الترابط بين الجزيئات في الكحولات: شرح كيمياء HSC

في درجة حرارة الغرفة، يكون الإيثانول سائلاً، بينما يكون ثنائي ميثيل الإيثر غازاً. قد يبدو ذلك غريباً للوهلة الأولى لأن كليهما له الصيغة الجزيئية \(\ce{C2H6O}\)، ولذلك فلهما الكتلة المولية نفسها والأعداد نفسها من كل نوع من الذرات.

قبل المتابعة، توقّع أيهما ينبغي أن تكون له درجة غليان أعلى. إذا نظرت فقط إلى الصيغة الجزيئية، فقد تتوقع أن تكون درجتا غليانهما متقاربتين. في الواقع، يغلي الإيثانول عند نحو \(78^\circ\text{C}\)، بينما يغلي ثنائي ميثيل الإيثر عند نحو \(-25^\circ\text{C}\).

لا يكمن الاختلاف في عدد الذرات التي يحتويها كل منهما، بل في كيفية ارتباط هذه الذرات ببعضها، وبالتالي في كيفية تجاذب الجزيئات المتجاورة.

01التمييز المهم: الروابط داخل الجزيئات والقوى بين الجزيئات

لجزيء الإيثانول البنية \(\ce{CH3CH2OH}\). داخل جزيء إيثانول واحد، ترتبط الذرات بروابط تساهمية:

• \(\ce{C-C}\)
• \(\ce{C-H}\)
• \(\ce{C-O}\)
• \(\ce{O-H}\)

هذه روابط داخل جزيئية. وتعني السابقة intra- «داخل».

كما تتجاذب جزيئات الإيثانول المنفصلة بعضها مع بعض. وتُسمّى هذه التجاذبات قوى بين جزيئية. وتعني السابقة inter- «بين».

يهم هذا التمييز كلما غلى سائل. فغلي الإيثانول لا يكسر عادةً روابطه التساهمية \(\ce{O-H}\) أو \(\ce{C-O}\). بل يمنح الجزيئات طاقة كافية للتغلب على التجاذبات التي تُبقي جزيئات الإيثانول المختلفة قريبة من بعضها.

02لماذا تستطيع جزيئات الكحول تكوين روابط هيدروجينية؟

الأكسجين أعلى بكثير من الهيدروجين في السالبية الكهربائية. ففي الرابطة التساهمية \(\ce{O-H}\)، تقضي الإلكترونات المشتركة وقتاً أطول بالقرب من الأكسجين.

لذلك تكون الرابطة قطبية:

\[ \ce{O^{\delta-}-H^{\delta+}} \]

يرمز \(\delta-\) إلى شحنة سالبة جزئية، بينما يرمز \(\delta+\) إلى شحنة موجبة جزئية.

كما تحتوي ذرة الأكسجين على أزواج إلكترونية حرة. وينشأ عن ذلك تجاذب قوي بصورة خاصة بين:

• ذرة الهيدروجين ذات الشحنة الموجبة الجزئية والمرتبطة بالأكسجين في أحد الجزيئات، و
• زوج إلكتروني حر على ذرة الأكسجين في جزيء آخر.

يُسمّى هذا التجاذب رابطة هيدروجينية.

يمكنك تصوّر جزيء الكحول ببساطة كشخص في حفلة لديه يد يمكنه مدّها، وموضع آخر يستطيع شخص آخر الإمساك به. تسمح مجموعة \(\ce{O-H}\) لجزيئات الكحول ببناء شبكة مؤقتة بدلاً من أن تتصرف كجسيمات مستقلة تماماً.

لكن لهذا التشبيه حدود. فالجزيئات لا تختار شركاءها عمداً، كما أن الروابط الهيدروجينية تتكوّن وتنكسر باستمرار لأن الجزيئات في حركة دائمة. وهي تجاذبات كهروستاتيكية، وليست خطافات مادية صغيرة.

03للكحولات أكثر من نوع واحد من القوى بين الجزيئية

من الأخطاء الشائعة أن تكتب: «توجد في الكحولات روابط هيدروجينية»، ثم تتوقف عند ذلك.

الترابط الهيدروجيني مهم، لكنه ليس التجاذب الوحيد الموجود بين الجزيئات.

تعمل القوى الثلاث جميعها في الوقت نفسه.

يعطيك هذا قاعدة مهمة للامتحان: لا تتخيل أن الجزيئات تختار نوعاً واحداً من القوى بين الجزيئية وتُعطّل الأنواع الأخرى. فقولنا إن الترابط الهيدروجيني هو أقوى نوع موجود لا يعني أن قوى تشتت لندن تختفي.

04لماذا للكحولات درجات غليان مرتفعة على نحو غير معتاد؟

لكي يغلي سائل، تحتاج جزيئاته إلى طاقة كافية للابتعاد عن بعضها ودخول الطور الغازي.

قارن الإيثانول، \(\ce{CH3CH2OH}\)، بالإيثان، \(\ce{CH3CH3}\).

يمتلك الإيثان قوى تشتت لندن. ويمتلك الإيثانول أيضاً قوى تشتت، لكنه يمتلك بالإضافة إلى ذلك تجاذبات دائمة من نوع ثنائي القطب-ثنائي القطب، والأهم من ذلك، ترابطاً هيدروجينياً بين الجزيئات.

لذلك تلزم طاقة أكبر لفصل جزيئات الإيثانول عن بعضها.

ولهذا تكون درجات غليان الكحولات عموماً أعلى بكثير من درجات غليان الهيدروكربونات المتقاربة معها في الحجم.

لاحظ ما لا نقوله هنا. نحن لا نقول إن الرابطة التساهمية \(\ce{O-H}\) يجب أن تنكسر عندما يغلي الإيثانول. فجزيئات الإيثانول تظل جزيئات إيثانول.

05ماذا يتغير عندما تصبح سلسلة الكحول أطول؟

قارن الآن الكحولات الأولية ذات السلسلة المستقيمة:

\[ \ce{CH3OH,\ CH3CH2OH,\ CH3CH2CH2OH,\ CH3CH2CH2CH2OH} \]

وهي الميثانول والإيثانول والبروبان-1-ول والبيوتان-1-ول.

تنتمي هذه المركبات إلى السلسلة المتجانسة نفسها. ويختلف كل عضو تالٍ عن سابقه بوحدة \(\ce{CH2}\) واحدة.

وهنا الجزء المثير للاهتمام. ما زال كل جزيء يحتوي على مجموعة \(\ce{-OH}\) واحدة، ولذلك تستطيع الجزيئات الأربعة جميعها تكوين روابط هيدروجينية. ومع ذلك تستمر درجات غليانها في الارتفاع.

قبل قراءة التفسير، توقّع السبب. هل تصبح الروابط الهيدروجينية أقوى بكثير مع نمو السلسلة الكربونية؟

لا. هذا تفسير مغرٍ لكنه غير مكتمل.

نمو السلسلة الكربونية يقوّي قوى تشتت لندن

كلما اكتسب الجزيء ذرات كربون وهيدروجين إضافية:

• احتوى على عدد أكبر من الإلكترونات،
• أصبحت سحابته الإلكترونية أكثر قابلية للاستقطاب،
• ازدادت المساحة الجزيئية التي يمكن للجزيئات المتجاورة أن تتفاعل عبرها، و
• أصبحت تجاذبات تشتت لندن أقوى بصورة عامة.

تظل قدرة مجموعة \(\ce{-OH}\) الواحدة على تكوين روابط هيدروجينية موجودة، لكن مساهمة قوى التشتت تصبح أكبر تدريجياً مع نمو الجزء الهيدروكربوني.

وبالنسبة إلى أول بضعة كحولات ذات سلاسل مستقيمة، يكون اتجاه درجات الغليان تقريباً:

\[ \text{الميثانول} < \text{الإيثانول} < \text{البروبان-1-ول} < \text{البيوتان-1-ول} \]

وتبلغ درجات غليانها تقريباً \(65^\circ\text{C}\)، و\(78^\circ\text{C}\)، و\(97^\circ\text{C}\)، و\(118^\circ\text{C}\)، على الترتيب.

لذلك فالتفسير الصحيح ليس «الكحولات الأكبر حجماً لديها ترابط هيدروجيني».

فجميعها لديها ترابط هيدروجيني.

المقارنة المفيدة هي أن الكحولات الأكبر حجماً تمتلك تجاذبات كلية أقوى بين الجزيئات، ويرجع ذلك بوجه خاص إلى ازدياد قوى تشتت لندن مع ازدياد حجم الجزيء.

06لماذا تذوب الكحولات الصغيرة جيداً جداً في الماء؟

يُكوّن الماء شبكة واسعة من الروابط الهيدروجينية.

عند إضافة الميثانول أو الإيثانول، تستطيع مجموعة \(\ce{-OH}\) فيه المشاركة في تلك الشبكة:

\[ \ce{alcohol-O-H \bond{...} O-water} \]

و

\[ \ce{water-O-H \bond{...} O-alcohol} \]

لذلك يستطيع جزيء الكحول أن يتبرع بروابط هيدروجينية ويستقبلها أيضاً.

بالنسبة إلى الكحولات قصيرة السلسلة، يكون للمجموعة القطبية \(\ce{-OH}\) تأثير كبير في سلوك الجزيء بأكمله. ويمتزج الميثانول والإيثانول والبروبان-1-ول بسهولة كبيرة مع الماء.

ومع ازدياد طول السلسلة، تصبح مجموعة الألكيل غير القطبية أكثر أهمية. وهنا تحاول مجموعة \(\ce{-OH}\) واحدة أن تجعل جزيئاً أكبر بكثير يتفاعل بصورة ملائمة مع الماء.

يمكنك تصوّر الأمر كمجموعة من الأشخاص يزداد حجمها بينما لا تزال لا تملك سوى دعوة واحدة إلى حفلة الماء. تكون هذه الدعوة الواحدة مهمة جداً عندما تكون المجموعة صغيرة للغاية. لكنها تصبح أقل إثارة للإعجاب عندما تنضم إليها أربع أو خمس ذرات كربون أخرى.

ومرة أخرى، هذا التشبيه مجرد صورة ذهنية. فالذوبانية تحددها النتائج المشتركة من حيث الطاقة والإنتروبيا لكسر التفاعلات الموجودة وتكوين تفاعلات جديدة.

07يمكن لدرجة الغليان والذوبانية في الماء أن تتغيرا في اتجاهين متعاكسين

هذه من أكثر الأفكار المفيدة التي ينبغي فهمها جيداً.

لنفترض أننا انتقلنا من الإيثانول إلى البيوتان-1-ول.

يمتلك الجزيء الأكبر قوى تشتت لندن أقوى، ولذلك تكون درجة غليانه أعلى.

لكن منطقته غير القطبية الأكبر تجعل التفاعل الملائم مع الماء أقل هيمنة، ولذلك تكون ذوبانيته في الماء أقل.

لا يوجد أي تناقض.

لا تعني «قوى بين جزيئية أقوى» تلقائياً «ذوبانية أكبر».

تعتمد الذوبانية على التجاذبات النسبية بين جميع الجسيمات المعنية:

• تجاذبات المذاب-المذاب،
• تجاذبات المذيب-المذيب، و
• تجاذبات المذاب-المذيب.

وبالنسبة إلى ذوبان الكحولات في الماء، تشمل الفئة الثالثة الترابط الهيدروجيني بين الكحول والماء. لكن لا يمكن تجاهل تأثير نمو السلسلة الكربونية غير القطبية.

08ماذا يغيّر التفرّع؟

طول السلسلة ليس الخاصية البنيوية الوحيدة المهمة.

تأمل كحولين لهما الصيغة الجزيئية نفسها. إذا كان أحدهما أكثر تفرعاً، فإنه يكون عادةً أكثر تراصاً.

يمتلك الجزيء المتراص عموماً تماساً سطحياً فعالاً أقل مع الجزيئات المجاورة مقارنة بجزيء طويل قليل التفرع نسبياً. ويمكن أن يضعف ذلك تجاذبات تشتت لندن.

ونتيجة لذلك، فإن زيادة التفرع بين متماكبات الكحولات المتشابهة تؤدي غالباً إلى خفض درجة الغليان.

وهذه قاعدة أدق من القول إن «الكتلة المولية الأعلى تعني درجة غليان أعلى». فالكتلة المولية مفيدة عندما تكون البنى الأخرى قابلة للمقارنة. لكن الشكل مهم أيضاً.

يمكن أن يتأثر الترابط الهيدروجيني أيضاً بمدى سهولة الوصول إلى مجموعة \(\ce{-OH}\). فقد تكون مجموعة \(\ce{-OH}\) المحاطة بدرجة كبيرة بمجموعات أخرى أقل قدرة على تكوين شبكة بين جزيئية بفعالية مقارنة بمجموعة مكشوفة.

لذلك، بالنسبة إلى المتماكبات، قد تحتاج أحياناً إلى مراعاة الأمرين الآتيين:

1. قوى التشتت والشكل الجزيئي، و
2. مدى سهولة اقتراب الجزيئات بعضها من بعض حول مجموعة \(\ce{-OH}\).

09طريقة موثوقة لمقارنة خواص الكحولات

عندما يطلب منك سؤال في HSC مقارنة درجات الغليان أو التطاير أو الذوبانية، استخدم البنية بدلاً من حفظ قيم منفصلة.

بالنسبة إلى درجة الغليان:

1. تحقّق مما إذا كان الترابط الهيدروجيني ممكناً.
2. تحقّق من وجود ثنائيات قطب جزيئية دائمة.
3. قارن الحجم الجزيئي وعدد الإلكترونات.
4. قارن الشكل والتماس السطحي إذا كانت المواد متماكبات.
5. ناقش مجمل التجاذبات بين الجزيئية، لا أقوى فئة منفردة فقط.

بالنسبة إلى الذوبانية في الماء:

1. حدّد المجموعات التي تستطيع تكوين روابط هيدروجينية مع الماء.
2. قارن حجم المنطقة القطبية بحجم المنطقة الهيدروكربونية غير القطبية.
3. تذكّر أن إطالة السلسلة الكربونية تخفض عموماً ذوبانية الكحول أحادي الهيدروكسيل في الماء.
4. لا تستخدم درجة الغليان وحدها للتنبؤ بالذوبانية.

النقطة الأخيرة تؤدي إلى أخطاء في كثير من الإجابات التي تبدو معقولة من نواحٍ أخرى.

10مفاهيم خاطئة مغرية

11الأسئلة والحلول

السؤال 1

درجة غليان الميثانول أعلى بكثير من درجة غليان الميثان.

فسّر هذا الاختلاف باستخدام القوى بين الجزيئية.

الحل 1

للميثانول درجة غليان أعلى لأن جزيئاته تتعرض للترابط الهيدروجيني وتجاذبات ثنائي القطب-ثنائي القطب وقوى تشتت لندن، بينما لا تتعرض جزيئات الميثان إلا لقوى تشتت لندن.

يحتوي الميثانول على رابطة قطبية \(\ce{O-H}\). ويمكن للهيدروجين ذي الشحنة الموجبة الجزئية في جزيء ميثانول أن يكوّن رابطة هيدروجينية مع زوج إلكتروني حر على ذرة الأكسجين في جزيء ميثانول آخر.

الميثان، \(\ce{CH4}\)، غير قطبي ولا يستطيع تكوين روابط هيدروجينية.

لذلك تلزم طاقة أكبر لفصل جزيئات الميثانول وتحويلها إلى الطور الغازي.

ومن الإجابات المغرية أن تقول ببساطة: «يحتوي الميثانول على روابط أقوى». هذه الصياغة مبهمة أكثر من اللازم، وقد توحي بأن الروابط التساهمية تُكسر. والمقارنة المهمة هي بين التجاذبات بين الجزيئية في المادتين.

السؤال 2

تظهر أدناه درجات غليان أربعة كحولات ذات سلاسل مستقيمة.

احسب متوسط الزيادة في درجة الغليان لكل ذرة كربون إضافية من الميثانول إلى البيوتان-1-ول. ثم فسّر لماذا ترتفع درجة الغليان مع أن كل جزيء يحتوي على مجموعة \(\ce{-OH}\) واحدة فقط.

الحل 2

يبلغ متوسط الزيادة في درجة الغليان نحو \(17.7^\circ\text{C}\) لكل ذرة كربون إضافية، ويُفسَّر الارتفاع أساساً بازدياد قوى تشتت لندن، وليس بازدياد قوة الروابط الهيدروجينية تدريجياً.

من الميثانول إلى البيوتان-1-ول، تُضاف ثلاث ذرات كربون إجمالاً.

الزيادة الكلية في درجة الغليان هي:

\[ 117.7 - 64.7 = 53.0^\circ\text{C} \]

توجد ثلاث إضافات متتالية لوحدة \(\ce{CH2}\) تحتوي على الكربون، ولذلك:

\[ \frac{53.0^\circ\text{C}}{3}=17.7^\circ\text{C} \]

لكل ذرة كربون مضافة في المتوسط.

يستطيع كل عضو في السلسلة تكوين روابط هيدروجينية لأن كلاً منها يحتوي على مجموعة \(\ce{-OH}\) واحدة. لكن مع زيادة طول السلسلة، تحتوي الجزيئات على عدد أكبر من الإلكترونات وعلى سحب إلكترونية أكبر وأكثر قابلية للاستقطاب. ولذلك تصبح تجاذبات تشتت لندن أقوى.

يجب توفير طاقة أكبر لفصل الجزيئات، ولذلك ترتفع درجة الغليان.

النهج المغري هو أن تنسب الاتجاه بأكمله إلى الترابط الهيدروجيني. لكن هذا يتجاهل الخاصية التي تتغير فعلياً بصورة منتظمة: حجم السلسلة الهيدروكربونية. والقيمة المحسوبة \(17.7^\circ\text{C}\) ليست سوى متوسط لهذه المركبات، وليست قاعدة تقضي بأن كل ذرة كربون مضافة يجب أن ترفع درجة الغليان بهذه القيمة بالضبط.

السؤال 3

للإيثانول، \(\ce{CH3CH2OH}\)، وثنائي ميثيل الإيثر، \(\ce{CH3OCH3}\)، كتلة مولية تبلغ نحو \(46.1\text{ g mol}^{-1}\) لكل منهما.

يغلي الإيثانول عند نحو \(78^\circ\text{C}\)، بينما يغلي ثنائي ميثيل الإيثر عند نحو \(-25^\circ\text{C}\).

فسّر سبب الاختلاف الكبير بين درجتي غليانهما. يجب أن تشير إجابتك إلى البنية الجزيئية بدلاً من مجرد القول إن للإيثانول «قوى أقوى».

الحل 3

للإيثانول درجة غليان أعلى بكثير لأن بنيته تسمح لجزيئات الإيثانول المتجاورة بتكوين روابط هيدروجينية بين الجزيئات، في حين لا تستطيع جزيئات ثنائي ميثيل الإيثر تكوين روابط هيدروجينية بعضها مع بعض بالطريقة نفسها.

يحتوي كلا الجزيئين على الأكسجين وهما قطبيان. ولذلك يتعرض كلاهما لتجاذبات ثنائي القطب-ثنائي القطب وكذلك لقوى تشتت لندن.

الاختلاف البنيوي الحاسم هو رابطة \(\ce{O-H}\).

في الإيثانول، يحمل الهيدروجين المرتبط مباشرة بالأكسجين شحنة موجبة جزئية. ويمكنه أن يتفاعل بقوة مع زوج إلكتروني حر على أكسجين جزيء إيثانول مجاور.

يحتوي ثنائي ميثيل الإيثر على ذرة أكسجين لها أزواج إلكترونية حرة، ولذلك يمكنه استقبال رابطة هيدروجينية من جزيء مناسب. لكنه لا يحتوي على هيدروجين مرتبط مباشرة بالأكسجين. ولذلك، في عينة نقية، لا تستطيع جزيئات ثنائي ميثيل الإيثر توفير مانح الرابطة الهيدروجينية المطلوب بعضها لبعض.

ولأن للمركبين كتلتين موليتين متقاربتين جداً، فلا يمكن للحجم الجزيئي وحده أن يفسر فرقاً في درجة الغليان يتجاوز \(100^\circ\text{C}\).

والحجة المغرية هي: «كلاهما يحتوي على الأكسجين، إذن كلاهما يكوّن روابط هيدروجينية». لكن مجرد وجود ذرة أكسجين لا يكفي. ولكي يحدث ترابط هيدروجيني قوي بين جزيئات متماثلة، يحتاج الجزيء إلى هيدروجين مرتبط بطريقة مناسبة، بالإضافة إلى ذرة كهروسالبة لها زوج إلكتروني حر.

السؤال 4

تأمل البيانات التجريبية الآتية.

يجادل أحد الطلاب قائلاً:

إيثوكسي إيثان قطبي، بينما البنتان غير قطبي. لذلك لا بد أن تكون درجة غليان إيثوكسي إيثان أعلى بكثير من درجة غليان البنتان.

فسّر لماذا لا تدعم البيانات هذا الاستدلال، ثم فسّر درجات غليان المواد الثلاث جميعها.

الحل 4

قاعدة الطالب غير مكتملة: فنوع القوة بين الجزيئية الموجودة لا يحدد درجة الغليان بمفرده، وتُظهر البيانات المقاسة أن لإيثوكسي إيثان والبنتان درجتي غليان متشابهتين جداً رغم أن إيثوكسي إيثان قطبي.

للبيوتان-1-ول أعلى درجة غليان لأنه يستطيع تكوين روابط هيدروجينية بين الجزيئات عبر مجموعة \(\ce{-OH}\). كما أنه يتعرض لتجاذبات ثنائي القطب-ثنائي القطب وقوى تشتت لندن. ولذلك تلزم طاقة كبيرة لفصل جزيئاته.

إيثوكسي إيثان قطبي، ولذلك يتعرض لتجاذبات ثنائي القطب-ثنائي القطب إضافة إلى قوى تشتت لندن. لكنه لا يحتوي على رابطة \(\ce{O-H}\)، ولا يستطيع تكوين شبكة من الروابط الهيدروجينية في عينة نقية.

البنتان غير قطبي، ولذلك تُصنَّف تجاذباته بين الجزيئية على أنها قوى تشتت لندن. ومع ذلك، فالبنتان جزيء كبير نسبياً يحتوي على خمس ذرات كربون. وسحابته الإلكترونية قابلة للاستقطاب بدرجة ملحوظة، ولذلك تكون تجاذبات تشتت لندن فيه ذات أهمية.

الملاحظة الأساسية هي:

\[ 35^\circ\text{C}\approx36^\circ\text{C} \]

لذلك لا ينتج عن التجاذب الإضافي من نوع ثنائي القطب-ثنائي القطب في إيثوكسي إيثان تفوق كبير في درجة الغليان على البنتان. ويجب مراعاة الحجم الجزيئي والشكل وقابلية السحابة الإلكترونية للاستقطاب وجميع التجاذبات بين الجزيئية معاً.

النهج المغري هو حفظ تدرج مثل «الترابط الهيدروجيني \(>\) ثنائي القطب-ثنائي القطب \(>\) التشتت» واستخدامه كترتيب تلقائي لدرجات الغليان. يصف هذا التدرج شدة التفاعلات المعتادة تحت ظروف قابلة للمقارنة. لكنه لا يعني أن كل جزيء قطبي يجب أن يغلي عند درجة أعلى من كل جزيء غير قطبي بغض النظر عن الحجم والشكل.

السؤال 5

كلما ازداد طول كحول أحادي الهيدروكسيل ذي سلسلة مستقيمة، ارتفعت درجة غليانه عموماً بينما انخفضت ذوبانيته في الماء عموماً.

يقول أحد الطلاب إن هاتين الملاحظتين تتناقضان:

لا بد أن للكحول الأطول قوى بين جزيئية أقوى لأن درجة غليانه أعلى. وإذا كانت قواه بين الجزيئية أقوى، فينبغي أن يجذبه الماء بقوة أكبر أيضاً، ولذلك يجب أن تزداد ذوبانيته.

قيّم هذا الاستدلال من خلال تتبع التفاعلات التي يجب كسرها وتكوينها أثناء كل من الغليان والذوبان. ثم توقّع كيف ستؤثر إضافة مجموعة \(\ce{-OH}\) ثانية إلى كحول ذي أربع ذرات كربون في درجة غليانه وذوبانيته في الماء، بافتراض أن الهيكل الكربوني متماثل في الجوانب الأخرى.

الحل 5

لا يوجد تناقض: فزيادة طول السلسلة تقوّي تجاذبات التشتت بين جزيئات الكحول وترفع درجة الغليان، وفي الوقت نفسه تجعل مجموعة \(\ce{-OH}\) الواحدة أقل قدرة على الهيمنة على تفاعل الجزيء مع الماء. ومن المتوقع عموماً أن تؤدي إضافة مجموعة \(\ce{-OH}\) ثانية إلى رفع درجة الغليان وزيادة الذوبانية في الماء.

بالنسبة إلى الغليان، ابدأ بكحول نقي.

يحتوي السائل على جزيئات كحول تتجاذب بعضها مع بعض من خلال:

• الترابط الهيدروجيني،
• تجاذبات ثنائي القطب-ثنائي القطب، و
• قوى تشتت لندن.

مع ازدياد طول السلسلة الكربونية، يزداد عدد الإلكترونات وحجم السحابة الإلكترونية القابلة للاستقطاب. ولذلك تصبح تجاذبات تشتت لندن بين جزيئات الكحول أقوى.

ولتبخير السائل، يجب التغلب على هذه التجاذبات بين الجزيئية. وهذا يفسر ازدياد درجة الغليان.

أما الذوبان في الماء فيتضمن تغيراً مختلفاً.

في البداية، توجد:

• تفاعلات كحول-كحول في الكحول، و
• روابط هيدروجينية قوية ماء-ماء في الماء.

ولكي يحدث الامتزاج، يجب تعطيل بعض هذه التفاعلات واستبدالها بتفاعلات كحول-ماء.

يمكن لمجموعة \(\ce{-OH}\) في الكحول تكوين روابط هيدروجينية ملائمة مع الماء. لكن السلسلة الهيدروكربونية المتنامية لا تستطيع تكوين روابط هيدروجينية مكافئة. ومع ازدياد حجم السلسلة الكربونية بينما يظل الجزيء يحتوي على مجموعة \(\ce{-OH}\) واحدة فقط، يصبح الجزء غير القطبي أكثر أهمية تدريجياً.

لذلك تكون النتيجة:

\[ \text{سلسلة كربونية أطول} \rightarrow \begin{cases} \text{تجاذبات كلية أقوى بين جزيئات الكحول} \\ \text{درجة غليان أعلى} \\ \text{توافق نسبي أقل مع الماء} \\ \text{ذوبانية أقل في الماء} \end{cases} \]

خطأ الطالب هو التعامل مع «القوى بين الجزيئية» كما لو كانت كمية عالمية واحدة. يعتمد الغليان أساساً على مدى صعوبة فصل جزيئات السائل النقي. أما الذوبانية فتعتمد على ما إذا كانت التفاعلات بين الجسيمات المختلفة ملائمة بدرجة كافية مقارنة بالتفاعلات الموجودة قبل الامتزاج.

أضف الآن مجموعة \(\ce{-OH}\) ثانية إلى هيكل مشابه مكوّن من أربع ذرات كربون.

يكتسب الجزيء موقعاً إضافياً قادراً على تكوين روابط هيدروجينية. وفي عينة نقية، يسمح ذلك بترابط هيدروجيني بين جزيئي أقوى وأكثر امتداداً، ولذلك ستلزم عموماً طاقة أكبر للتبخر. ومن ثم ينبغي أن ترتفع درجة غليانه.

في الماء، توفر مجموعة \(\ce{-OH}\) الإضافية منطقة قطبية قوية أخرى قادرة على تكوين روابط هيدروجينية مع الماء. وتصبح المساهمة القطبية الآن أكبر بكثير بالنسبة إلى الهيكل نفسه ذي الأربع ذرات كربون، ولذلك ينبغي أن تزداد الذوبانية في الماء أيضاً.

هذه هي الفكرة المحورية المفيدة: تغيير السلسلة الكربونية وتغيير عدد مجموعات \(\ce{-OH}\) يؤديان إلى تأثيرات مختلفة. فإطالة السلسلة الكربونية تقوّي قوى التشتت، بينما تجعل مجموعة قطبية واحدة أقل أهمية نسبياً. أما إضافة مجموعة \(\ce{-OH}\) أخرى فتزيد بدلاً من ذلك قدرة الجزيء على تكوين روابط هيدروجينية.

يصبح هذا التمييز مهماً عندما تنتقل من الاتجاهات البسيطة في الخواص الفيزيائية إلى التنبؤ بسلوك متماكبات الكحولات والمركبات متعددة الهيدروكسيل والجزيئات العضوية التي تحتوي على عدة مجموعات وظيفية مختلفة.