1.12 : القوى بين الجزيئية والخصائص الفيزيائية

القوى بين الجزيئية هي قوى تجاذبية موجودة بين الجزيئات. تحدد هذه القوى العديد من الخصائص الكلية للمواد، مثل نقاط الانصهار، ونقاط الغليان، وقابلية الذوبان (الامتزاج) للمواد. على سبيل المثال، يُظهر السائل ذو درجة الغليان العالية، مثل الماء (H₂O، درجة حرارة 100 درجة مئوية)، قوى بين الجزيئية أقوى مقارنة بالسائل ذو درجة غليان منخفضة، مثل الهكسان (C₆H₁₄، درجة حرارة 68.73 درجة مئوية). تشمل الأنواع الثلاثة للتفاعلات بين الجزيئية: (1) قوى الأيونات ثنائية القطب، (2) التفاعلات ثنائية القطب (ثنائية القطب)، و(3) قوى فان دير فالس، والتي تشمل قوى تشتت لندن.

1. قوى الأيون-ثنائي القطب

قوى الأيون-ثنائي القطب هي عوامل الجذب الكهروستاتيكية بين الأيون وثنائي القطب. وهي شائعة في المحاليل وتلعب دورًا مهمًا في إذابة المركبات الأيونية، مثل KCl، في الماء. تتناسب قوة التفاعلات الأيونية ثنائية القطب بشكل مباشر مع i) شحنة الأيون وii) حجم ثنائي القطب للجزيئات القطبية.

2. تفاعلات ثنائي القطب-ثنائي القطب

تحتوي الجزيئات القطبية على شحنة موجبة جزئية على أحد طرفيها وشحنة سالبة جزئية على الطرف الآخر من الجزيء - وهو فصل للشحنة يسمى ثنائي القطب. تسمى قوة التجاذب بين ثنائيات القطب الدائمة قوة الجذب ثنائي القطب - ثنائي القطب - القوة الكهروستاتيكية بين الطرف الموجب جزئيًا لجزيء قطبي والنهاية السالبة جزئيًا لجزيء آخر. الترابط الهيدروجيني هو نوع من التفاعل ثنائي القطب-ثنائي القطب بين الجزيئات مع الهيدروجين، المرتبطة بذرة عالية الكهروسالبية، مثل O أو N أو F. وينتج عن ذلك ذرة H مشحونة جزئيًا بشكل إيجابي على جزيء واحد (المانح لرابطة الهيدروجين) يمكن أن تتفاعل بقوة مع زوج وحيد من الإلكترونات من ذرة O أو N أو F مشحونة جزئيًا على الجزيئات المجاورة (المانح لرابطة الهيدروجين). الرابطة الهيدروجينية تزيد من درجة الغليان بشكل كبير.

3. قوى فان دير فالس وقوى تشتت لندن

أضعف القوى هي قوى فان دير فالس، والتي تعتمد على المسافات بين الجزيئات بين الذرات والجزيئات. يتم اختبار قوى تشتت لندن، وهي مجموعة فرعية من قوى فان دير فالس، نتيجة للتفاعلات بين الذرات / الجزيئات غير المشحونة بسبب التحولات المؤقتة والعفوية في توزيع الإلكترون. ويبدو أن قوة هذه القوى تزداد مع زيادة الوزن الجزيئي بسبب زيادة مساحة السطح. ونتيجة لذلك، فإن المركبات ذات الأوزان الجزيئية الأعلى سوف تغلي بشكل عام عند درجات حرارة أعلى. تجدر الإشارة إلى أن الهيدروكربون المتفرع (النيوبنتان) عادةً ما يكون له مساحة سطحية أصغر من أيزومر السلسلة المستقيمة (nالبنتان)، وبالتالي نقطة غليان أقل.

4. قابلية ذوبان المركبات العضوية في الماء

تسمى السوائل التي يمكن خلطها بشكل متجانس بأي نسبة بأنها قابلة للامتزاج. السوائل القابلة للامتزاج لها قطبية مماثلة. على سبيل المثال، الميثانول والماء كلاهما قطبيان وقادران على تكوين روابط هيدروجينية. عند الخلط، يتفاعل الميثانول والماء من خلال روابط هيدروجينية بين الجزيئات ذات قوة مماثلة لتفاعلات الميثانول - الميثانول والماء - الماء؛ وبالتالي، فهي قابلة للامتزاج. وبالمثل، فإن السوائل غير القطبية مثل الهكسان والبروم قابلة للامتزاج مع بعضها البعض من خلال قوى التشتت. تعتبر القاعدة الكيميائية "المثيل يذيب المثيل" مفيدة للتنبؤ بقابلية امتزاج المركبات. يسمى السائلان اللذان لا يختلطان إلى حد ملموس غير قابلين للامتزاج. على سبيل المثال، الهكسان غير القطبي غير قابل للامتزاج في الماء القطبي. إن قوى الجذب الضعيفة نسبيًا بين الهكسان والماء لا تتغلب بشكل كافٍ على قوى الترابط الهيدروجيني الأقوى بين جزيئات الماء.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 10.1: Intermolecular Forces, Section 11.3: Solubility, and Chapter 10: Liquids and Solids.