البُنى الجزيئية التساهمية والقوى بين الجزيئات

اغْلِ كأسًا من الماء، فيتحول السائل إلى غاز. من الواضح أن شيئًا ما قد تباعد. ولكن ما هو؟

قبل أن تتابع القراءة، توقّع: عندما يغلي الماء، هل تنكسر الروابط التساهمية القوية O-H داخل كل جزيء \(\ce{H2O}\)، أم أن الجزيئات تبتعد ببساطة عن بعضها؟

الإجابة الثانية هي الصحيحة. يظل جزيء الماء \(\ce{H2O}\) عندما ينتقل إلى الحالة الغازية. يتغلب الغليان على قوى التجاذب بين جزيئات الماء، ولا يؤدي عادةً إلى كسر الروابط التساهمية داخلها.

هذا التمييز هو مفتاح فهم المواد الجزيئية التساهمية. تعتمد خواصها التي نلاحظها على مستويين مختلفين من البنية: روابط تساهمية قوية تُبقي كل جزيء متماسكًا، وقوى بين جزيئية أضعف بكثير تؤثر بين الجزيئات المنفصلة.

01ما الذي يجعل المادة جزيئية تساهمية؟

تخيّل مادة مكوّنة من ملايين الوحدات الصغيرة المنفصلة. كل وحدة منها جزيء.

داخل كل جزيء، تتشارك الذرات الإلكترونات من خلال روابط تساهمية. هذه الروابط قوية. لكن الجزيء الواحد لا يرتبط تساهميًا بكل جزيء مجاور له.

تُسمّى هذه الجسيمات المنفصلة جزيئات منفصلة.

فعلى سبيل المثال، يتكوّن ثاني أكسيد الكربون من جزيئات \(\ce{CO2}\) منفردة:

\[ \ce{O=C=O} \]

ترتبط ذرة الكربون بقوة، داخل كل جزيء، بذرتي أكسجين بروابط تساهمية. لكن جزيء \(\ce{CO2}\) الواحد لا يرتبط بجزيء \(\ce{CO2}\) التالي برابطة تساهمية أخرى.

تنطبق الفكرة الأساسية نفسها على مواد مثل:

• \(\ce{H2O}\)، الماء
• \(\ce{NH3}\)، الأمونيا
• \(\ce{CH4}\)، الميثان
• \(\ce{CO2}\)، ثاني أكسيد الكربون
• \(\ce{I2}\)، اليود
• \(\ce{CH3OH}\)، الميثانول

يختلف هذا عن البنية الشبكية التساهمية، حيث تمتد الروابط التساهمية بصورة متصلة عبر بنية عملاقة. الألماس مثال على مادة ذات شبكة تساهمية.

ويصبح هذا الاختلاف بالغ الأهمية عندما نحاول تفسير درجات الانصهار والغليان.

02هناك نوعان من التجاذب يجب التمييز بينهما

افترض أن جزيئين من الماء متجاوران.

داخل كل جزيء، ترتبط ذرات الأكسجين والهيدروجين بروابط تساهمية. وبين الجزيئين توجد قوى تجاذب بين جزيئية.

من المفيد أن تتخيّل شخصين يمسكان بأيدي بعضهما وهما واقفان في قطار مزدحم. تمثل قبضتهما على يدي بعضهما الرابطة التساهمية داخل الجزيء، بينما يمثل ضغط الحشود الذي يدفعهما نحو الأشخاص القريبين القوى بين الجزيئية.

إذا فرغ القطار وابتعد الشخصان عن الجميع، فلا يحتاجان إلى التوقف عن الإمساك بأيدي بعضهما. وبالمثل، عندما تغلي مادة جزيئية، تنفصل جزيئاتها عن بعضها من دون أن تنكسر روابطها التساهمية الداخلية عادةً.

لهذا التشبيه حدود: فالجزيئات لا تختار ما ترتبط به، كما أن القوى بين الجزيئية تنشأ من تفاعلات كهروستاتيكية تتضمن الشحنات وتوزيعات الإلكترونات. لكنه يوضح الفرق البنيوي المهم.

القوى داخل الجزيئية

تعني داخل الجزيئية القوى الموجودة داخل الجزيء.

في المواد الجزيئية التساهمية، تكون هذه القوى أساسًا هي الروابط التساهمية التي تصل الذرات ببعضها.

يؤدي كسر رابطة تساهمية إلى تغيير الجزيء كيميائيًا. فكسر رابطة O-H في الماء، على سبيل المثال، لا يُعد مجرد غليان للماء.

القوى بين الجزيئية

تعني بين الجزيئية القوى التي تؤثر بين الجزيئات.

تؤثر قوى التجاذب هذه في خواص فيزيائية مثل:

• درجة الانصهار
• درجة الغليان
• التطايرية
• ما إذا كانت المادة صلبة أو سائلة أو غازية تحت ظروف معينة
• الذوبانية
• اللزوجة، في كثير من الحالات

من الأخطاء الشائعة جدًا أن يُكتب: «للماء درجة غليان مرتفعة لأن روابطه التساهمية قوية».

الروابط التساهمية في الماء قوية بالفعل، لكنها ليست الروابط التي يتم التغلب عليها أثناء الغليان. قوى التجاذب ذات الصلة هي القوى بين الجزيئية بين جزيئات الماء.

03من أين تأتي القوى بين الجزيئية؟

تحمل الإلكترونات والأنوية شحنات. لذلك، حتى عندما لا يحمل الجزيء شحنة كلية، يمكن لتوزيع الشحنة داخله أن ينشئ قوى تجاذب مع الجزيئات القريبة.

في كيمياء HSC، توجد ثلاث قوى مهمة بين الجزيئية:

يمكن أن يتعرض الجزيء لأكثر من نوع واحد.

فعلى سبيل المثال، توجد في الماء قوى تشتت لندن وكذلك روابط هيدروجينية. وعادةً ما نركز على الروابط الهيدروجينية عند تفسير درجة غليانه المرتفعة بصورة غير معتادة، لأن هذا التفاعل له التأثير الأكبر في هذه المقارنة.

04تحدث قوى تشتت لندن في كل مادة جزيئية

ابدأ بجزيء مثل \(\ce{I2}\).

الجزيء غير قطبي في مجمله. لذلك قد تتوقع أن جزيئين من اليود لا يمكن أن يتجاذبا.

لكنهما يتجاذبان بالفعل.

الإلكترونات في حركة مستمرة. وفي لحظة معينة، يمكن أن تصبح السحابة الإلكترونية لأحد الجزيئات غير متساوية قليلًا. فيصبح أحد الجانبين أكثر سالبية مؤقتًا، والجانب الآخر أكثر إيجابية مؤقتًا.

يمكن لهذا ثنائي القطب المؤقت أن يشوّه السحابة الإلكترونية لجزيء قريب، فينشأ ثنائي قطب مستحث. عندئذ يتجاذب الجزيئان.

تُسمّى قوى التجاذب هذه قوى تشتت لندن.

وهي موجودة بين جميع الجسيمات لأن كل ذرة وكل جزيء يحتوي على إلكترونات.

ما الذي يجعل قوى التشتت أقوى؟

كقاعدة عامة مفيدة، تصبح قوى التشتت أقوى عندما تكون للجسيمات سحب إلكترونية أكبر وأكثر قابلية للتشوه.

قارن بين الهالوجينات:

• \(\ce{F2}\)
• \(\ce{Cl2}\)
• \(\ce{Br2}\)
• \(\ce{I2}\)

كلما أصبحت الجزيئات أكبر واحتوت على عدد أكبر من الإلكترونات، أصبحت سحبها الإلكترونية أكثر قابلية للاستقطاب. وبالتالي تزداد قوة قوى التشتت بينها.

يساعد ذلك في تفسير كون \(\ce{F2}\) و\(\ce{Cl2}\) غازين في ظروف الغرفة، وكون \(\ce{Br2}\) سائلًا، و\(\ce{I2}\) صلبًا.

إن عبارة «المزيد من الإلكترونات يعني قوى تشتت أقوى» مفيدة، لكن لا تجعلها قانونًا مطلقًا في كل مقارنة. فقد يكون لشكل الجزيء ومدى قدرة الجزيئات على الاقتراب من بعضها دور أيضًا.

05تضيف الجزيئات القطبية قوى تجاذب ثنائي القطب-ثنائي القطب

والآن انظر إلى كلوريد الهيدروجين، \(\ce{HCl}\).

يجذب الكلور إلكترونات الرابطة المشتركة بقوة أكبر من الهيدروجين. لذلك تكون كثافة الإلكترونات في رابطة H-Cl غير متساوية.

نصف الهيدروجين بأنه يحمل شحنة موجبة جزئية، \(\delta+\)، والكلور بأنه يحمل شحنة سالبة جزئية، \(\delta-\).

يمتلك الجزيء ثنائي قطب دائمًا.

تميل جزيئات \(\ce{HCl}\) المتجاورة إلى الاصطفاف بحيث تنجذب منطقة موجبة جزئيًا نحو منطقة سالبة جزئيًا. وتُسمّى قوى التجاذب هذه قوى ثنائي القطب-ثنائي القطب.

ومن المهم أن \(\ce{HCl}\) يخضع أيضًا لقوى التشتت. فكون الجزيئات قطبية لا يعني بطريقة ما اختفاء قوى التشتت.

06وجود رابطة قطبية لا يجعل الجزيء قطبيًا تلقائيًا

هذا من أكثر الفروق فائدة في هذا الموضوع.

انظر إلى ثاني أكسيد الكربون. كل رابطة C=O قطبية لأن الأكسجين يجذب إلكترونات الرابطة بقوة أكبر من الكربون.

إذن توقّع قطبية الجزيء ككل: هل \(\ce{CO2}\) قطبي؟

إنه غير قطبي في مجمله.

الجزيء خطي:

\[ \ce{O=C=O} \]

يشير ثنائيا قطب الرابطتين في اتجاهين متعاكسين ولهما المقدار نفسه، لذلك يُلغي تأثير أحدهما الآخر.

أما الماء فمختلف. روابط O-H فيه قطبية أيضًا، لكن جزيء \(\ce{H2O}\) منحني. ولا تشير ثنائيات قطب الروابط مباشرةً في اتجاهين متعاكسين، لذلك لا تلغي بعضها بعضًا.

ولهذا يمتلك الماء ثنائي قطب جزيئيًا كليًا.

وهذا يعطينا طريقة مهمة لاتخاذ القرار:

1. حدّد ما إذا كانت الروابط الفردية قطبية.
2. حدّد الشكل الجزيئي.
3. راعِ اتجاه ثنائيات قطب الروابط.
4. حدّد ما إذا كانت هذه الثنائيات تلغي بعضها بعضًا.
5. استخدم قطبية الجزيء الكلية لتحديد القوى بين الجزيئية ذات الصلة.

07الروابط الهيدروجينية قوة تجاذب بين جزيئية قوية بصورة خاصة

يتصرف الماء بصورة غير معتادة إذا قارنته بجزيئات صغيرة مشابهة.

لا تتجاوز كتلته المولية نحو \(18.0\ \text{g mol}^{-1}\)، ومع ذلك يكون الماء سائلًا عند درجات حرارة الغرفة العادية. وكثير من الجزيئات المشابهة في صغرها تكون غازات.

لماذا؟

روابط O-H في الماء شديدة القطبية. يحمل الأكسجين شحنة سالبة جزئية كبيرة، بينما تحمل ذرات الهيدروجين المرتبطة به شحنة موجبة جزئية.

يمكن لذرة هيدروجين مرتبطة بالأكسجين في أحد جزيئات الماء أن تنجذب بقوة إلى زوج إلكتروني منفرد على ذرة أكسجين في جزيء ماء مجاور.

يُسمّى هذا التجاذب رابطة هيدروجينية.

في المركبات التي تُدرس عادةً على مستوى HSC، تحدث الروابط الهيدروجينية عندما يرتبط الهيدروجين تساهميًا مباشرةً بـ:

• النيتروجين، N
• الأكسجين، O
• الفلور، F

ويجب أن يوفر الجزيء القريب أيضًا منطقة مناسبة غنية بالإلكترونات عند N أو O أو F.

انتبه إلى الصياغة. الرابطة الهيدروجينية ليست رابطة O-H التساهمية الموجودة داخل جزيء الماء. بل هي قوة تجاذب بين جزيئية تتضمن جزيئات مختلفة.

08كيف تؤثر القوى بين الجزيئية في درجتي الانصهار والغليان؟

لكي تنصهر مادة جزيئية أو تغلي، يجب أن تكتسب جزيئاتها قدرًا كافيًا من الطاقة للتغلب على بعض قوى التجاذب التي تُبقيها قريبة من بعضها.

عادةً ما تعني القوى الأقوى بين الجزيئية أن مقدارًا أكبر من الطاقة مطلوب.

لذلك، عندما تكون العوامل الأخرى متقاربة بصورة معقولة:

\[ \text{قوى بين جزيئية أقوى} \longrightarrow \text{درجة انصهار أو غليان أعلى} \]

تكون هذه العلاقة مفيدة بصورة خاصة عند الحديث عن الغليان، لأن الجزيئات يجب أن تصبح متباعدة بدرجة كبيرة في الحالة الغازية.

أما درجات الانصهار فقد تكون أقل قابلية للتنبؤ. فطريقة تراص الجزيئات معًا في البلورة الصلبة مهمة أيضًا، ولذلك قد تكون لمركبين متشابهين أحيانًا درجات انصهار لا تتبع الاتجاه البسيط الذي توقّعته.

وهذا مثال جيد على أن نموذجًا أوليًا مفيدًا قد يحتاج إلى طبقة إضافية من الدقة.

09القوى الأقوى بين الجزيئية تعني عادةً تطايرية أقل

السائل المتطاير يتبخر بسهولة.

ولكي يفلت جزيء من السائل إلى الحالة الغازية، يجب أن يتغلب على قوى التجاذب من الجزيئات المحيطة به.

إذا كانت هذه القوى قوية، فإن عددًا أقل من الجزيئات يمتلك طاقة كافية للإفلات عند درجة حرارة معينة.

لذلك تعني القوى الأقوى بين الجزيئية عمومًا:

• تطايرية أقل
• ضغط بخار أقل عند درجة الحرارة نفسها
• درجة غليان أعلى

هذه ثلاث ملاحظات مختلفة ترتبط جميعها بالفكرة الأساسية نفسها.

فعلى سبيل المثال، إذا كان السائل A يتبخر أسرع بكثير من السائل B في الظروف نفسها، فمن المعقول كفرضية أولية أن A يتعرض لقوى تجاذب بين جزيئية أضعف. لكن يجب ضبط متغيرات أخرى، بما في ذلك درجة الحرارة ومساحة السطح المكشوف، قبل إجراء مقارنة عادلة.

10لماذا لا توصل معظم المواد الجزيئية الكهرباء؟

يتطلب التوصيل الكهربائي وجود جسيمات مشحونة متحركة.

تتكون المادة الجزيئية التساهمية النقية في الأساس من جزيئات متعادلة. وتكون إلكتروناتها متمركزة داخل الروابط والسحب الإلكترونية، بدلًا من أن تكون حرة في الحركة عبر المادة مثل الإلكترونات غير المتمركزة في الفلزات.

لذلك فإن معظم المواد الجزيئية النقية موصلات رديئة للكهرباء.

لكن توجد هنا نقطة قد تسبب خطأً مهمًا.

كون المادة «مكوّنة من جزيئات» لا يعني أنها «لا يمكن أبدًا أن تكوّن محلولًا موصلًا للكهرباء».

كلوريد الهيدروجين مادة جزيئية في حالته النقية، لكنه عندما يذوب في الماء يتفاعل ليكوّن أيونات:

\[ \ce{HCl(g) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)} \]

تسمح هذه الأيونات المائية المتحركة للمحلول بتوصيل الكهرباء.

لذلك اسأل دائمًا: ما الجسيمات الموجودة فعليًا في الظروف المذكورة؟

11تعتمد الذوبانية على التفاعلات مع المذيب

غالبًا ما يتعلم الطلاب عبارة «الشبيه يذيب الشبيه».

وهي مفيدة، لكنها قاعدة مختصرة وليست قانونًا فيزيائيًا كاملًا.

عندما تذوب مادة، تكون ثلاثة تغيّرات عامة مهمة:

1. يجب التغلب على بعض قوى التجاذب بين جسيمات المذاب
2. يجب التغلب على بعض قوى التجاذب بين جزيئات المذيب
3. تتكوّن قوى تجاذب جديدة بين المذاب والمذيب

يميل الذوبان إلى أن يكون أكثر ملاءمة عندما تعوّض التفاعلات الجديدة بدرجة كافية عن التفاعلات التي كان لا بد من التغلب عليها.

ولهذا تذوب المواد الجزيئية القطبية غالبًا بصورة جيدة في المذيبات القطبية مثل الماء.

فعلى سبيل المثال، يمتزج الميثانول بسهولة بالماء. ويمكن لمنطقة O-H القطبية فيه أن تشارك في تكوين روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء.

أما الجزيئات غير القطبية فتتفاعل عادةً بقوة أقل مع الماء. وغالبًا ما تكون أكثر قابلية للذوبان في المذيبات غير القطبية، حيث تكون تفاعلات قوى التشتت أكثر توافقًا مع التفاعلات الموجودة أصلًا.

لا تختصر الفكرة إلى «المادة القطبية تذوب دائمًا في مادة قطبية». فالحجم الجزيئي مهم أيضًا. قد يحتوي الجزيء على مجموعة قطبية واحدة، لكنه يمتلك كذلك منطقة غير قطبية كبيرة جدًا، وهذا قد يقلل ذوبانيته في الماء بدرجة كبيرة.

12طريقة موثوقة للانتقال من البنية إلى الخاصية

عندما يطلب منك سؤال في HSC ربط البنية الجزيئية بخاصية يمكن ملاحظتها، تجنب الانتقال مباشرةً من الصيغة إلى الخاصية.

اتبع التسلسل:

\[ \text{البنية} \rightarrow \text{القطبية} \rightarrow \text{القوى بين الجزيئية} \rightarrow \text{الطاقة المطلوبة} \rightarrow \text{الخاصية} \]

وفي مقارنة درجات الغليان، قد يصبح ذلك:

يحتوي الجزيء X على رابطة O-H ويمكنه تكوين روابط هيدروجينية بين جزيئاته. ولا يستطيع الجزيء Y تكوين روابط هيدروجينية بين جزيئاته. لذلك يمتلك X قوى تجاذب بين جزيئية أقوى، ومن ثم يلزم مزيد من الطاقة لفصل جزيئاته وتحويلها إلى الحالة الغازية. ونتيجة لذلك، تكون درجة غليان X أعلى.

هذا التفسير أقوى بكثير من مجرد كتابة: «لدى X روابط هيدروجينية، لذلك درجة غليانه أعلى».

الخطوة الوسطى المفقودة هي الفيزياء: يلزم مزيد من الطاقة لفصل الجزيئات.

13أكثر المفاهيم الخاطئة إغراءً: «الروابط التساهمية القوية تعني درجة غليان مرتفعة»

افترض أن الميثان، \(\ce{CH4}\)، يُغلى.

قد يستنتج طالب أنه بما أن روابط C-H تساهمية، والروابط التساهمية قوية، فلا بد أن تكون للميثان درجة غليان مرتفعة جدًا.

العبارة الأولى صحيحة. لكن الاستنتاج غير صحيح.

أثناء الغليان، تتباعد جزيئات الميثان:

\[ \ce{CH4(l) -> CH4(g)} \]

وتظل الروابط التساهمية C-H سليمة. فالتحول في الحالة الفيزيائية يتغلب أساسًا على قوى التجاذب بين الجزيئية الموجودة بين جزيئات الميثان المنفصلة.

الميثان صغير وغير قطبي، ولذلك فإن قوى التجاذب بين جزيئاته هي قوى تشتت لندن ضعيفة نسبيًا. ولهذا تكون له درجة غليان منخفضة رغم وجود روابط تساهمية قوية داخل كل جزيء.

قارن ذلك بالألماس. يحتوي الألماس على شبكة تساهمية متصلة. ولكي تعطل بنيته، لا يمكنك ببساطة فصل جزيئات منفصلة لأنه لا توجد جزيئات منفصلة أصلًا. وهذا الاختلاف هو السبب في أن المواد الجزيئية والمواد الشبكية التساهمية يمكن أن تمتلك خواص فيزيائية مختلفة بدرجة كبيرة.

14أسئلة وحلول

السؤال 1

اليود، \(\ce{I2}\)، مادة جزيئية غير قطبية. حدّد القوة الرئيسية بين الجزيئية بين جزيئات اليود، وفسّر كيف يمكن أن توجد هذه القوة رغم أن الجزيئات غير قطبية.

الحل 1

قوة التجاذب الرئيسية بين جزيئات \(\ce{I2}\) هي قوى تشتت لندن.

تتحرك الإلكترونات داخل جزيء اليود باستمرار. وفي أي لحظة قد تتوزع بصورة غير متساوية، فتُنشئ ثنائي قطب مؤقتًا. ويمكن لثنائي القطب المؤقت هذا أن يشوّه السحابة الإلكترونية لجزيء \(\ce{I2}\) مجاور ويستحث فيه ثنائي قطب آخر.

فتتجاذب الشحنات الجزئية المؤقتة المتعاكسة.

الخطأ المهم هو افتراض أن غير القطبي يعني «لا توجد قوى بين جزيئية». تتعرض جميع الذرات والجزيئات لقوى تشتت لندن لأن جميعها تحتوي على إلكترونات متحركة.

السؤال 2

الميثان، \(\ce{CH4}\)، والإيثان، \(\ce{C2H6}\)، كلاهما جزيئان غير قطبيين. وللإيثان درجة غليان أعلى.

فسّر هذا الاختلاف باستخدام البنية الجزيئية والقوى بين الجزيئية.

الحل 2

للإيثان درجة غليان أعلى لأن سحابته الإلكترونية الأكبر تؤدي إلى قوى تشتت لندن أقوى.

كل من الميثان والإيثان غير قطبي، لذلك تهيمن قوى التشتت على قوى التجاذب بين جزيئاتهما. يحتوي جزيء الإيثان على عدد أكبر من الإلكترونات، وله سحابة إلكترونية أكبر وأكثر قابلية للاستقطاب من جزيء الميثان.

وهذا يجعل ثنائيات القطب المؤقتة والمستحثة أقوى عمومًا في الإيثان.

لذلك يلزم مزيد من الطاقة لفصل جزيئات الإيثان إلى الحالة الغازية، مما يمنح الإيثان درجة غليان أعلى.

الخطأ هو الاعتقاد بأنه بما أن المادتين تمتلكان النوع نفسه من القوة بين الجزيئية، فلا بد أن تكون درجتا غليانهما متشابهتين. فما زالت قوة ذلك النوع من التجاذب قادرة على الاختلاف.

السؤال 3

يحتوي ثاني أكسيد الكربون، \(\ce{CO2}\)، على روابط C=O قطبية. ويحتوي الماء، \(\ce{H2O}\)، على روابط O-H قطبية.

فسّر لماذا يكون \(\ce{CO2}\) غير قطبي في مجمله بينما يكون \(\ce{H2O}\) قطبيًا، وحدّد أقوى نوع من قوى التجاذب بين الجزيئية الذي يُركّز عليه عادةً لكل مادة.

الحل 3

يكون \(\ce{CO2}\) غير قطبي في مجمله لأن ثنائيات قطب روابطه تلغي بعضها بعضًا، بينما يكون \(\ce{H2O}\) قطبيًا لأن ثنائيات قطب روابطه لا تلغي بعضها بعضًا.

ثاني أكسيد الكربون خطي. ويشير ثنائيا قطب رابطتي C=O المتساويان في اتجاهين متعاكسين، ولذلك يكون مجموعهما المتجهي صفرًا. وبالتالي لا يمتلك \(\ce{CO2}\) ثنائي قطب جزيئيًا دائمًا، وتهيمن قوى تشتت لندن على قوى التجاذب بين جزيئاته.

أما الماء فمنحني. ويشير ثنائيا قطب رابطتي O-H بزاوية بدلًا من أن يتجها مباشرةً في اتجاهين متعاكسين، ولذلك لا يلغي أحدهما الآخر. يمتلك الماء ثنائي قطب جزيئيًا دائمًا.

وبما أن الهيدروجين مرتبط مباشرةً بالأكسجين، تستطيع جزيئات الماء أيضًا تكوين روابط هيدروجينية بعضها مع بعض. ولذلك فإن الروابط الهيدروجينية هي قوة التجاذب بين الجزيئية التي يُركّز عليها عادةً عند تفسير الخواص الفيزيائية للماء.

الخطأ هو تحديد قطبية الجزيء اعتمادًا على قطبية الروابط وحدها. يجب أيضًا مراعاة الشكل الجزيئي.

السؤال 4

لسائلين جزيئيين، P وQ، كتل مولية متشابهة.

يحتوي P على جزيئات بنيتها \(\ce{CH3CH2OH}\).

ويحتوي Q على جزيئات بنيتها \(\ce{CH3OCH3}\).

يقول طالب:

«يحتوي كلا المركبين على الأكسجين، لذلك ينبغي أن يُكوّنا روابط هيدروجينية متساوية القوة بين جزيئاتهما.»

قيّم استدلال الطالب وتوقّع أي السائلين ينبغي أن تكون له درجة غليان أعلى.

الحل 4

استدلال الطالب غير صحيح، وينبغي أن تكون لـ P، أي \(\ce{CH3CH2OH}\)، درجة غليان أعلى.

يحتوي P على رابطة O-H. فالهيدروجين فيه مرتبط مباشرةً بذرة الأكسجين عالية الكهرسالبية، مما يسمح لجزيئات P بتكوين روابط هيدروجينية بعضها مع بعض.

يحتوي Q على ذرة أكسجين لها أزواج إلكترونية منفردة، لكن ذرات الهيدروجين فيه مرتبطة بالكربون بدلًا من ارتباطها مباشرةً بالأكسجين. ولذلك لا يستطيع Q تكوين النوع نفسه من تفاعلات الروابط الهيدروجينية بين جزيئاته.

لا تزال كلتا المادتين تتعرضان لقوى تشتت لندن، وكلتاهما قطبية بما يكفي للتعرض لتفاعلات ثنائي القطب-ثنائي القطب. لكن P يمتلك بالإضافة إلى ذلك تفاعل الروابط الهيدروجينية القوي.

لذلك يلزم مزيد من الطاقة لفصل جزيئات P أثناء الغليان، فتكون لـ P درجة غليان أعلى.

المفهوم الخاطئ هو أن مجرد احتواء المادة على N أو O أو F يمنح المادة النقية تلقائيًا روابط هيدروجينية. فموضع ذرات الهيدروجين مهم.

السؤال 5

أُعطي طالب ثلاث مواد:

• تتكوّن A من جزيئات منفصلة صغيرة غير قطبية.
• تتكوّن B من جزيئات منفصلة قطبية قادرة على تكوين روابط هيدروجينية.
• تتكوّن C من ذرات مرتبطة بروابط تساهمية ضمن شبكة متصلة ثلاثية الأبعاد.

يتوقع الطالب أن ترتيب درجات الغليان يجب أن يكون:

\[ A < B < C \]

فسّر لماذا يُعد الاستدلال وراء مقارنة A وB منطقيًا، ولكن فسّر أيضًا لماذا سيكون من غير الصحيح وصف سلوك C ببساطة بأنه ناتج عن «قوى بين جزيئية أقوى».

الحل 5

تُعد المقارنة \(A < B\) معقولة إذا كانت الأحجام الجزيئية متقاربة بدرجة كافية، لكن يجب تفسير C باستخدام الترابط الشبكي التساهمي، وليس باستخدام قوى بين جزيئية أقوى.

تتكوّن A من جزيئات صغيرة غير قطبية، لذلك تُمسك جزيئاتها بعضها ببعض أساسًا قوى تشتت لندن الضعيفة نسبيًا.

تستطيع B تكوين روابط هيدروجينية بين جزيئاتها. وتتطلب قوى التجاذب بين الجزيئية الأقوى هذه عمومًا طاقة أكبر للتغلب عليها، ولذلك تكون لـ B عادةً درجة غليان أعلى من مادة جزيئية صغيرة غير قطبية مماثلة.

أما C فهي مختلفة جوهريًا. فهي لا تتكوّن من جزيئات منفصلة تمسكها قوى تجاذب بين جزيئية. بل تمتد الروابط التساهمية عبر شبكة متصلة.

الخطأ هو محاولة وضع كل مادة تساهمية على مقياس واحد للقوى بين الجزيئية. فالقوى بين الجزيئية تصف قوى التجاذب بين الجزيئات المنفصلة. وفي الشبكة التساهمية، لا توجد جزيئات منفصلة تؤدي هذا الدور.

ونتيجة لذلك، يتطلب تعطيل بنية C التغلب على ترابط تساهمي ممتد، بدلًا من مجرد فصل جزيئات سليمة.

السؤال 6

كلوريد الهيدروجين النقي، \(\ce{HCl}\)، مادة جزيئية تساهمية. لذلك يتوقع طالب:

«ينبغي ألا توصل عينة تحتوي على HCl الكهرباء، لأن المواد الجزيئية التساهمية لا تحتوي على أيونات متحركة.»

هذا التوقع صحيح بالنسبة إلى \(\ce{HCl}\) الغازي، لكن محلول HCl المائي يوصل الكهرباء بقوة.

فسّر لماذا لا تتناقض هاتان الملاحظتان.

الحل 6

لا يوجد تناقض لأن الجسيمات الموجودة تتغير عندما يتفاعل \(\ce{HCl}\) مع الماء.

يتكوّن كلوريد الهيدروجين الغازي أساسًا من جزيئات \(\ce{HCl}\) متعادلة. وهذه لا توفر أيونات متحركة يمكنها حمل التيار الكهربائي.

لكن في الماء، ينقل كلوريد الهيدروجين بروتونًا إلى الماء:

\[ \ce{HCl(g) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)} \]

لذلك يحتوي المحلول المائي على أيونات \(\ce{H3O+}\) و\(\mathrm{Cl}^{-}\) متحركة. ويمكن لهذه الجسيمات المشحونة أن تتحرك عبر المحلول وتحمل التيار الكهربائي.

الافتراض الخفي في حجة الطالب هو أن المادة يجب أن تحتوي بعد ذوبانها على الجسيمات نفسها تمامًا التي كانت تحتوي عليها قبله. وهذا ليس صحيحًا دائمًا. عند تفسير التوصيل الكهربائي، حدّد الجسيمات الموجودة فعليًا في الظروف المذكورة بدلًا من الاعتماد فقط على نوع الترابط في المادة الأصلية.

15ما الذي يتيح لك هذا تفسيره بعد ذلك؟

بمجرد أن تتمكن بثقة من الانتقال من الشكل الجزيئي إلى القطبية، ثم إلى القوى بين الجزيئية والخواص التي يمكن ملاحظتها، تصبح عدة أفكار لاحقة أسهل.

يمكنك تفسير سبب امتلاك مواد ذات صيغ متشابهة درجات غليان مختلفة جدًا، ولماذا تذوب بعض المواد الجزيئية بسهولة في الماء بينما لا تذوب مواد أخرى، ولماذا يمكن لمادة جزيئية نقية أن تتصرف بصورة مختلفة بعد تفاعلها مع مذيب.

المقارنة المفيدة التالية هي مع البنى الأيونية والبنى الشبكية التساهمية. عندها يتغير السؤال من «ما الذي يمسك الجزيئات بعضها ببعض؟» إلى «هل توجد أصلًا جزيئات منفصلة؟» وغالبًا ما يكون هذا القرار البنيوي أسرع طريق لتفسير درجة انصهار المادة، وموصليتها الكهربائية، وذوبانيتها، وحالتها الفيزيائية.