تختلف القوى بين الجزيئات في كل مركب من مركبات المواد، حيث لا تختلط هذه القوى ببعضها البعض. فقد تختلف القوى بين ذرة وذرة أخرى، والذرة الأولى مع ذرة أخرى ثالثة، وهذه القوة تعمل على تماسك المركب بشكل معين وبقوة معينة تختلف عن الأخرى. ولذلك، يجب علينا دراسة قانون فان دير فالز بشكل جيد، حيث توجد قوى التشتت والثنائية القطب والرابطة الهيدروجينية.
قوى الربط بين الذرات
القوة التي تجمع بين الذرات هي القوى الموجودة فعليا بينها، وتختلف هذه القوى عن غيرها ولا تتعارض مع بعضها البعض. تعمل هذه القوى على تماسك الجزيئات وتنقسم إلى قوى داخلية وقوى بين جزيئية، وتختلف كل قوة منها عن الأخرى. تعتبر القوى بين الجزيئات ضعيفة مقارنة بالقوى الداخلية في الجزيء نفسه، ولكنها ضرورية جدا. هذه القوى هي التي تسبب تشكل القطبية الثنائية والأيونية.
قوى ثنائية القطب
تختلف قوى التشتت وقوى الجذب الثنائي، حيث تكون قوى الجذب الثنائي عبارة عن قوى تحمل شحنتين سالبة وموجبة. تتوزع الإلكترونات بالتساوي بين الذرات في الجزيء، ولكن هناك بعض العناصر التي تكون أقرب إلى الإلكترونات من العناصر الأخرى، وبالتالي يمكنها أن تدور حول الذرة بشكل أكبر.
الجزيء القطبي هو الجزيء الذي يحمل جانب إيجابي وجانب سلبي، أما القوة الثنائية القطبية فتحدث عندما يتم جذب الجانب السالب لجزيء معين نحو الجانب الموجب لجزيء آخر، وهذا يؤدي إلى تكوين رابطة جزيئية تجمع بينهما وتجعلهما يتواجدان عن قرب أكبر.
القوى الأيونية ثنائية القطب
تعتبر القوة للأيون ثنائي القطب هي القوة التي تكون بين الأيون والجزيء الثنائي القطب كما أن الأيون هو الذرة التي تفقد أو تكتسب إلكترون أو أكثر فيمكن أن يكون له إشارة سالبة أو إشارة موجبة، فالأيون الموجب هو الذرة التي فقدت الكترون واحد فقط أو أكثر فيكون عدد الالكترونات أقل من عدد البروتونات مما يجعله أيون موجب أما الأيون السالب فهو العكس وهو الذرة التي اكتسبت الكترون واحد أو أكثر فيكون عدد الالكترونات أكبر من عدد البروتونات مما يجعله أيونا سالبا الشحنة.
يتميز الجزيء ثنائي القطب بوجود شحنة موجبة وشحنة سالبة طفيفة، ويمكن أن تحتوي الأيونات على شحنة سالبة أو موجبة، وتتمثل القوة الأيونية في ربط الأيونات معًا، وتستطيع جذب الكاتيونات إلى الجانب السالب من الجزيء ثنائي القطب وجذب الأنيونات إلى الجانب الموجب.
الرابطة الهيدروجينية
ببساطة، الرابطة الهيدروجينية هي القوة التي تجذب بين الهيدروجين الموجب والجزيء أو الذرة السالبة في الجانب الآخر. تعتبر الرابطة الهيدروجينية جزءا من القوى ثنائية القطب، وهناك اختلاف في القدرة الكهربائية بين الذرات الهيدروجينية والذرات الأخرى مثل الأكسجين والنيتروجين وغيرها. يمكن للذرات أن تقترب بشكل كبير من الإلكترونات المشتركة وتصبح موجبة، في حين يكون الهيدروجين مشحون إيجابيا في هذه الحالة. يتم تمثيل الرابطة الهيدروجينية عادة بخط متقطع بين الهيدروجين والزوج غير المشترك للذرة الأخرى من حيث الكهرباء.
التفاعلات والطاقات داخل الجزيئات
يوجد العديد من التفاعلات التي تحدث بين الجزيئات، وكذلك هناك العديد من الطاقات المختلفة، ومنها
- تفاعلات الشحن / غير القطبية
- تفاعلات ثنائي القطب ثنائي القطب
- التفاعلات التي يسببها ثنائي القطب
- تفاعلات ثنائية القطب / غير قطبية
- روابط هيدروجينية
- تفاعلات أيون ثنائي القطب
- تفاعلات ثنائي القطب المستحثة بالأيونات
- تفاعلات أيونية
- التفاعلات بين ذرتين متعادلتين غير قطبيتين
الفرق بين الرابطة الهيدروجينية وثنائية القطب
- روابط التساهم القطبية تحدث عندما تحتوي الذرات على شحنات جزئية متساوية ومتعاكسة في الاتجاه. بمعنى آخر، تكون الذرات مترابطة وتشكل ثنائي القطب. إذا لم تلغ الأقطاب بعضها البعض في الروابط الفردية، يكتسب الجزيء عزم ثنائي القطب. وبالتالي، تميل الجزيئات إلى المحاذاة بحيث تقترب النهاية الموجبة لثنائية الأقطاب من السال.
- يعتبر ثنائي القطب أضعف من التفاعلات بين الأيونين، حيث يمتلك جزءًا صغيرًا من الشحنة الإلكترونية، وفي هذه الحالة لا تقل الشحنات عن واحدة موجبة أو سالبة بين الأيونين وثنائي القطب، وتكون التفاعلات بين ثنائي القطب ضعيفة جدًا مقارنةً بالتفاعلات بين الأيونين.
- يتناقص سريعًا انخفاض التفاعلات الجاذبية بين ثنائيات القطب عند زيادة المسافات، بالمقارنة مع المسافات الأيونية؛ حيث يتناسب طاقة الجاذبية بين الأيونات بالتناسب العكسي لمربع المسافة بين الأيونات. لذلك، عندما نضاعف المسافة، يقل الجاذبية بنسبة النصف.
- تتناسب كمية الطاقة في التفاعلات الثنائية بشكل عكسي تمامًا مع مقلوب المسافة بين الأيونين المرفوع لأس 3، وبالتالي فإن زيادة المسافة يؤدي إلى انخفاض القوة بنسبة تصل إلى ثمانية أضعاف، وهذه نسبة عالية.
- تتفاعل المواد مثل حمض الهيدروكلوريك جزيئيًا مع بعضها الآخر عند درجة حرارة الغرفة وضغط جوي يعادل واحد، من خلال التفاعلات الثنائية القطبية.
- يتم تجميع كلوريد الصوديوم من خلال التفاعلات ويتم إنتاج مادة صلبة عالية الانصهار.
- تزداد قوة التفاعلات بين الجزيئات بزيادة العزم لثنائي القطب.
قوى تشتت لندن
- من خلال النظر إلى التفاعلات بين الجزيئات القطبية مع مراعاة العوامل الأخرى، يمكن فهم الجزيئات غير القطبية مثل البروم والبنزين والهكسان، حيث تكون سوائل في درجات الحرارة العادية، ويعد اليود والنفثالين موادا صلبة في درجات الحرارة العادية، كما يمكن سال الغازات النبيلة في درجات حرارة منخفضة أو عن طريق الضغوط العالية.
- من الواجب أن نسأل عن التفاعلات الموجودة بين الجزيئات أو الذرات غير القطبية، وتم الإجابة على هذا السؤال من قبل العالم فريتز لندن، وهو عالم فيزياء ألماني عمل في الولايات المتحدة في عام 1930. اقترح هذا العالم أن التذبذبات التي تحدث في الإلكترونات داخل الذرات والجزيئات غير القطبية يمكن أن تكون السبب وراء تشكل القوى القطبية المؤقتة لفترة قصيرة من الزمن، وتعرف في هذه الحالة بقوى التشتت بين الجزيئات غير القطبية.
- على سبيل المثال، يتم توزيع الإلكترونات بشكل منتظم وموحد حول نواة ذرات الهيليوم المتجاورة، ولكن بفعل حركة الإلكترونات الثابتة، يتم توزيع الإلكترونات بشكل عشوائي وغير متماثل في الذرة فيأي لحظة من الزمن، ويطلق على هذه الظاهرة اسم “لحظة ثنائية القطب.
- يمكن ملاحظة هذه اللحظة من خلال الذرة الواحدة، حيث يتفاعل الذرة مع الإلكترونات المجاورة لها، حيث يتم سحب النهاية الموجبة للقطب اللحظي الثنائي أو يتم دفعها من خلال الطرف السالب.
دراسة الاختلاف بين قوى التشتت والقطبية ثنائية القطب والروابط الهيدروجينية تعد مسألة هامة جدا في مجال الكيمياء العضوية؛ حيث تساهم في تعريف القوى التي تربط الجزيئات ببعضها وفي تقدير قوة كل رابطة، كما تتحقق من أن الروابط الهيدروجينية هي روابط تشكل بين الهيدروجين وعنصر آخر. كذلك، ينبغي دراسة التفاعلات المتحدة بين الجزيئات أو الذرات لمعرفة القوى التي تحدث، ومتى تحدث، فضلا عن تحديد الإشارات الإيجابية والسلبية في المركبات المرتبطة بالروابط المذكورة.