القوى بين الجزيئات

ما الذي يمسك جسيمات المادة معًا؟

ترتبط الجزيئاتُ في الموادّ المختلفة وذرّاتُ الغازات النبيلة بقوى تجاذب ذات أهمّيّة كبيرة في تحديد خصائصها الفيزيائيّة.

• أتوصل إلى المفاهيم الأساسية المتعلقة بالقوى بين الجزيئات.
• أتعرف أنواع قوى التجاذب بين الجزيئات.
• أستكشف أثر قوى التجاذب بين الجزيئات في الخصائص الفيزيائية للمواد.

• قوى التجاذب تنشأ بين جسيمات المادة المتجاورة (جزيئات أو ذرات أو أيونات)، وهي المسؤولة عن خصائص المادة.
• مثل درجتي الغليان والانصهار ولزوجة السوائل، وكذلك تحوّلاتها من حالة فيزيائية إلى أخرى.

• في الغاز قوى التجاذب ضعيفة جدًّا، ما يفسّر قدرته على الانتشار والتدفق بسهولة.
• في السائل قوى التجاذب قوية بما يكفي لثبات حجمه.
• في الصلب قوى التجاذب أكثر قوّة ممّا في السائل، فيثبت حجمه وشكله.

• قوتها تعادل (1-10%) من قوّة الرابطة التساهميّة.
• ثلاثة أنواع أساسية: الروابط الهيدروجينيّة، والقوى ثنائيّة القطب، وقوى لندن.

كم تعادل قوة القوى بين الجزيئات من قوة الرابطة التساهمية؟

الرابطة الهيدروجينية: أقوى قوى التجاذب بين الجزيئات

• تنشأ الرابطة الهيدروجينيّة كما في الجزيئات ($NH_3$, $H_2O$, $HF$).
• في الرابطة ⁦(H-F)⁩ تُزاح الكثافة الإلكترونيّة نحو الفلور، فيكتسب شِحنة جزئيّة سالبة ($\delta^-$)، ويكتسب الهيدروجين شِحنة جزئيّة موجبة ($\delta^+$).
• قطبيّة الرابطة بينهما عالية.
• عند اقتراب جُزَيْئَي $HF$ تنجذب الشِّحنة الجزئيّة الموجبة للهيدروجين نحو زوج إلكترونات غير رابط في فلور الجُزَيْء المجاور، وتنشأ بينهما الرابطة الهيدروجينيّة.

• في الأمونيا تنجذب ذرّة الهيدروجين في الجُزَيْء الأول نحو زوج الإلكترونات غير الرابطة لذرّة النيتروجين من الجُزَيْء الثاني، وتنشأ بينها رابطة هيدروجينيّة.

• في الماء زوجان من الإلكترونات غير الرابطة حول الأكسجين وذرّتا هيدروجين، لكلٍّ منها رابطة هيدروجينيّة مع جزيئات ماء مجاورة، فتنشأ شبكة من الروابط الهيدروجينيّة.

• عدد الروابط الهيدروجينيّة بين جزيئات الماء أكبر من عددها بين جزيئات $HF$ وجزيئات $NH_3$.
• قوّة الرابطة الهيدروجينيّة تعتمد على قطبيّة الرابطة التساهميّة بين الذرّتين في الجُزَيْء.
• قطبيّة الرابطة ⁦(O-H)⁩ أكبر من ⁦(N-H)⁩، فقوّتها في الماء أكبر منها في الأمونيا.
• قطبيّة الرابطة ⁦(H-F)⁩ أكبر من ⁦(H-O)⁩، فقوّتها بين جزيئات $HF$ أكبر منها بين جزيئات الماء.
• طاقة الرابطة مقياس لقوّة الرابطة؛ وطاقة الرابطة الهيدروجينيّة بين جزيئات $HF$ أكبر منها بين الماء والأمونيا (الجدول 7).

• بين جزيئات مختلفة قد تنشأ رابطة هيدروجينيّة أيضًا: عند إذابة الميثانول ($CH_3OH$) في الماء ترتبط جزيئاته بجزيئات الماء برابطة هيدروجينيّة.

أُحَدِّدُ من بين الموادّ الآتية الموادَّ التي ترتبطُ جزيئاتُها بروابطَ هيدروجينيّة: $CH_3NH_2$, $HBr$, $CH_3OH$, $CHCl_3$

لماذا درجة غليان الماء أعلى من درجة غليان $HF$ مع أنّ رابطته الهيدروجينيّة أضعف؟

القوى ثنائية القطب: جزيئات لها طرفان مشحونان

• الجزيئات القطبيّة تتوزّع الكثافة الإلكترونيّة على طرفَي الجُزَيْء توزُّعًا غير متجانس: شِحنة جزئيّة سالبة على طرف، وموجبة على الآخر.
• تسمّى هذه الجزيئات ثنائيّة القطب.

• يَنشأ تنافر بين الأطراف المتماثلة الشِّحنة، لكنّ ترتيب الجزيئات وقوى التجاذب بينها يتغلّب عليه، فتبقى متماسكة في الحالتين السائلة والصُّلبة.

• القوى ثنائيّة القطب تنشأ بين الجزيئات القطبيّة، مثل $BF_2Cl$, $CHCl_3$, $HCl$.
• يزداد تأثيرها بزيادة العزم القطبيّ للجُزَيْء.
• الرابطة الهيدروجينيّة حالة خاصة من القوى ثنائيّة القطب.
• تؤثّر في الحالة الفيزيائيّة ودرجة الغليان وغيرها، وتأثيرها أقلّ من تأثير الروابط الهيدروجينيّة.

• درجة غليان الموادّ التي ترتبط جزيئاتها عمومًا بروابط هيدروجينيّة أعلى منها للموادّ ذات القوى ثنائيّة القطب، أي أنّ الرابطة الهيدروجينيّة أقوى منها.

أُحَدِّدُ الموادَّ التي يُتوقَّعُ أنْ ترتبطَ جزيئاتُها في الحالة السائلة بقوى ثنائيّة القطب: $CO_2$, $BF_3$, $HI$

أُقارنُ: أُرَتِّبُ الموادَّ الآتيةَ تصاعديًّا بحسب درجة غليانها: $CH_3Cl$, $CH_3OH$, $NH_3$

اللصقات الطبية: قوى بين الجزيئات في الصيدلية

• اللصقات البسيطة تُستخدَم في تضميد الجروح، واللصقات الخافضة للآلام الروماتيزميّة في الظهر والرقبة.
• اللصقات عبر الجلد توصّل جُرعات محدّدة من الدواء، مثل المينثول والإستروجين والسكوبولامين، إلى مجرى الدم خلال الجلد.
• تُضاف إلى اللصقة موادُّ لاصقةٌ كيميائيّة تتميّز جُسيماتها بقدرتها على تكوين روابطَ مختلفةٍ مع الجلد لتثبيتها مدّةً كافية.

قوى لندن: كيف تتجاذب الجزيئات غير القطبية؟

• الجزيئات غير القطبيّة يمكن أن تكون متماسكة ومنجذبة نحو بعضها في الحالة السائلة أو الصلبة، رغم أنّها لا تمتلك خصائص قطبيّة.
• العالِم فريتز لندن درس هذه الموادّ فتوصّل إلى وجود قوى تجاذب ضعيفة تربط بين الجزيئات.

• الاستقطاب اللحظي يحدث نتيجة توزيع الإلكترونات غير المُنتظَم؛ فجُزَيْء الكلور $Cl_2$ غير قطبي لأنّ ذرّتيه متساويتان في السالبيّة الكهرَبائيّة.
• بسبب حركة الإلكترونات المستمرّة قد يزداد عددها في أحد الطرفين في لحظة ما، فيكتسب شِحنة جزئيّة سالبة ($\delta^-$).
• وفي تلك اللحظة تظهر على الطرف الآخر شِحنة جزئيّة موجبة ($\delta^+$)، فيصبح الجُزَيْء قطبيًّا.

• سرعان ما تعود الإلكترونات إلى التوزيع المُنتظَم فيفقد الجُزَيْء قطبيّته، فتوصف قطبيّته بالقطبيّة اللحظيّة.
• القطبيّة اللحظيّة تؤثّر في الجزيئات المجاورة فتنشأ فيها قطبيّة لحظيّة أخرى، فتنشأ بين جزيئات الكلور قوى تجاذب لحظيّة تُسمّى ثنائيّة القطب اللحظيّة أو قوى لندن.

• تتكوّن قوى لندن بين جميع الجزيئات والذرّات، إلّا أنّ تأثيرها يكون أكثر وضوحًا بين الجزيئات غير القطبيّة بسبب عدم وجود قوى تجاذب أخرى بينها.

• من أضعف أنواع قوى التجاذب، وتعتمد عمومًا على عدد الإلكترونات في الجُزَيْء أو كتلته الموليّة، فتزداد بزيادتها.
• تتأثّر بأشكال الجزيئات: ثلاثة مركّبات لها الصيغة $C_5H_{12}$ والكتلة الموليّة نفسها تتفاوت في درجة غليانها وطاقة تبخّرها.
• السلسلة الكربونيّة الأطول تعطي قوى لندن أقوى، بسبب زيادة فرصة التجاذب على طول السلسلة.

• درجتا الغليان والانصهار وطاقة التبخّر تزداد عمومًا كلما كانت قوى التجاذب بين الجزيئات أقوى.

• درجة الغليان لمركّبات الهيدروجين لعناصر المجموعات ⁦(4A-7A)⁩ تتزايد بزيادة الكتلة الموليّة، ما يدلّ على زيادة قوى التجاذب بينها.
• $H_2O$, $HF$, $NH_3$ درجة غليانها أعلى بكثير رغم أنّ لها أقلّ كتلة موليّة في مجموعتها، لترابط جزيئاتها بالرابطة الهيدروجينيّة (باستثناء $SbH_3$ مع الأمونيا).

أُحَدِّدُ الموادَّ التي ترتبط جسيماتُها ارتباطًا رئيسًا بقوى لندن في ما يأتي: $HBr$, $SiCl_4$, $Ne$, $CH_3CH_2OH$, $C_3H_8$

أتوقّعُ: أيّ المركّبين له أعلى درجة غليان $C_5H_{12}$ أم $C_3H_8$؟ أبرّر إجابتي.

لماذا درجة غليان $SbH_3$ أعلى من درجة غليان $NH_3$؟

كيف يزيل الصابون الأوساخ؟

• الصابون أملاح دهنيّة صيغتها العامّة $RCOO^-Na^+$.
• تمتلكُ طرفًا أيونيًّا ($COO^-Na^+$) وطرفًا آخرَ ⁦R⁩ وهو سلسلةٌ هيدروكربونيّةٌ طويلةٌ غيرُ قطبيّة.
• الطرف الأيوني يتجاذب مع الأطراف المشحونة للماء وينتشر خلاله.
• الطرفُ الهيدروكربونيُّ غيرُ القطبيّ ⁦R⁩ ينغمسُ داخلَ الأوساخ وينتشرُ بينها ويتجاذبُ مَعَها بقوى لندن، ما يسبِّبُ إضعافَ قوى التجاذب بين جسيمات الأوساخ نفسِها وتشتيتَها.
• عند جريان الماء ينسحبُ الطرفُ الأيونيُّ للصابون مَعَ الماء ساحبًا مَعَهُ الطرفَ الهيدروكربونيّ والأوساخَ المرتبطة به، ما يؤدّي إلى تخلُّص الملابس من تلك الأوساخ.

تجربة: الكتلة المولية ودرجة الغليان

• المطلوب: أحدّد نوع قوى التجاذب بين جسيمات كلٍّ من الموادّ، ثمّ حالتها الفيزيائيّة عند درجة حرارة الغرفة.
• أرسم بيانيًّا العلاقة بين درجة الغليان والكتلة الموليّة لذرّات العناصر النبيلة، ثمّ للموادّ الأخرى على الورقة نفسها بلون مختلف.

أُفَسِّرُ ارتفاعَ درجة غليان الماء مقارنةً ببقية المركّبات في الجدول، على الرغم من أنّها مركّباتٌ لعناصر المجموعة السادسة.

أستنتجُ العلاقةَ بين الكتلة الموليّة للمادّة ودرجة غليان المادّة نفسِها، وعلاقة ذلك كلِّه بقوى التجاذب.

مراجعة الدرس: أختبر نفسي

أُوَضِّحُ سببَ اختلاف المواد في خصائصها الفيزيائيّة.

أُوَضِّحُ المقصودَ بكلٍّ من: الرابطةِ الهيدروجينيّة، قوى لندن.

أُوَضِّحُ تكوُّنَ ثنائيِّ القطب اللحظيّ بين ذرّات الهيليوم ($He$).

أُفَسِّرُ: أ. درجةُ غليان $HOCH_2CH_2OH$ أعلى من درجة غليان $CH_3CH_2OH$.

أُفَسِّرُ: ب. درجة غليان مركّبات عناصر المجموعة الرابعة مرتبة على النَّحو الآتي: ($GeCl_4$ > $SiCl_4$ > $CCl_4$)

أُحَدِّدُ نوعَ قوى التجاذب بين جسيمات كلٍّ من الموادّ الآتية في الحالة السائلة: $CH_2=CH_2$ , $HBr$ , $CH_3CH_2NH_2$ , $He$

أُرَتِّبُ الموادَّ الآتيةَ تصاعديًّا حسب تزايد قوّة التجاذب بين جزيئاتها في الحالة السائلة في الظروف نفسها: $CH_3OH$ , $CH_4$ , $HCl$ , $C_2H_6$

أصوغ فرضية عن أثر الكتلة الموليّة للجزيْء في درجة الغليان للسائل، ثم أصمم استقصاءً لاختبار فرضيتي، أحدد فيه المتغيرات المستقلة والتابعة والمضبوطة.

السبب والنتيجة: ما سبب حدوث الاستقطاب اللحظي في ذرة العنصر؟

أفسر: أحدد درجات غليان المركبات: ($CH_4$, $SiH_4$, $GeH_4$, $SnH_4$) ، ثم أبيّن سبب تفاوتها، بالاستعانة بالرسم البياني في الشكل (41).

البلّورات السائلة: كيف تعمل شاشات العرض؟

• شاشات البلّورات السائلة ⁦Liquid Crystal Display (LCD)⁩ تستخدم البلّورات السائلة ⁦Liquid Crystal⁩، ويعتمد مبدأ عملها على قوى التجاذب بين الجزيئات.
• البلّورات السائلة تجمع بين خصائص المادّتين الصُّلبة والسائلة في الوقت نفسه.
• تترتّب جزيئاتها وتصطفّ باتجاهات محدّدة وفق حالة استقطابها وتحافظ على ترتيبها كما في الموادّ الصُّلبة.
• ويمكنها الانتقال من موقع إلى آخر كما في الموادّ السائلة.

• تتكوّن من جزيئات صُلبة ثنائيّة القطب تتأثّر بالمجال الكهرَبائيّ كما تتأثّر بالضَّوء.
• عند تعرّضها للضَّوء تترتّب جزيئاتها وفقًا لشدّة الضَّوء وفرق الجهد الكهرَبائيّ، فيمرّ الضَّوء وتُعرَض الألوان بواسطة الاستقطاب.