أنواع قوى التجاذب بين الجزيئات
تحدد قوة الجذب بين جزيئات المادة بمقدار التنافر أو التجاذب أو القوة المتبادلة بين جسيمات المادة، سواء كانت جزيئية أو ذرية أو أيونية، وتكون هذه القوة بأكثر من نوع
- قوى ثنائي القطب: تتعلق بالتفاعلات الكهروستاتيكية بين ثنائيات القطب الدائم في الجزيئات، وتشمل الترابط الهيدروجيني.
- قوى ثنائي القطب الأيوني: يتم تشكيل تفاعل إلكتروستاتيكي يتضمن جزيئين مشحونين جزئيا وأيون مشحون بالكامل.
- تسبب ثنائي القطب اللحظي قوى ثنائي القطب أو قوى تشتت لندن، وهي القوى التي تسببها الحركات المترابطة للإلكترونات في الجزيئات المتفاعلة، وتعد أضعف القوى بين الجزيئات وتصنف على أنها قوى فان دير فال.
ومن مفهوم قوى التجاذب نفهم أنّ أحادي القطب الكهربائي هو شحنة واحدة، في حين أن ثنائي القطب عبارة عن شحنتين متعاكستين متقاربتين مع بعضهما البعض
وتُسمى الجزيئات التي تحتوي على ثنائيات الأقطاب بالجزيئات القطبية، وهي وفيرة جداً في الطبيعة، فمثلاً يحتوي جزيء الماء (H2O) على عزم كهربائي دائم ثنائي القطب.
ينبغي عدم ترك الشحنة الإيجابية والسالبة متركزة في نفس النقطة، مثلما يتصرف عدد قليل من الشحنات المتساوية والمتقابلة والمفصولة بمسافة صغيرة.
تعطي العوامل الجذابة ذات القطبية المزدوجة للماء العديد من الخصائص، بما في ذلك التوتر السطحي العالي.
مفهوم الذوبان
الذوبان هو قدرة المواد الكيميائية الصلبة أو السائلة أو الغازية، المعروفة باسم المذاب، على الذوبان في المذيب الذي يكون عادة سائلًا، مما يؤدي إلى تشكيل محلول.
تعتمد قابلية الذوبان للمادة بشكل أساسي على المذيب المستخدم، بالإضافة إلى درجة الحرارة والضغط، حيث يتم قياس قابلية ذوبان المادة في مذيب معين بتركيز المحلول المشبع، ويعد المحلول مشبععندما يتم إضافة مادة مذابة إضافية ولا يمكن زيادة تركيز المحلول أكثر من ذلك.
تختلف درجة الذوبان بشكل كبير فيما بين المواد المختلفة، وتتأثر بالحالة الفيزيائية للمادة وشروط البيئة المحيطة
- الذوبان اللانهائي هو الامتزاج الكامل الذي يحدث بين المواد، مثل الإيثانول والماء.
- يذوب قليلا، مثل كلوريد الفضة في الماء.
- تشمل المواد غير القابلة للذوبان التي غالبًا ما تعرف بالمركبات ذات الذوبانية الضعيفة.
فيظروف معينة، يمكن تجاوز قابلية الذوبان في التواز، مما يؤدي إلى تكوين محلول مفرط التشبع.
الذوبان لا يعتمد على حجم الجسيمات؛ فمع مرور الوقت الكافي، ستذوب حتى الجسيمات الكبيرة في النهاية.
العوامل المؤثرة على الذوبان
هناك مجموعة من العوامل التي تؤثر على ذوبان المواد وهي:
- درجة الحرارة
تعتمد قابلية ذوبان المادة المذابة في مذيب معين عادةً على درجة الحرارة، وبالنسبة للعديد من المواد الصلبة الذائبة في الماء السائل، تميل قابلية الذوبان إلى الارتفاع مع درجة الحرارة.
بتسخين جزيئات الماء، تهتز بسرعة أكبر وتصبح أكثر قدرة على التفاعل مع المذيب وتفكيكه.
تزداد قابلية الذوبان لمعظم المواد مع تغير درجة الحرارة؛ على سبيل المثال، يذوب المزيد من السكر في الماء الساخن أكثر من الماء البارد.
تتبدل قابلية ذوبان الغازات بشكل عكسي مع درجة الحرارة؛ أي أنها تنخفض مع زيادة درجة الحرارة، وترتفع عندما تنخفض درجة الحرارة.
في مخطط الذوبان مقابل درجة الحرارة، تزداد قابلية الأملاح للذوبان عادةً مع زيادة درجة حرارتها، وتنخفض هذه القابلية مع زيادة درجة حرارة الغازات.
- الضغط
يؤثر الضغط بشكل ضئيل على قابلية الذوبان في المواد الصلبة والسائلة، ولكنه يؤثر بشكل قوي على المحاليل التي تحتوي على مذيبات غازية.
يتضح بوضوح عند فتح علبة الصودا أنّ المحتوى تحت الضغط، ما يؤكد بقاء الصودا مذابة ومكربنة، حيث تميل قابلية الذوبان للغازات إلى الارتباط بزيادة الضغط.
- القطبية
يتم ذوبان المركبات بشكل أفضل في المذيب ذو البنية الكيميائية المماثلة للمركب، ويعتمد قدرة المذيب على ذوبان المركبات المختلفة بشكل أساسي على قطبيتها.
على سبيل المثال، يذوب السكر القطبي بالكامل في الماء القطبي، ويذوب بشكل أقل في الميثانول القطبي المتوسط، ولا يذوب عمليًا في المذيبات غير القطبية مثل البنزين.
بالمقابل، المذاب غير القطبي مثل النفثالين غير قابل للذوبان في الماء، ويمكن أن يذوب بشكل معتدل في الميثانول، ويمكن أن يذوب بدرجة عالية في البنزين.
تأثير قوى التجاذب بين الجزيئات على المواد
تعتمد حالة المادة على توازن الطاقة الحركية للجسيمات الفردية، وهي الجزيئات أو الذرات، والقوى بين الجزيئات.
تحافظ الطاقة الحركية على تباعد الجزيئات وحركتها، وتعتمد على درجة حرارة المادة، وتتمثل القوى بين الجزيئات في قوى جذب تحاول ربط الجسيمات معًا.
تتأثر الغازات بدرجات الحرارة والضغط بشكل حساس، ومع ذلك، فإنها تؤثر أيضًا على السوائل والمواد الصلبة، ويمكن أن يغير التسخين والتبريد الطاقة الحركية للجسيمات في المادة، وبالتالي يمكن تغيير الحالة الفيزيائية للمادة عن طريق تسخينها أو تبريدها.
عند زيادة الضغط على المادة، تتقارب الجزيئات مما يزيد من قوة القوى بينها.
في بحث حول قوى التجاذب، يمكن الحصول على فهم أفضل لتأثيرها على المواد من خلال نظرة عامة على الخصائص العامة للمراحل الثلاث المختلفة للمادة
خصائص الغازات
- تتألف مجموعة الجزيئات من عدد واسع من المكونات.
- طاقة الحركة للجزيئات تفوق أي قوى جذب بينها.
- يسمح عدم وجود قوة جذب كبيرة بتمدد الغاز ليملأ الحاوية التي يوضع فيها، حيث لا يتم جذب الجزيئات بشكل كبير بينها.
- عندما تصبح قوة الجذب كبيرة بما فيه الكفاية، تظهر الغازات سلوكًا غير مثالي.
خصائص السوائل
- تكون قوى الجذب بين الجزيئات قوية بما يكفي للحفاظ على الجزيئات قريبة من بعضها.
- تتميز السوائل بكثافة أكبر وضغط أقل من الغازات.
- تتمتع السوائل بحجم محدد بغض النظر عن حجم وشكل الحاوية التي تحتوي عليها.
- تكون قوى الجذب غير قوية بما يكفي للحفاظ على الجزيئات المجاورة في وضع ثابت، مما يجعل الجزيئات حرة في التحرك أو الانزلاق فوق بعضها البعض.
- يمكن صب السوائل في شكل الحاوية التي تريدها.
خصائص المواد الصلبة
- تكون القوى بين الجزيئات المجاورة قوية بما يكفي لإبقائها ثابتة في موضعها.
- المواد الصلبة، مثل السوائل، ليست شديدة الانضغاط بسبب عدم وجود مسافة بين الجزيئات.
- يُطلق على المواد التي تتميز بترتيب منتظم لجزيئاتها بنية بلورية.
- نظرًا لتفاعل الجزيئات المجاورة الشديد، فإنها تتجمد وتصبح صلبة.
وهذا هو التأثير المباشر للحرارة أو الضغط على حالة المادة:
- قد يتحول الغاز إلى سائل عند تبريده.
- يمكن أن يتسبب تبريد السائل في تغيير حالته إلى صلبة.
- يمكن أن يؤدي زيادة الضغط على الغاز إلى تحويل الحالة إلى السائل.
- قد تؤدي زيادة الضغط على السائل إلى تحويله إلى مادة صلبة.
تأثير قوى التجاذب بين الجزيئات في الذوبان
تتم محددة النطاق الذي ستندمج فيه مادة في مادة أخرى بواسطة عدة عوامل، من بينها أنواع المواد والقوى النسبية لقوى الجذب بين الجزيئات التي قد تتواجد بين ذرات المواد أو أيوناتها أو جزيئاتها.
يتم حساب هذا الميل للذوبان باعتماد قابلية المادة للذوبان وأقصى تركيز لها في المحلول عند التوازن تحت ظروف محددة.
يحتوي المحلول المشبع على مادة مذابة بتركيز يساوي قدرتها على الذوبان، بينما يتجاوز تركيز المادة المذابة قدرتها على الذوبان في المحلول فوق المشبع، ويكون المحلول فوق المشبع غير مستقرًا ويؤدي إلى ترسيب المادة المذابة عندما يكون المحلول مضطربًا بشكل مناسب.
السوائل القابلة للامتزاج هي التي يمكن أن تذوب في جميع النسب، والسوائل غير القابلة للامتزاج تظهر قابلية ذوبان متبادلة منخفضة للغاية.
تنخفض قابلية الذوبان في المواد المذابة الغازية مع زيادة درجة الحرارة، في حين تزداد قابلية الذوبان في معظم المواد الصلبة ولكن ليس في جميعها.
يتناسب تركيز المذيب الغازي في المحلول مع الضغط الجزئي للغاز المعرض له المحلول بدرجة الحرارة، وهذه العلاقة تعرف باسم قانون هنري.