مفهوم قوى التجاذب بين الجزيئات وانواعه

القوى بين الجزيئات هي القوى التي تعمل بين الجزيئات ، يعتمد نوع القوى بين الجزيئات في مادة ما على طبيعة الجزيئات ، الجزيئات القطبية لها توزيع غير متكافئ للشحنة ، مما يعني أن أحد أجزاء الجزيء موجب قليلاً والجزء الآخر سلبي قليلاً ،  يقال أن الجزيء ثنائي القطب ، الجزيئات غير القطبية لها توزيع متساوٍ للشحنة .

مفهوم قوى التجاذب بين الجزيئات

تتمثل قوى التجاذب في القوى التي تعمل بين الجزيئات المجاورة (الذرات أو الجزيئات أو الأيونات)، وتتمثل هذه القوى في جذب أو تنافر بين هذه الجسيمات؛ وتعتبر هذه القوى ضعيفة مقارنة بالقوى التي تحدث داخل الجزيئات، مثل الروابط التساهمية أو الأيونية بين الذرات داخل الجزيء، فعلى سبيل المثال، فإن رابطة التساهم الموجودة داخل جزيء كلوريد الهيدروجين (HCl) أقوى بكثير من أي روابط يمكن أن تحدث مع الجزيئات المجاورة.

يتم تحديد القوى بين الجزيئات بواسطة الخواص الحجمية مثل نقاط انصهار المواد الصلبة ونقطة غليان السوائل. تتم عملية الغليان في السوائل عندما تكون للجزيئات طاقة حرارية كافية للتغلب على القوى الجذابة بين الجزيئات التي تربطها ببعضها البعض، وبالتالي تشكل فقاعات من البخار داخل السائل. وبالمثل، تتم عملية الذوبان في المواد الصلبة عندما تكتسب الجزيئات طاقة حرارية كافية للتغلب على القوى بين الجزيئات التي تحبسها في مكانها في المادة الصلبة.

القوى بين الجزيئات هي كهرباء بطبيعتها ؛ أي أنها تنشأ من التفاعل بين الأنواع الموجبة والسالبة الشحنة ، مثل الروابط التساهمية والأيونية ، التفاعلات بين الجزيئات هي مجموع كل من المكونات الجذابة ، نظرًا لأن التفاعلات الكهروستاتيكية تتراجع بسرعة مع زيادة المسافة بين الجزيئات ، فإن التفاعلات بين الجزيئات هي الأكثر أهمية للمواد الصلبة والسوائل ، حيث تكون الجزيئات قريبة من بعضها البعض ،  تصبح هذه التفاعلات مهمة للغازات فقط عند ضغوط عالية جدًا ، حيث تكون مسؤولة عن الانحرافات المرصودة عن قانون الغاز المثالي عند الضغوط العالية.

خصائص مثل نقاط الانصهار والغليان هي مقياس لمدى قوة الجاذبية بين الذرات الفردية والجزيئات ،  (نسمي هذه القوى بين الجزيئات على عكس القوى داخل الجزيئية – القوى داخل الجزيء.) ، كل هذا ينبع من هذا المبدأ العام ،  عندما تصبح الروابط أكثر استقطابًا ، تصبح الشحنات على الذرات أكبر ، مما يؤدي إلى زيادة الجذب بين الجزيئات ، مما يؤدي إلى نقاط غليان أعلى.

توجد أنواع مختلفة من القوى الجذابة بين الجزيئات، وتشمل قوى التشتت وقوى الجاذبية الثنائية القطبية والرابطة الهيدروجينية والتفاعل الأيوني ثنائي القطب. وتسمى القوى الثلاث الأولى بشكل مجتمع قوى فان در فال، وجميع تلك القوى الجذابة للجزيئات لها طبيعة كهروستاتيكية، وتتضمن عوامل جذب بين الشحنات الإيجابية والسلبية، وتختلف قوة تلك القوى الجذابة بشكل واسع، على الرغم من أن القوى الموجودة بين الجزيئات الصغيرة عادة ما تكون ضعيفة مقارنة بالقوى التي تربط الذرات معا داخل الجزيء.

أنواع القوى بين الجزيئات

يمكن استخدام التفاعل بين القوى بين الجزيئات لوصف كيفية تفاعل الجزيئات مع بعضها البعض ، حيث يحدد ذلك قوة أو ضعف القوى بين الجزيئات في حالة المادة (مثل الصلبة والسائلة والغازية) وبعض الخصائص الكيميائية (مثل نقطة الانصهار والهيكل) ، وهناك أربع فئات رئيسية للتفاعلات بين الجزيئات وكلها تعكس مظاهر مختلفة لـ “جذب الشحنات المعاكسة.

تفاعل أيون ثنائي القطب

تحدث التفاعل الكهروستاتيكي عندما يتداخل أيون مشحون بالكامل مع جزيء ثنائي القطب المشحون جزئيا، ويتم تحديد الجزء المجذوب والجزء المنفر من الجزيء الثنائي القطب بناء على شحنة الأيون المتداخل، حيث يجذب الأيون الموجب (الكاتيون) الجزء السلبي من الجزيء ويصد الجزء الموجب، ويجذب الأيون السالب (الأنيون) الجزء الموجب من الجزيء ويصد الجزء السالب.

 يُعد تفاعل أيون ثنائي القطب بين أيون الصوديوم وجزيئات الماء (H2O) مثالًا على هذا النوع من التفاعلات، حيث يتجذب أيون الصوديوم وذرة الأكسجين بعضهما البعض، في حين يتنافر الصوديوم والهيدروجين عن بعضهما البعض .

 الرابطة الهيدروجينية

الروابط الهيدروجينية هي نوع من القوة ثنائية القطب التي تحدث عندما ترتبط ذرة الهيدروجين بذرة عالية الكهربية (أكسجين ، فلور ، نيتروجين) ،تنجذب ذرة الهيدروجين الموجودة على جزيء واحد إلى الذرة الكهربية على الجزيء الثاني ، الروابط الهيدروجينية مهمة بشكل لا يصدق في علم الأحياء ، لأن الروابط الهيدروجينية تحافظ على قواعد الحمض النووي مقترنة معًا ، مما يساعد الحمض النووي في الحفاظ على هيكله الفريد.

الرابطة الهيدروجينية هي نوع خاص من التفاعل ثنائي القطب الذي يحدث بين الزوج الوحيد لذرة عالية الكهربية (عادةً N أو O أو F) وذرة الهيدروجين في رابطة N · H أو O · H أو F · H  ، يمكن أن تتكون الروابط الهيدروجينية بين جزيئات مختلفة (الرابطة الهيدروجينية بين الجزيئات) أو بين أجزاء مختلفة من نفس الجزيء (الرابطة الهيدروجينية داخل الجزيئية).

يوجد عدة أمثلة على روابط الهيدروجين – حمض الخليك – بروبانول – إيثيل أمين – HF – الأسيتاميد – H – الرابطة في العمل – يزيد – نقاط الغليان 

تفاعلات ثنائي القطب – ثنائي القطب

تعد ثنائي القطب نوعًا من التجاذب بين الجزيئات – عوامل الجذب بين جزيئين، وتعمل تفاعلات ثنائي القطب على تفاعلات كهروستاتيكية بين ثنائيات أقطاب دائمة لجزيئات مختلفة، وتساعد هذه التفاعلات على محاذاة الجزيئات لزيادة الجاذبية

تحدث قوى ثنائي القطب بين الجزيئات ذات ثنائيات القطب الدائمة (أي الجزيئات القطبية) ، بالنسبة للجزيئات ذات الحجم والكتلة المتشابهة ، تزداد قوة هذه القوى مع زيادة القطبية ،  يمكن للجزيئات القطبية أيضًا أن تحفز ثنائيات الأقطاب في الجزيئات غير القطبية ، مما يؤدي إلى قوى ثنائية القطب التي يسببها ثنائي القطب.

يحدث تفاعل ثنائي القطب عندما يتقارب جزيئان قطبيان، حيث ينجذب الجزء الموجب الشحنة في جزيء واحد نحو الجزء السالب الشحنة في جزيء آخر، ونظرًا لأن العديد من الجزيئات قطبية، فإن هذه القوة تعد قوة مشتركة بين الجزيئات.

  تتمثل مثال على التفاعل ثنائي القطب – ثنائي القطب في تفاعل جزيئين من ثاني أكسيد الكبريت (SO2)، حيث تنجذب ذرة الكبريت في جزيء واحد إلى الأكسجين في جزيء آخر.

مثال: تُعَدُّ رابطة الهيدروجين مثالًا محددًا للتفاعل ثنائي القطب ثنائي القطب، حيث يشترك الهيدروجين دائمًا في هذا التفاعل، حيث تنجذب ذرة الهيدروجين في جزيء واحد إلى ذرة ذات شحنة كهربائية مختلفة في جزيء آخر، مثل ذرة الأكسجين في الماء.

يطلق على الشحنة الكهربائية الفردية اسم أحادي القطب، بينما يتكون ثنائي القطب من شحنتين متعاكستين ومتقاربتين. تسمى الجزيئات التي تحتوي على ثنائيات الأقطاب بالجزيئات القطبية وهي وفيرة في الطبيعة. على سبيل المثال، جزيء الماء (H2O) يحتوي على ثنائي القطب الكهربائي الدائم، حيث لا تتركز الشحنة الموجبة والسالبة في نفس النقطة، بل تتصرف كمجموعة من الشحنات المتساوية والمتقابلة المفصولة بمسافة صغيرة. وتعزز هذه الجاذبية بين ثنائيات القطب العديد من خصائص الماء، بما في ذلك التوتر السطحي العالي.  

  قوى تشتت فان دير فال (“قوات لندن”)

تُعرف قوة تشتت لندن أيضًا باسم LDF ، أو قوى لندن ، أو قوى التشتت ، أو قوى ثنائية القطب اللحظية ، أو قوى ثنائي القطب المستحثة ، أو قوة ثنائي القطب المستحثة بفعل ثنائي القطب ، تنتج قوى تشتت لندن من التفاعلات الكولومبية بين ثنائيات الأقطاب اللحظية ، توجد قوى التشتت بين جميع الجزيئات (والذرات) وعادة ما تكون أكبر بالنسبة للجزيئات والجزيئات الأثقل والأكثر استقطابًا ذات المساحات السطحية الأكبر.

القوة التشتت في لندن، هي القوة بين جزيئين غير قطبيين، وهي أضعف القوى بين الجزيئات. تنجذب إلكترونات جزيء واحد إلى نواة الجزيء الآخر، بينما تتنافر إلكترونات الجزيء الآخر. يحدث القطب الثنائي عندما يتشوه سحب الإلكترونات للجزيئات بواسطة القوى الكهروستاتيكية الجذابة .  

•   مثال على قوى التشتت في لندن هو التفاعل بين مجموعتي ميثيل (-CH3).
•  يمثل التفاعل بين جزيئات غاز النيتروجين (N2) وغاز الأكسجين (O2) مثالًا آخر على قوة تشتت لندن، حيث لا تنجذب إلكترونات الذرات إلى نواتها الذرية فحسب، بل تجذب أيضًا إلى البروتونات في نوى الذرات الأخرى.