغرافيت بثلاث ذرات كربون مجاورة ضمن صفائح مستوية. ويترك ذلك إلكترونات غير متمركزة عبر كل صفيحة.
وتستطيع هذه الإلكترونات الحركة وحمل الشحنة.
لذلك يوصل الغرافيت الكهرباء رغم أنه مادة ذات شبكة تساهمية.
ولهذا فإن حفظ عبارة «التساهمي يعني عدم التوصيل» أمر خطير. فالبنية أهم من التسمية.
09الماس والغرافيت: الذرات نفسها، والخواص مختلفة
يمكننا الآن العودة إلى اللغز الذي بدأنا به.
الماس
في الماس:
- ترتبط كل ذرة كربون تساهميًا بأربع ذرات كربون أخرى
- تشكّل الروابط شبكة ثلاثية الأبعاد
- تمتد روابط تساهمية قوية في جميع الاتجاهات
- لا توجد إلكترونات غير متمركزة متحركة مناسبة للتوصيل الكهربائي
ويساعد ذلك على تفسير كون الماس شديد الصلابة ولا يوصل الكهرباء في الظروف العادية.
الغرافيت
في الغرافيت:
- ترتبط كل ذرة كربون تساهميًا بثلاث ذرات كربون أخرى
- تكوّن الذرات صفائح تساهمية مستوية
- تعمل روابط تساهمية قوية داخل كل صفيحة
- تعمل تجاذبات أضعف بكثير بين الصفائح
- تستطيع الإلكترونات غير المتمركزة الحركة خلال الصفائح
يسمح التجاذب الضعيف بين الصفائح بانزلاقها فوق بعضها بسهولة نسبية. وهذا يجعل الغرافيت لينًا مقارنة بالماس.
وتفسر الإلكترونات غير المتمركزة قدرته على التوصيل الكهربائي.
وهذا تذكير مهم: هوية الذرات وحدها لا تحدد خواص المادة. بل يهم أيضًا ترتيبها وطريقة ترابطها.
10الذوبانية تعود أيضًا إلى التفاعلات بين الجسيمات
تُختصر الذوبانية أحيانًا في العبارة «المتشابه يذيب المتشابه».
وهذا اختصار مفيد، لكنه ليس التفسير الكامل.
لكي تذوب مادة، يجب تعطيل التجاذبات الموجودة وتكوين تجاذبات جديدة بين جسيمات المذاب والمذيب.
المواد الأيونية في الماء
الماء قطبي. يكون طرف الأكسجين في جزيء الماء ذا شحنة سالبة جزئية، بينما يكون طرف الهيدروجين ذا شحنة موجبة جزئية.
بالقرب من أيون موجب، تتجه جزيئات الماء بحيث تواجهه أطراف الأكسجين ذات الشحنة السالبة الجزئية.
وبالقرب من أيون سالب، يمكن أن تتجه نحوه أطراف الهيدروجين ذات الشحنة الموجبة الجزئية.
يمكن لهذه التجاذبات بين الأيون وثنائي القطب أن تساعد على تثبيت الأيونات المنفصلة في المحلول.
ولكي تذوب مادة صلبة أيونية بدرجة كبيرة، يجب أن تكون هذه التفاعلات الجديدة قادرة على منافسة التجاذبات التي تمسك الشبكة الأيونية معًا.
ولهذا لا ينبغي أن تكتب: «جميع المركبات الأيونية تذوب في الماء». فهي لا تفعل ذلك.
المواد الجزيئية القطبية وغير القطبية
غالبًا ما تذوب المذابات القطبية جيدًا في المذيبات القطبية عندما يمكن أن تتكوّن بينها تجاذبات ملائمة.
أما المواد الجزيئية غير القطبية فغالبًا ما تذوب بصورة أفضل في المذيبات غير القطبية، حيث يمكن لقوى التشتت أن توفر تفاعلات متوافقة.
ومرة أخرى، لا يقوم المبدأ الحقيقي على أن الجزيئات تتعرف على غيرها من «النوع» نفسه. بل هو تنافس في الطاقة بين التجاذبات التي يجب تعطيلها والتجاذبات الجديدة التي تتكون.
الشبكات التساهمية
المواد التساهمية العملاقة غير قابلة للذوبان عمومًا في المذيبات العادية، لأن إذابتها تتطلب تعطيلًا واسعًا لروابط تساهمية قوية في جميع أنحاء الشبكة.
وعادةً لا تكون تجاذبات المذاب-المذيب العادية كافية لتحقيق ذلك.
11طريقة عملية للتعامل مع أسئلة HSC
عندما تُعطى خاصية فيزيائية ويُطلب منك تفسيرها باستخدام الترابط، اتبع هذا التسلسل.
أولًا، حدّد البنية. هل هي جزيئية بسيطة، أم أيونية، أم فلزية، أم شبكة تساهمية؟
ثانيًا، حدّد الجسيمات. جزيئات؟ أيونات؟ نوى أيونات فلزية وإلكترونات غير متمركزة؟ ذرات مترابطة تساهميًا؟
ثالثًا، اسأل عما يجب أن يحدث حتى تظهر الخاصية.
بالنسبة إلى الانصهار أو الغليان، يجب أن تصبح الجسيمات أقل تقييدًا أو أن تنفصل.
بالنسبة إلى التوصيل، يجب أن تتحرك الشحنة.
بالنسبة إلى الانثناء، يجب أن تتغير مواضع الطبقات أو الذرات دون أن تنهار المادة كلها.
بالنسبة إلى الذوبان، يجب أن تُستبدل التجاذبات الموجودة بتفاعلات ملائمة بين المذاب والمذيب.
رابعًا، سمِّ التجاذب ذي الصلة أو الجسيم المتحرك.
فقط عند هذه المرحلة ينبغي أن تستخدم مصطلحات مثل التجاذب الأيوني، أو الرابطة الهيدروجينية، أو قوى التشتت، أو الترابط التساهمي، أو الإلكترونات غير المتمركزة.
وأخيرًا، اربط التغير المجهري بالخاصية الملحوظة.
تحتوي الإجابة القوية على سلسلة منطقية من الاستدلال، لا مجرد قائمة من مصطلحات الكيمياء.
على سبيل المثال:
للمركب درجة انصهار مرتفعة لأن الأيونات ذات الشحنات المتعاكسة تتعرض لتجاذبات كهروستاتيكية قوية في جميع أنحاء الشبكة الأيونية. وتلزم كمية كبيرة من الطاقة الحرارية كي تتحرك الأيونات خارج مواضعها الثابتة في الشبكة.
هذا يفسر الخاصية.
أما هذا فلا يفعل:
لديه روابط قوية، لذلك درجة انصهاره مرتفعة.
فالعبارة الثانية لا تحدد الجسيمات ولا نوع الرابطة ولا ما يتطلبه الانصهار.
12استخدام بيانات الخواص لاستنتاج البنية
أحيانًا يأتي السؤال في الاتجاه المعاكس. تُعطى لك خواص ويجب أن تستنتج نوع الترابط المحتمل.
افترض أن مادة صلبة مجهولة لها الخواص الآتية:
- درجة انصهار مرتفعة
- صلبة وهشة
- لا توصل الكهرباء وهي صلبة
- توصل الكهرباء عند انصهارها
ماذا ستتوقع قبل متابعة القراءة؟
أقوى دليل ليس درجة الانصهار المرتفعة. فهناك عدة أنواع بنيوية يمكن أن تؤدي إلى درجة انصهار مرتفعة.
أقوى دليل هو التغير في التوصيل الكهربائي بعد الانصهار.
النموذج المناسب هو شبكة أيونية:
- تفسر التجاذبات الكهروستاتيكية القوية درجة الانصهار المرتفعة
- تفسر الأيونات الثابتة غياب التوصيل في الحالة الصلبة
- تفسر الأيونات المتحركة في السائل التوصيل بعد الانصهار
- يفسر تنافر الشحنات المتشابهة الناتج عن إزاحة الشبكة الهشاشة
وهكذا تفسر عدة ملاحظات منفصلة باستخدام نموذج بنيوي واحد.
وهذا بالضبط ما ينبغي أن يفعله النموذج العلمي المفيد.
مثال محلول: تعرّف على مادتين صلبتين مجهولتين
لمادتين مجهولتين الخواص الآتية.
للمادة P درجة انصهار مرتفعة، وهي هشة، ولا توصل الكهرباء وهي صلبة، لكنها توصل عند انصهارها.
للمادة Q درجة انصهار مرتفعة، وتوصل الكهرباء وهي صلبة، ويمكن طرقها إلى صفيحة دون أن تتحطم.
حدّد نوع الترابط الأكثر احتمالًا في كل مادة واشرح اختيارك.
الخطوة 1
تشير درجة الانصهار المرتفعة إلى تجاذبات قوية، لكنها لا تحدد نوع البنية بصورة فريدة.
الدليل الحاسم هو التوصيل الكهربائي. لا توصل P الكهرباء وهي صلبة، لكنها توصل عند انصهارها.
هذا السلوك مميز لـ شبكة أيونية لأن الأيونات تكون ثابتة في الحالة الصلبة لكنها متحركة في الحالة السائلة.
وهشاشتها تتوافق أيضًا مع البلورة الأيونية.
لذلك، من المرجح أن تكون P أيونية.
الخطوة 2
توصّل Q الكهرباء وهي ما تزال صلبة. لذلك يجب أن تحتوي على حوامل شحنة متحركة داخل بنيتها الصلبة.
وقدرتها على أن تُطرق إلى صفيحة تدل على أنها قابلة للطرق.
التوصيل الكهربائي مع قابلية الطرق يدعم بقوة وجود ترابط فلزي، حيث تحمل الإلكترونات غير المتمركزة الشحنة وتحافظ على التجاذب أثناء تحرك طبقات ذرات الفلز.
لذلك، من المرجح أن تكون Q فلزية.
الخطوة 3
كلتا المادتين لهما درجة انصهار مرتفعة.
لم تكن درجة الانصهار وحدها كافية. وقدمت مجموعة خواص التوصيل والسلوك الميكانيكي دليلًا أقوى بكثير.
13أخطاء شائعة ينبغي إزالتها من إجاباتك
«المركبات الأيونية توصل الكهرباء»
فقط عندما تستطيع أيوناتها الحركة.
الشبكة الأيونية الصلبة لا توصل الكهرباء عمومًا. ويمكن للمركب الأيوني المنصهر أن يوصل، كما يمكن للمحلول المائي أن يوصل إذا كانت هناك أيونات متحركة.
«المواد التساهمية لها درجات انصهار منخفضة»
ينطبق ذلك غالبًا على المواد الجزيئية البسيطة.
أما مواد الشبكات التساهمية فلها عمومًا درجات انصهار مرتفعة جدًا لأن الروابط التساهمية تمتد عبر البنية.
«الروابط التساهمية القوية تعطي الجزيئات درجات غليان مرتفعة»
غليان المادة الجزيئية لا يؤدي عادةً إلى كسر روابطها التساهمية.
قارن القوى بين الجزيئية بين الجزيئات.
«درجة الانصهار المرتفعة تعني أن المادة أيونية»
لا. قد تكون للمواد الأيونية درجات انصهار مرتفعة، لكن هذا ينطبق أيضًا على المواد الصلبة ذات الشبكات التساهمية وعلى كثير من الفلزات.
أنت بحاجة إلى أدلة إضافية.
«المادة قطبية، لذلك فهي توصل الكهرباء»
تعني القطبية أن الشحنة موزعة بصورة غير متساوية داخل الجزيء.
أما التوصيل فيتطلب جسيمات مشحونة متحركة. والجزيء القطبي المتعادل ليس تلقائيًا أيونًا متحركًا.
«إذا كانت المادة صلبة فهي ليست هشة»
يمكن للمادة أن تقاوم الخدش ومع ذلك تنكسر بدلًا من أن تتشوه.
كثير من البلورات الأيونية صلبة وهشة معًا.
14الأسئلة والحلول
السؤال 1
تتكون مادة من جزيئات صغيرة منفصلة. ولها درجة غليان منخفضة، ولا توصل الكهرباء سواء كانت سائلة أم صلبة.
فسّر كيف تفسر بنيتها هاتين الملاحظتين.
الحل 1
للمادة درجة غليان منخفضة لأن المطلوب هو التغلب فقط على تجاذبات بين جزيئية ضعيفة نسبيًا، وهي لا توصل الكهرباء لأنها تفتقر إلى جسيمات مشحونة متحركة.
يمكن أن تكون الروابط التساهمية داخل كل جزيء قوية، لكن الغليان لا يتطلب عادةً كسر هذه الروابط. فالطاقة مطلوبة أساسًا لفصل جزيء عن آخر من خلال التغلب على القوى بين الجزيئية.
أما غياب التوصيل الكهربائي فينتج عن متطلب مختلف. فالتوصيل الكهربائي يحتاج إلى جسيمات مشحونة متحركة. والجزيئات المتعادلة المنفصلة لا توفر عمومًا أيونات متحركة ولا إلكترونات غير متمركزة.
والخطأ الأساسي هو التعامل مع درجة الغليان والتوصيل الكهربائي كما لو كانا تتحكمان بالصفة نفسها. هذا غير صحيح. فالغليان يعتمد على التجاذبات بين الجسيمات، بينما يعتمد التوصيل على وجود حوامل شحنة متحركة.
السؤال 2
أُعطي طالب مادتين صلبتين.
المادة الصلبة A قابلة للطرق وتوصل الكهرباء.
المادة الصلبة B صلبة وهشة. لا توصل الكهرباء وهي صلبة، لكنها توصل بعد انصهارها.
حدّد نوع الترابط الأكثر احتمالًا في A وB، واشرح كل اختيار.
الحل 2
من المرجح أن تكون المادة الصلبة A فلزية، بينما من المرجح أن تكون المادة الصلبة B أيونية.
في المادة الصلبة A، تفسر الإلكترونات غير المتمركزة المتحركة التوصيل الكهربائي. كما يسمح الترابط الفلزي لطبقات نوى الأيونات الفلزية بالتحرك مع استمرار التجاذب بينها وبين الإلكترونات غير المتمركزة، وهذا يفسر قابلية الطرق.
أما المادة الصلبة B فتتوافق مع شبكة أيونية. ففي الحالة الصلبة تكون أيوناتها مثبتة في مواضع ثابتة، ولذلك لا تستطيع حمل الشحنة عبر المادة. وبعد الانصهار تصبح الأيونات متحركة، مما يسمح للسائل بالتوصيل.
وتتوافق هشاشتها أيضًا مع الشبكة الأيونية، لأن إزاحة طبقات الشبكة يمكن أن تضع شحنات متشابهة بالقرب من بعضها. وقد يؤدي التنافر الناتج إلى كسر البلورة.
السؤال 3
الماس والغرافيت كلاهما كربون نقي.
فسّر لماذا يوصل الغرافيت الكهرباء ويكون لينًا نسبيًا، بينما لا يوصل الماس الكهرباء ويكون شديد الصلابة.
الحل 3
يوصل الغرافيت الكهرباء ويكون لينًا نسبيًا لأنه يحتوي على إلكترونات غير متمركزة متحركة داخل صفائح طبقية، بينما يكون الماس صلبًا وغير موصل لأنه يشكّل شبكة تساهمية ثلاثية الأبعاد صلبة من دون حوامل شحنة متحركة مناسبة.
في الغرافيت، تكوّن كل ذرة كربون ثلاث روابط تساهمية داخل صفيحة. وتكون الإلكترونات غير متمركزة عبر الصفائح، فتستطيع حمل الشحنة الكهربائية. وتمسك الصفائح المتجاورة ببعضها تجاذبات أضعف بكثير من الروابط التساهمية داخل كل صفيحة، ولذلك تستطيع الطبقات الانزلاق فوق بعضها بسهولة نسبية.
أما في الماس، فتكوّن كل ذرة كربون أربع روابط تساهمية ضمن شبكة ثلاثية الأبعاد. وتمتد الروابط التساهمية القوية عبر البنية كلها، مما يجعل التشوه صعبًا ويؤدي إلى صلابة شديدة. ولا يوفر ترتيب الترابط فيه الإلكترونات غير المتمركزة المتحركة نفسها الموجودة في الغرافيت، ولذلك لا يكون الماس موصلًا للكهرباء في الظروف العادية.
والخطأ هنا هو افتراض أن المواد المكوّنة من العنصر نفسه يجب أن تكون لها الخواص نفسها. فالبُنى المختلفة للعنصر نفسه يمكن أن تتصرف بطرق مختلفة جدًا.
السؤال 4
يقول طالب:
«ثاني أكسيد السيليكون صيغته \(\ce{SiO2}\)، ولذلك لا بد أن يتكون من جزيئات صغيرة. ومن ثم ينبغي أن تكون درجة انصهاره منخفضة.»
قيّم استدلال الطالب.
الحل 4
الاستدلال غير صحيح لأن ثاني أكسيد السيليكون الصلب شبكة تساهمية، وليس مجموعة من جزيئات \(\ce{SiO2}\) الصغيرة.
تعطي الصيغة \(\ce{SiO2}\) نسبة ذرات السيليكون إلى ذرات الأكسجين في البنية. ولا تثبت وجود جزيئات مستقلة مكوّنة من ثلاث ذرات.
في ثاني أكسيد السيليكون الصلب، ترتبط الذرات من خلال شبكة ممتدة من الروابط التساهمية القوية. ويتطلب تعطيل هذه البنية كسر عدد كبير من الروابط التساهمية، وهو ما يحتاج إلى طاقة كبيرة. ولذلك فإن لثاني أكسيد السيليكون درجة انصهار مرتفعة.
ينشأ سوء الفهم من التعامل مع كل صيغة كيميائية كما لو كانت صيغة جزيئية. ففي الشبكات الأيونية والشبكات التساهمية، تمثل الصيغة عادةً أبسط نسبة بين الذرات أو الأيونات، لا حدود جسيم منفصل واحد.
السؤال 5
لمادة صلبة مجهولة درجة انصهار مرتفعة جدًا. وهي صلبة، ولا توصل الكهرباء وهي في الحالة الصلبة، وغير قابلة للذوبان في الماء.
يستنتج طالب أنها لا بد أن تكون مادة صلبة ذات شبكة تساهمية.
هل هذا الاستنتاج مبرر؟ فسّر أي بنية بديلة قد تتوافق أيضًا مع هذه الملاحظات، وحدّد خاصية إضافية واحدة يمكن أن تساعد على التمييز بين الاحتمالين.
الحل 5
لا. تتوافق الأدلة مع شبكة تساهمية، لكنها لا تثبت هذه البنية بصورة فريدة. فقد تتوافق أيضًا مادة صلبة أيونية غير قابلة للذوبان مع هذه الملاحظات.
يمكن للشبكة التساهمية أن تفسر درجة الانصهار المرتفعة لأن الروابط التساهمية القوية تمتد عبر البنية كلها. كما تفسر عادةً غياب التوصيل الكهربائي وضعف الذوبانية.
لكن بعض المركبات الأيونية لا تذوب إلا بدرجة طفيفة أو تكون غير قابلة للذوبان فعليًا في الماء. ويمكن للشبكة الأيونية أيضًا أن تكون ذات درجة انصهار مرتفعة، كما لا تستطيع أيوناتها الحركة عندما تكون المادة صلبة، ولذلك لن توصل الكهرباء في تلك الحالة.
ومن الاختبارات الإضافية المفيدة قياس التوصيل الكهربائي بعد الانصهار، إذا أمكن صهر المادة بأمان. ينبغي للمادة الأيونية المنصهرة أن توصل لأن أيوناتها تصبح متحركة. أما مادة الشبكة التساهمية المعتادة فلن تكتسب فجأة أيونات متحركة لمجرد انصهارها.
والافتراض الخفي في حجة الطالب هو أن المادة الأيونية لا بد أن تذوب في الماء. وهذا غير صحيح.
السؤال 6
لسائلين جزيئيين، X وY، كتل جزيئية متقاربة. X قطبي وY غير قطبي.
يتوقع طالب أن تكون لـ X درجة غليان أعلى حتمًا لأن الجزيئات القطبية تتعرض لتجاذبات ثنائي القطب-ثنائي القطب.
هل يُضمن أن يكون هذا التوقع صحيحًا؟
الحل 6
لا. يمكن للقطبية أن تزيد التجاذب بين الجزيئات، لكنها لا تضمن درجة غليان أعلى لأن مقدار التجاذب الكلي بين الجزيئات يعتمد على أكثر من عامل واحد.
يتعرض كل من X وY لقوى التشتت. وقد يتعرض X أيضًا لتجاذبات ثنائي القطب-ثنائي القطب لأنه قطبي.
لكن قوة قوى التشتت تعتمد على عوامل مثل حجم السحابة الإلكترونية وقابليتها للاستقطاب ومدى كفاءة تلامس الجزيئات مع بعضها. ولذلك يمكن أن يؤثر شكل الجزيء في مقدار التجاذب الكلي بين الجزيئات.
والطريقة الصحيحة هي مقارنة جميع القوى المهمة بين الجزيئية بدلًا من استخدام قاعدة تقول إن «القطبي يعني دائمًا درجة غليان أعلى».
إذا كان X وY متشابهين جدًا في الحجم والشكل وقابلية الاستقطاب، فإن تجاذب ثنائي القطب-ثنائي القطب الإضافي في X سيدعم توقع درجة غليان أعلى له. لكن من دون هذه الافتراضات الإضافية، لا يكون الاستنتاج مضمونًا.
والخطأ هو تحويل اتجاه عام مفيد إلى قاعدة مطلقة.
السؤال 7
لمادة صلبة جديدة الخواص الملحوظة الآتية:
- لها درجة انصهار مرتفعة جدًا
- توصل الكهرباء وهي صلبة
- ليست قابلة للطرق
- تكوّن ذراتها روابط تساهمية قوية في صفائح ممتدة
- التجاذب بين الصفائح المتجاورة أضعف بكثير
يجادل طالب بأن التوصيل الكهربائي يثبت أن المادة لا بد أن تكون فلزية.
فسّر لماذا يفشل هذا الاستنتاج. ثم توقّع كيفية تصرف المادة عند تأثير قوة موازية لصفائحها مقارنةً بقوة تحاول كسر الروابط داخل صفيحة.
الحل 7
ليس من الضروري أن تكون المادة فلزية. فخواصها تتوافق مع شبكة تساهمية طبقية تحتوي على إلكترونات غير متمركزة، على نحو يشبه الغرافيت من حيث المبدأ.
يثبت التوصيل الكهربائي وجود حوامل شحنة متحركة. لكنه لا يثبت، بمفرده، وجود ترابط فلزي. فإذا كانت الإلكترونات غير متمركزة عبر صفائح مترابطة تساهميًا، فإنها تستطيع حمل الشحنة مع بقاء البنية العامة تساهمية.
ينبغي أن يكون تشويه المادة عن طريق انزلاق الصفائح المتجاورة فوق بعضها أسهل بكثير من كسر البنية داخل صفيحة. فالقوى بين الصفائح ضعيفة نسبيًا، ولذلك يلزم قدر أقل من الطاقة للتغلب عليها.
في المقابل، سيكون التشوه الذي يتطلب كسر الروابط التساهمية داخل الصفيحة أصعب بكثير لأن هذه الروابط قوية.
والدرس الأعمق هو أن كل خاصية ينبغي تتبعها إلى سمة بنيوية محددة. فالتوصيل يخبرك بأن الشحنة تستطيع الحركة. لكنه لا يخبرك تلقائيًا بسبب قدرة هذه الشحنة على الحركة أو بنوع الترابط الذي لا بد أن يكون موجودًا.
15ما الذي تتيح لك هذه الفكرة فعله بعد ذلك؟
تمنحك البنية والترابط طريقة لتحويل النماذج المجهرية إلى تنبؤات عيانية.
عندما تواجه مادة جديدة، يمكنك الآن أن تسأل:
- ما الجسيمات التي تكوّن البنية
- ما الذي يمسك هذه الجسيمات معًا
- أي الجسيمات تستطيع الحركة
- ما التجاذبات التي يجب التغلب عليها
- كيف يتغير الترتيب عندما تنصهر المادة أو تنثني أو تذوب أو توصل الكهرباء
والخطوة المفيدة التالية هي جعل هذه المقارنات أكثر دقة. بالنسبة إلى المواد الجزيئية، يعني ذلك استخدام قطبية الجزيئات، والروابط الهيدروجينية، وقوى التشتت، وحجم الجزيء، وشكله لتفسير الاتجاهات في درجات الانصهار والغليان. وبالنسبة إلى المواد الأيونية، يعني ذلك ربط الشحنة الأيونية ونصف القطر الأيوني بقوة التجاذب داخل الشبكة.
الخاصية هي الملاحظة. أما البنية والترابط فهما التفسير.