انواع القوى الجزيئية بالأمثلة

مفهوم القوى الجزئية

عادة ما تختصر القوى بين الجزيئات بمصطلح `IMF`، وتعد قوى جذب وانفصال تنشأ بين جزيئات المادة، وتؤثر تلك القوى بشكل رئيسي على التفاعلات بين الجزيئات الفردية للمادة .

القوى الجزيئية هي المسؤولة عن أغلب الخواص الفيزيائية والكيميائية للمادة، وهناك قوى بين الجزيئات نفسها يطلق عليها مجتمعة اسم (قوى الجزيئات)، ويمكن التعرف على أنواع القوى الجزيئية المختلفة

تتحمل هذه القوى مسؤولية الخصائص الفيزيائية للمادة، بالإضافة إلى المسؤولية عن حالات المادة المكثفة.

تتجمع الجزيئات التي تتكون من المواد الصلبة والسوائل بشكل مشترك عن طريق القوى بين الجزيئات، وبالتالي، تؤثر هذه القوى على العديد من الخصائص الفيزيائية للمادة في الحالتين .

أمثلة على تفاعل الجزيئات

تعتمد القوى بين الجزيئات على التفاعلات الآتية :

• تفاعلات ثنائي القطب

مثال: تحدث تفاعلات ثنائي القطب في جزيئات حمض الهيدروكلوريك، حيث يكون الكلور أكثر كهربية بشكل نسبي من الهيدروجين، وبالتالي يكتسب الكلور شحنة سالبة جزئية، في حين يكتسب الهيدروجين في الوقت نفسه شحنة موجبة جزئية .

يحدث تفاعل ثنائي القطب بين جزيئات حمض الهيدروكلوريك وبين بعض الجزيئات الأخرى .

•  تفاعلات أيون ثنائي القطب

مثال: عند خلط كلوريد الصوديوم بالماء في وعاء، تنجذب جزيئات الماء (H2O) القطبية إلى أيونات الصوديوم والكلوريد في الوعاء، ويتوقف تأثير هذا التفاعل على قوته

1. مقدار العزم ثنائي القطب.
2.  حجم الجزيء القطبي.
3. شحنة وحجم الأيون.

•  تفاعلات ثنائي القطب المستحث بالأيونات

في هذا النوع من التفاعل، يحدث استقطاب للجزيء غير القطبي عن طريق أيون موجود بالقرب منه .

عندما تتعرض الجزيئات الغير قطبية لتأثير شحنة، تتصرف وكأنها أقطاب مستحثة، ويُعرف التفاعل بين الأيونات والجزيئات الغير قطبية باسم “تفاعل ثنائي القطب المستحث بالأيونات .

• ثنائي القطب المستحث التفاعل ثنائي القطب

تتشابه هذه التفاعلات مع تفاعلات ثنائي القطب المستحثة بالأيونات، ومع ذلك، يميزها تحول الجزيئات غير القطبية إلى ثنائيات أقطاب مستحثة نتيجة وجود جزيء قطبي بالقرب منها .

•  قوات التشتت أو (قوات لندن)

تُعَدُّ هذه القوَّةُ الأضعفَ وتعملُ على مَسافاتٍ قصيرةٍ، وتنشأ هذه القوَّةُ نَتِيجَةَ حَرَكَةِ الإلكترونات،وتؤدي إلى ظهور مناطق مشحونة سالبة وموجبة مؤقتًا .

 أنواع القوى بين الجزيئات

يمكن استخدام تفاعل القوى بين الذرات لشرح كيفية تفاعل الجسيمات مع بعضها البعض، وتحديد قوة أو ضعف القوى بين الجزيئات وحالة المادة، مثلما يمكن تحديد نقطة الانصهار والهيكل وخصائص كيميائية أخرى .

هناك أربع أنواع رئيسية من القوى بين الجزيئات ومنها:

•  القوى الأيونية

تعد التفاعلات بين الذرات أو الجزيئات المشحونة (“الأيونات”) من الظواهر المهمة، وتشمل هذه التفاعلات الأيونات موجبة الشحنة مثل Na، Li (+)، و Ca (2+) وتسمى بالكاتيونات، وكذلك الأيونات سالبة الشحنة مثل Cl (-)، Br (-)، HO (-) وتسمى بالأنيونات .

القوى الجذابة:- توصف الأيونات المشحونة بطريقة معاكسة في قانون كولوم؛ حيث تزداد القوة بزيادة الشحنة وتقل كلما زادت المسافة بين الأيونات، وهذه هي القوى التي تجذب بين الجزيئات .

تظهر الطبيعة بشكل شديد الاستقطاب في نقاط انصهار الجزيئات الأيونية التي تكون عالية جدًا (مثل درجة انصهار كلوريد الصوديوم التي تصل إلى 801 درجة مئوية)، كما تتميز بقابليتها العالية للذوبان في الماء .

•  الرابطة الهيدروجينية

يحدث الترابط الهيدروجيني بين الجزيئات التي تحتوي على عناصر كهربائية عالية مثل الفلور (F) أو الأكسجين (O) أو النيتروجين (N) والتي ترتبط مباشرة بالهيدروجين .

بسبب كهرسلبية الهيدروجين (2.2) مقارنة بـ (0.9 لـ Na) و (0.8 لـ K)، فإن الروابط المتشكلة للهيدروجين ليست مستقطبة مثل الروابط الأيونية البحتة، ولكن لها بعض الخصائص التساهمية، بالرغم من ذللك، إلا أن الرابطة الهيدروجينية لا تزال مستقطبة ولديها ثنائي القطب .

يمكن أن يتشابه ثنائي القطب لجزيء ما مع ثنائي القطب لجزيء آخر، مما يؤدي إلى تفاعل جذاب يسمى الرابطة الهيدروجينية .

وفقًا للحركة الجزيئية السريعة في المحلول، تصبح هذه الروابط عابرة ولكنها تتميز بقوة ارتباط عالية، حيث تتراوح بين 9 كيلو جول/مول و2 كيلو كالوري/مول (لـ NH) وتصل إلى حوالي 30 كيلو جول/مول (7 كيلو كالوري) وأعلى لـ HF .

تزداد قوة الرابطة بزيادة الكهربية في المجموعة المرتبطة بالهيدروجين، وبالتالي تميل الجزيئات التي تحتوي على المجموعات الوظيفية (HO، NH) إلى العثور على نقاط غليان أعلى مما هو متوقع بناء على وزنها الجزيئي .

• تفاعلات فان دير فالس ثنائية القطب

يمكن لمجموعات أخرى إلى جانب الهيدروجين أن تساهم بشدة في الرابطة التساهمية القطبية مع الذرات الكهربائية ،
مثال ، يحو كل من هذه الجزيئات ثنائي القطب:

من الممكن أن تتفاعل ثنائيات الأقطاب مع بعضها البعض بشكل جذاب، مما يزيد من نقطة الغليان، وعلى الرغم من ذلك، وبسبب فارق الكهربية الكبير بين الكربون (2.5)، فإن هذه الثنائيات الأقطاب غير مستقرة .

بالنسبة للعناصر الكهربائية مثل الأوكسجين والنيتروجين، فإن الفرق الكهربائي لا يعتبر كبيرًا مثل الهيدروجين (الذي يكون فرق الكهربائية له = 2.2)، لذلك فإن التفاعل القطبي لا يكون قويًا، وعادة ما تكون هذه القوى أضعف من الروابط الهيدروجينية في المتوسط .

•  قوات تشتت فان دير فال “قوات لندن

تمثل قوى التشتت أو قوى لندن أضعف القوى الجزئية القابلة للقياس، وتنشأ هذه القوة بسبب التجاذب بين ثنائيات الأقطاب اللحظية في الجزيء

1.  يعد الأرجون غازًا خاملًا، ولكن يمكن تكثيفه إلى سائل إذا تم تبريده إلى درجة حرارة -186 درجة مئوية، وتتحمل قوى التشتت المسؤولية عن تكثيفه إلى الحالة السائلة .
2.  عادةً ما تشتت الإلكترونات الموجودة في غلاف التكافؤ بالتساوي، ولكن في أي لحظة قد يحدث عدم تطابق في عدد الإلكترونات بين الجانبين، مما يؤدي إلى وجود فرق فوري في الشحنة .

يشير مصطلح الاستقطاب إلى قدرة الذرات على تشكيل ثنائيات قطبية لحظية، ويزداد الاستقطاب مع زيادة حجم الذرة .

يُعد هذا سبباً في أن درجة غليان الأرجون تكون عالية جداً “بحوالي -186 درجة مئوية”مقارنة بدرجة غليان الهيليوم التي تبلغ حوالي -272 درجة مئوية، وهذا ينطبق بشكل خاص على الهيدروكربونات والجزيئات غير القطبية التي لا تحتوي على ثنائيات أقطاب قوية .

تُعَدُّ قُوَى التشتُّت الجاذبة الوحيدة بين جزيئاتها، نظرًا لأنَّ ثنائيات الأقطاب ضعيفة وعابرة، وتعتمد على التلامس بين الجزيئات، وهذا يدل على أن القوى تزداد مع زيادة مساحة السطح .