الكيمياء المدرسية — من الصف الأول إلى الصف الثاني عشر · Grades 1–12

30الكهرسلبية والقطبية والقوى بين الجزيئات

يجري الوزغ صاعدًا على لوح نافذة ويتدلى من الزجاج بإصبع واحدة، بلا غراء ولا ممصّ. وجزيء الماء، $\ce{H2O}$ ، أخف من جزيء كبريتيد الهيدروجين، $\ce{H2S}$ ، ومع ذلك يغلي الماء عند $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ بينما يبقى كبريتيد الهيدروجين غازًا حتى $-60\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . والقصتان تدوران حول الشيء نفسه: القوى التي تشد الجزيئات بعضها إلى بعض، وإلى أشياء أخرى. وهي أضعف بكثير من الروابط التساهمية داخل الجزيء، لكنها تقرر هل تكون المادة غازًا أم سائلًا أم جسمًا صلبًا في درجة حرارة الغرفة، وهل يسقط الوزغ.

ما تعرفه من قبل

الرابطة التساهمية زوج من الإلكترونات تتشارك فيه ذرتان؛ وبنى لويس تُظهر الأزواج الرابطة والأزواج الحرة، والأزواج حول الذرة المركزية تقرر شكل الجزيء (الفصل 24). والأيونات تحمل شحنة؛ وفي الجسم الصلب الأيوني تتجاذب الأيونات الموجبة والسالبة (الفصل 17).

وزغ على لوح زجاجي: وسائد أصابعه تتمسك بقوى بين الجزيئات.

30.1 الكهرسلبية

تعريف 30.1 (الكهرسلبية)

الكهرسلبية لعنصر تقيس شدة جذب ذراته، في الجزيء، لإلكترونات الروابط التي تتشارك فيها. وهي عدد بلا وحدة؛ ويمتد في السلّم المعتاد من نحو 0.8 إلى نحو 4.

كهرسلبيات العناصر العشرين الأولى (سلّم باولنغ؛ ولا تُعطى قيمة للهيليوم والنيون والأرغون، فهي لا تكوّن روابط هنا). والمظلَّلة: العناصر الأربعة الأشد كهرسلبية.

قضية 30.2 (الاتجاهات في الجدول)

تزداد الكهرسلبية من اليسار إلى اليمين على امتداد الدورة وتتناقص من الأعلى إلى الأسفل في الزمرة. فالفلور (3.98) أشد العناصر كهرسلبية؛ والفلزات القلوية أقلها (الليثيوم 0.98، والبوتاسيوم 0.82).

برهان. نقرأ ذلك على الجدول: على امتداد الدورة 2، $0.98 < 1.57 < 2.04 < 2.55 < 3.04 < 3.44 < 3.98$ ؛ ونزولًا في الزمرة 17، الفلور $3.98$ فوق الكلور $3.16$ ؛ ونزولًا في الزمرة 1، $2.20$ و $0.98$ و $0.93$ و $0.82$ . (أما لماذا يكون الأمر كذلك فيُشرح في كتاب السنة الجامعية الأولى.) ∎

لمحة تاريخية — سلّم باولنغ، 1932

بنى الكيميائي لينوس باولنغ أول سلّم للكهرسلبية سنة 1932، انطلاقًا من طاقات الروابط بين ذرات مختلفة. وأعطى الفلور أكبر قيمة، ولا يزال السلّم المستعمل في هذا الفصل يُسمّى باسمه.

30.2 الروابط القطبية والجزيئات القطبية

تعريف 30.3 (الرابطة القطبية، والشحنة الجزئية)

الرابطة التساهمية بين ذرتين مختلفتي الكهرسلبية رابطة قطبية: يكون الزوج المشترك أقرب إلى الذرة الأشد كهرسلبية. فتحمل تلك الذرة شحنة جزئية سالبة صغيرة، يُرمز إليها بالرمز $\delta^-$ ، وتحمل الذرة الأخرى شحنة جزئية موجبة مساوية، $\delta^+$ .

قضية 30.4 (متى تكون الرابطة قطبية؟)

الرابطة بين ذرتين متماثلتين ليست قطبية. وبين ذرتين مختلفتين، كلما كبر فرق الكهرسلبية كانت الرابطة أشد قطبية؛ وكقاعدة تقريبية، يُعدّ الفرق الأصغر من نحو 0.4 (مثل $\ce{C-H}$ ، $2.55 - 2.20 = 0.35$ ) غير قطبي. وحين يكون الفرق كبيرًا جدًا (مثل Na وCl، $3.16 - 0.93 = 2.23$ ) لا تتشارك الذرتان الإلكترونات بل تنتقل: فيكون المركب أيونيًا.

برهان. نقبله: فهو ينتج عن تعريف الكهرسلبية، والعتبات اصطلاحات. ∎

تعريف 30.5 (الجزيئات القطبية وغير القطبية)

يكون الجزيء جزيئًا قطبيًا إذا لم ينطبق مركز شحناته الجزئية الموجبة على مركز شحناته الجزئية السالبة؛ وإذا انطبقا كان جزيئًا غير قطبي.

طريقة 30.6 (هل الجزيء قطبي؟)

ارسم بنية لويس وجد شكل الجزيء.
علّم الروابط القطبية بالرمزين $\delta^+$ و $\delta^-$ .
إذا لم توجد رابطة قطبية فالجزيء غير قطبي. وإلا فانظر إلى الشكل: إذا كانت الروابط القطبية مرتبة تناظريًا حول المركز تلاشت آثارها وكان الجزيء غير قطبي؛ وإلا كان قطبيًا.

في الماء يجعل الشكل المنحني مركز الشحنات الجزئية الموجبة (بين ذرتي الهيدروجين) تحت ذرة الأكسجين: فالجزيء قطبي. وفي ثنائي أكسيد الكربون تشد الرابطتان القطبيتان في اتجاهين متعاكسين (السهمان) فتتلاشيان: وينطبق مركزا الشحنات على ذرة الكربون.

مثال 30.7 (أربعة جزيئات)

لكلوريد الهيدروجين $\ce{HCl}$ رابطة قطبية واحدة، فهو قطبي، والكلور $\delta^-$ . والأمونياك $\ce{NH3}$ ، وهو هرم من ثلاث روابط $\ce{N-H}$ قطبية، قطبي، والنيتروجين $\delta^-$ . وليس للميثان $\ce{CH4}$ إلا روابط $\ce{C-H}$ شبه غير قطبية: فهو غير قطبي. ولرباعي كلورو الميثان $\ce{CCl4}$ أربع روابط $\ce{C-Cl}$ قطبية، لكنها على رؤوس رباعي أوجه منتظم: فتتلاشى آثارها ويكون الجزيء غير قطبي.

30.3 تآثرات فان دير فالس

تعريف 30.8 (تآثر فان دير فالس)

تآثر فان دير فالس تجاذب ضعيف بين جزيئات متجاورة، موجود بين كل الجزيئات، قطبية كانت أم لا: فإلكترونات كل جزيء تتحرك باستمرار، والشحنات غير المتوازنة اللحظية في جزيء تجذب شحنات جيرانه. وبين الجزيئات القطبية تضيف الشحنات الجزئية الدائمة تجاذبًا آخر.

قضية 30.9 (الجزيئات الأكبر تتجاذب أكثر)

تكبر تآثرات فان دير فالس مع حجم الجزيئات، أي مع عدد إلكتروناتها؛ وبين جزيئات متشابهة تكون للأكبر منها درجات الانصهار والغليان الأعلى.

برهان. نقبله: فالسحابة الإلكترونية الأكبر أسهل تشوّهًا، فتكون شحناتها اللحظية أكبر، ويكون تلامسها مع جيرانها أكثر. ∎

مثال 30.10 (الهالوجينات)

الجزيئات $\ce{F2}$ و $\ce{Cl2}$ و $\ce{Br2}$ و $\ce{I2}$ كلها غير قطبية وأكبر فأكبر. وترتفع درجات غليانها معها: $-188\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ و $-34\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ و $59\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ و $184\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . وفي درجة حرارة الغرفة يكون الفلور والكلور غازين، والبروم سائلًا، واليود جسمًا صلبًا.

ملاحظة 30.11 (الوزغ)

تآثر فان دير فالس الواحد ضئيل، لكن التآثرات تتراكم. فوسائد أصابع الوزغ مغطاة بسجادة كثيفة من شعيرات مجهرية، ينقسم كل منها إلى أطراف أدق، تقترب من الزجاج بما يكفي لتعمل تآثرات فان دير فالس على مساحة كلية كبيرة جدًا.

30.4 الروابط الهيدروجينية

تعريف 30.12 (الرابطة الهيدروجينية)

الرابطة الهيدروجينية تجاذب بين ذرة هيدروجين مرتبطة بذرة شديدة الكهرسلبية (نيتروجين، أو أكسجين، أو فلور)، تحمل $\delta^+$ واضحة، وزوج حر لذرة نيتروجين أو أكسجين أو فلور أخرى، كثيرًا ما تكون في جزيء مجاور. وتُرسم بخط متقطع، والذرات الثلاث المعنية تكاد تكون على خط مستقيم.

الروابط الهيدروجينية (المتقطعة) حول جزيء ماء في الماء السائل: ترتبط ذرتا الهيدروجين فيه بذرتي أكسجين جزيئين مجاورين، ويستقبل الزوجان الحران لذرة أكسجينه ذرتي هيدروجين جزيئين آخرين.

مثال 30.13 (الإيثانول والبروبان)

للإيثانول والبروبان جزيئات متقاربة جدًا في الحجم: فصيغة الأول $\ce{CH3-CH2-OH}$ وكتلته المولية $46.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ، وصيغة الثاني $\ce{CH3-CH2-CH3}$ وكتلته المولية $44.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ . ومع ذلك يغلي الإيثانول عند $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ والبروبان عند $-42\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . فجزيئات الإيثانول، بمجموعتها $\ce{O-H}$ ، تكوّن روابط هيدروجينية بعضها مع بعض؛ أما جزيئات البروبان فلا تستطيع.

30.5 تماسك الأجسام الصلبة والسوائل

تعريف 30.14 (الجسم الصلب الجزيئي)

الجسم الصلب الجزيئي جسم صلب مكوّن من جزيئات يشد بعضها بعضًا بتآثرات فان دير فالس، وبروابط هيدروجينية حيث أمكن. فالجليد واليود الصلب والسكر أجسام صلبة جزيئية.

قضية 30.15 (التماسك وتغير الحالة)

كلما اشتد التجاذب بين جسيمات المادة ارتفعت درجتا انصهارها وغليانها. وبترتيب تزايد الشدة: تآثرات فان دير فالس، ثم الروابط الهيدروجينية، ثم التجاذب بين أيونات الجسم الصلب الأيوني.

برهان. نقبله: فالانصهار والغليان يباعدان الجسيمات رغم هذا التجاذب، وهذا يتطلب طاقة أكبر، أي درجة حرارة أعلى، حين يكون التجاذب أشد. ∎

مثال 30.16 (ثلاثة أجسام صلبة)

كلوريد الصوديوم، وهو جسم صلب أيوني، ينصهر عند $801\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ؛ والجليد، الذي تمسكه الروابط الهيدروجينية، عند $0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ؛ والميثان الصلب، الذي لا تمسكه إلا تآثرات فان دير فالس بين جزيئات صغيرة، عند درجة أدنى بكثير من $-150\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

درجات غليان مركبات الهيدروجين مع عناصر الزمر من 14 إلى 17. ترتفع في كل زمرة مع حجم الجزيء، ما عدا العضو الأول في الزمر 15 و16 و17، فقيمه أعلى بكثير من المتوقع: فالأمونياك والماء وفلوريد الهيدروجين تكوّن روابط هيدروجينية. (ولا تُمثَّل قيمة حيث لا تعطي المصادر المستعملة قيمة.)

ملاحظة 30.17 (الجليد والثلج)

في الجليد يرتبط كل جزيء ماء بروابط هيدروجينية بأربعة جيران، في شبكة مفتوحة من حلقات سداسية. وهذه الشبكة تترك فراغًا أكبر مما في الماء السائل، حيث تتكسر الروابط وتتكوّن باستمرار: فالجليد أقل كثافة من الماء ويطفو. والتناظر السداسي لبلورات الثلج يعكس الحلقات السداسية للشبكة.

بلورات ثلج صوّرها ويلسون بنتلي في أوائل القرن العشرين: لكل منها ستة فروع.

30.6 تمارين

تمرين 30.1 ★

في الروابط $\ce{H-Cl}$ و $\ce{O-H}$ و $\ce{C-O}$ ، أي ذرة تحمل الشحنة الجزئية $\delta^-$ ؟ استعمل جدول الكهرسلبيات.

حل

حل التمرين 30.1.

$\ce{H-Cl}$ : الكلور (3.16 مقابل 2.20). $\ce{O-H}$ : الأكسجين (3.44). $\ce{C-O}$ : الأكسجين (3.44 مقابل 2.55).

تمرين 30.2 ★

أي هذه الروابط قطبية: $\ce{H-H}$ و $\ce{C-H}$ و $\ce{O-H}$ و $\ce{N-H}$ و $\ce{Cl-Cl}$ و $\ce{C-Cl}$ ؟ أعطِ فرق الكهرسلبية لكل منها.

حل

حل التمرين 30.2.

$\ce{H-H}$ : 0، غير قطبية. $\ce{C-H}$ : 0.35، تُعدّ غير قطبية. $\ce{O-H}$ : 1.24، قطبية. $\ce{N-H}$ : 0.84، قطبية. $\ce{Cl-Cl}$ : 0، غير قطبية. $\ce{C-Cl}$ : 0.61، قطبية.

تمرين 30.3 ★

أي العنصرين أشد كهرسلبية في كل زوج: النيتروجين أم الفوسفور؛ والأكسجين أم الكبريت؛ والكربون أم النيتروجين؛ والصوديوم أم المغنيسيوم؟ وأي اتجاه في الجدول يوضحه كل زوج؟

حل

حل التمرين 30.3.

النيتروجين (3.04 > 2.19) والأكسجين (3.44 > 2.58): تتناقص الكهرسلبية نزولًا في الزمرة. والنيتروجين (3.04 > 2.55) والمغنيسيوم (1.31 > 0.93): تتزايد من اليسار إلى اليمين على امتداد الدورة.

تمرين 30.4 ★

أي الجزيئات $\ce{CH4}$ و $\ce{NH3}$ و $\ce{H2O}$ و $\ce{HCl}$ يستطيع أن يكوّن روابط هيدروجينية بين جزيئاته؟ علّل.

حل

حل التمرين 30.4.

الأمونياك والماء: لكل منهما ذرات هيدروجين مرتبطة بالنيتروجين أو الأكسجين، وأزواج حرة على تلك الذرة. أما الميثان فليس فيه هيدروجين على N أو O أو F؛ وكلوريد الهيدروجين فيه هيدروجين مرتبط بالكلور، وهو ليس من الذرات الثلاث الواردة في التعريف.

تمرين 30.5 ★

هل توجد تجاذبات بين جزيئات الميثان غير القطبية؟ ولماذا يبقى الميثان مع ذلك غازًا في درجة حرارة الغرفة؟

حل

حل التمرين 30.5.

نعم: فتآثرات فان دير فالس موجودة بين كل الجزيئات. لكن جزيئات الميثان صغيرة (10 إلكترونات)، فتكون هذه التآثرات ضعيفة جدًا وتنكسر عند درجة حرارة منخفضة جدًا: فالميثان يغلي قرب $-162\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

تمرين 30.6 ★★

قل عن كل جزيء هل هو قطبي: ثنائي كلورو الميثان $\ce{CH2Cl2}$ (رباعي الأوجه)، ورباعي كلورو الميثان $\ce{CCl4}$ ، والأمونياك $\ce{NH3}$ ، وثنائي أكسيد الكربون $\ce{CO2}$ ، وثلاثي فلوريد البور $\ce{BF3}$ (مثلث مستوٍ والبور في مركزه).

حل

حل التمرين 30.6.

$\ce{CH2Cl2}$ : قطبي (رابطتان $\ce{C-Cl}$ قطبيتان ورابطتان $\ce{C-H}$ شبه غير قطبيتين: ولا تناظر يلغيها). $\ce{CCl4}$ : غير قطبي (أربع روابط متماثلة على رؤوس رباعي أوجه). $\ce{NH3}$ : قطبي (هرم). $\ce{CO2}$ : غير قطبي (خطي، رابطتان متعاكستان). $\ce{BF3}$ : غير قطبي (ثلاث روابط قطبية متماثلة على $120{}^{\circ}$ في مستوٍ تتلاشى).

تمرين 30.7 ★★

في الميثانول، $\ce{CH3-OH}$ ، أي ذرة هيدروجين يمكن أن تُعطى في رابطة هيدروجينية؟ وأي ذرة يمكن أن تستقبلها؟ وهل تستطيع جزيئات الميثانول والماء أن تكوّن روابط هيدروجينية بعضها مع بعض؟ ارسم واحدة.

حل

حل التمرين 30.7.

يمكن أن يُعطى هيدروجين المجموعة $\ce{O-H}$ (لا هيدروجينات $\ce{CH3}$ ، المرتبطة بالكربون)؛ وتستطيع ذرة الأكسجين، بزوجيها الحرين، أن تستقبل. نعم: فالمجموعة $\ce{O-H}$ في الميثانول تستطيع أن ترتبط بأكسجين جزيء ماء، والمجموعة $\ce{O-H}$ في الماء بأكسجين الميثانول، مثلًا $\ce{CH3-O-H}$ $\cdots$ $\ce{OH2}$ .

تمرين 30.8 ★★

اشرح لماذا ترتفع درجات الغليان بالترتيب $\ce{CH4}$ < $\ce{SiH4}$ < $\ce{GeH4}$ .

حل

حل التمرين 30.8.

الجزيئات الثلاثة غير قطبية ومن الشكل نفسه، لكنها أكبر فأكبر (10 و18 و36 إلكترونًا): فتكبر تآثرات فان دير فالس بينها، وترتفع معها درجات غليانها.

تمرين 30.9 ★★

في مخطط درجات غليان الهيدريدات، أي زمرة لا تُظهر قيمة غير عادية لعضوها الأول؟ ولماذا؟

حل

حل التمرين 30.9.

الزمرة 14: فالميثان ليس فيه هيدروجين مرتبط بذرة N أو O أو F ولا يكوّن روابط هيدروجينية، فهو يتبع اتجاه زمرته.

تمرين 30.10 ★★

الروابط $\ce{H-Cl}$ و $\ce{H-Br}$ و $\ce{H-I}$ أقل فأقل قطبية (كهرسلبيات الكلور والبروم واليود 3.16 و2.96 و2.66)، ومع ذلك ترتفع درجات الغليان: $-85\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ و $-66\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ و $-35\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . أي التآثرين يغلب، ولماذا؟

حل

حل التمرين 30.10.

تآثرات فان دير فالس: فالجزيئات تكبر من $\ce{HCl}$ إلى $\ce{HI}$ ، وازدياد هذه التآثرات مع الحجم يفوق نقص التجاذب بين الشحنات الجزئية.

تمرين 30.11 ★★

في درجة حرارة الغرفة يكون الكلور غازًا واليود جسمًا صلبًا، مع أن كليهما مكوّن من جزيئات غير قطبية $\ce{X2}$ . علّل.

حل

حل التمرين 30.11.

جزيء اليود أكبر بكثير من جزيء الكلور (106 إلكترونات مقابل 34): فتآثرات فان دير فالس بين جزيئاته أقوى بكثير، وتكفي لإمساك الجزيئات في جسم صلب في درجة حرارة الغرفة.

تمرين 30.12 ★★★

للإيثانول $\ce{CH3-CH2-OH}$ ، والميثوكسي ميثان $\ce{CH3-O-CH3}$ ، والبروبان $\ce{CH3-CH2-CH3}$ الكتلة المولية نفسها تقريبًا. وهي تغلي عند $78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ و $-25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ و $-42\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . أيها قطبي؟ وأيها يكوّن روابط هيدروجينية بين جزيئاته؟ اشرح الترتيب.

حل

حل التمرين 30.12.

البروبان غير قطبي: تآثرات فان دير فالس فقط. والميثوكسي ميثان قطبي (رابطتان $\ce{C-O}$ قطبيتان في $\ce{C-O-C}$ منحنية) لكن ليس على أكسجينه هيدروجين: فلا روابط هيدروجينية بين جزيئاته. والإيثانول قطبي ومجموعاته $\ce{O-H}$ تكوّن روابط هيدروجينية. وكلما اشتد التجاذب ارتفعت درجة الغليان: البروبان < الميثوكسي ميثان < الإيثانول.

تمرين 30.13 ★★★

في الجليد يرتبط كل جزيء ماء بروابط هيدروجينية بأربعة جيران، في شبكة مفتوحة؛ وفي الماء السائل تتكسر الشبكة باستمرار وتنهار جزئيًا. اشرح لماذا يطفو الجليد على الماء. ولماذا يهم ذلك أسماك بحيرة متجمدة؟

حل

حل التمرين 30.13.

الشبكة المفتوحة للجليد تشغل حيزًا أكبر من الجزيئات نفسها في السائل، فالجليد أقل كثافة من الماء السائل ويطفو. والبحيرة تتجمد من أعلاها: فتعزل طبقة الجليد الماء الذي تحتها، فيبقى سائلًا، وتنجو الأسماك.

تمرين 30.14 ★★★

رتّب بحسب تزايد درجة الانصهار، وعلّل بالتجاذب بين الجسيمات: كلوريد البوتاسيوم $\ce{KCl}$ ، والجليد $\ce{H2O}$ ، والميثان الصلب $\ce{CH4}$ .

حل

حل التمرين 30.14.

الميثان الصلب (تآثرات فان دير فالس بين جزيئات صغيرة) < الجليد (روابط هيدروجينية) < كلوريد البوتاسيوم (تجاذب بين الأيونات).

تمرين 30.15 ★★★

الفلور أشد كهرسلبية من الأكسجين، فالرابطة $\ce{H-F}$ أشد قطبية من الرابطة $\ce{O-H}$ . ومع ذلك يغلي الماء عند $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ وفلوريد الهيدروجين عند $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . عُدّ ذرات الهيدروجين التي يستطيع كل جزيء أن يعطيها والأزواج الحرة التي يستطيع أن يستقبل بها، واشرح.

حل

حل التمرين 30.15.

لجزيء الماء ذرتا هيدروجين يعطيهما وزوجان حران يستقبل بهما: فيستطيع كل جزيء أن يشارك في أربع روابط هيدروجينية، اثنتان معطاة واثنتان مستقبلة، وهذا يبني شبكة كاملة. أما جزيء فلوريد الهيدروجين فله ثلاثة أزواج حرة لكن ذرة هيدروجين واحدة فقط: فهو يعطي رابطة هيدروجينية واحدة، فلا تتكوّن في المتوسط إلا رابطة واحدة لكل جزيء (سلاسل متعرجة). فللماء نحو ضعف الروابط الهيدروجينية لكل جزيء، فيغلي عند درجة أعلى.

30.7 مسألة: لماذا يغلي الماء عند $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ؟

مسألة 30.1

مسألة نهاية الأسبوع — لولا الروابط الهيدروجينية، عند أي درجة حرارة كان الماء سيغلي؟

الأكسجين والكبريت والسيلينيوم في الزمرة نفسها من الجدول، والثلاثة تكوّن مركبًا مع الهيدروجين: $\ce{H2O}$ و $\ce{H2S}$ و $\ce{H2Se}$ . وفي كل زمرة من الهيدريدات ترتفع درجات الغليان عادة مع حجم الجزيء. والماء يخالف القاعدة. فبكم؟

الجزء الأول — ثلاثة جزيئات.

ارسم بنى لويس للجزيئات $\ce{H2O}$ و $\ce{H2S}$ و $\ce{H2Se}$ . لماذا هي متشابهة؟
احسب كتلها المولية.
احسب فروق الكهرسلبية للروابط $\ce{O-H}$ و $\ce{S-H}$ و $\ce{Se-H}$ (الأكسجين 3.44، والكبريت 2.58، والسيلينيوم 2.55، والهيدروجين 2.20). أي الروابط قطبية بوضوح؟
ما شكل الجزيئات الثلاثة؟ وهل هي قطبية؟
عُدّ إلكترونات كل جزيء. أيها له أقوى تآثرات فان دير فالس؟

الجزء الثاني — الروابط الهيدروجينية.

أي المركبات الثلاثة يكوّن روابط هيدروجينية بين جزيئاته؟ ولماذا لا يكوّنها الآخران؟
كم رابطة هيدروجينية يستطيع جزيء ماء واحد أن يشارك فيها على الأكثر؟ ارسمها.
أي التآثرات تمسك جزيئات كبريتيد الهيدروجين بعضها ببعض في السائل؟

الجزء الثالث — الاتجاه.

يغلي كبريتيد الهيدروجين عند $212.9\,\mathrm{K}$ وسيلينيد الهيدروجين عند $-41.3\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . عبّر عن الأولى بالدرجات المئوية ( $\theta = T - 273.15$ ).
بكم ترتفع درجة الغليان من الدورة 3 ( $\ce{H2S}$ ) إلى الدورة 4 ( $\ce{H2Se}$ )؟
لماذا ترتفع؟
بافتراض الارتفاع نفسه من الدورة 2 إلى الدورة 3، عند أي درجة حرارة كان سيغلي $\ce{H2O}$ «عادي»؟
اختبر الطريقة على الزمرة 14: يغلي $\ce{SiH4}$ عند $-112\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ و $\ce{GeH4}$ عند $-88.1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . تنبأ بدرجة غليان $\ce{CH4}$ وقارنها بالدرجة الحقيقية، $-162\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . هل الاستقراء دقيق؟
افعل الشيء نفسه للزمرة 17 ( $\ce{HCl}$ $-85.1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ، و $\ce{HBr}$ $-66.4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) وقارن بالمركب $\ce{HF}$ ، $19.6\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

الجزء الرابع — الفجوة.

يغلي الماء حقًا عند $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . ما حجم الفجوة بين القيمة الحقيقية والقيمة المستقرأة؟
السؤال نفسه للأمونياك، باستعمال $\ce{PH3}$ $-87.8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ و $\ce{AsH3}$ $-62.5\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ؛ والأمونياك يغلي حقًا عند $-33.4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .
رتّب الماء وفلوريد الهيدروجين والأمونياك بحسب حجم فجوتها، وفسّر الترتيب بعدّ الروابط الهيدروجينية.
لولا الروابط الهيدروجينية، هل كان الماء جسمًا صلبًا أم سائلًا أم غازًا في درجة حرارة الغرفة؟ وماذا كان سيعني ذلك للأرض؟
لماذا لا يعدو جواب السؤال 12 أن يكون تقديرًا؟
اذكر الجواب النهائي: عند أي درجة حرارة تقريبًا كان الماء سيغلي لولا الروابط الهيدروجينية؟

حل

حل المسألة 30.1.

1. $\ce{H-O-H}$ و $\ce{H-S-H}$ و $\ce{H-Se-H}$ ، ولكل ذرة مركزية زوجان حران: فلكل من O وS وSe ستة إلكترونات تكافؤ، لأنها في الزمرة نفسها.

2. $M(\ce{H2O}) = 18.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ، $M(\ce{H2S}) = 34.1\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ، $M(\ce{H2Se}) = 81.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

3. $3.44 - 2.20 = 1.24$ ؛ $2.58 - 2.20 = 0.38$ ؛ $2.55 - 2.20 = 0.35$ . فالرابطة $\ce{O-H}$ وحدها قطبية بوضوح.

4. منحنية (أربع مجموعات، منها زوجان حران). الماء قطبي؛ أما كبريتيد الهيدروجين وسيلينيد الهيدروجين فقطبيتهما ضئيلة جدًا.

5. 10 و18 و36 إلكترونًا: فسيلينيد الهيدروجين له أقوى تآثرات فان دير فالس.

6. الماء وحده: فذرات الهيدروجين فيه مرتبطة بالأكسجين، أحد الذرات الثلاث الشديدة الكهرسلبية؛ أما الكبريت والسيلينيوم فليسا من الكهرسلبية بحيث يعطيان ذرات الهيدروجين المرتبطة بهما $\delta^+$ واضحة.

7. أربع: اثنتان عن طريق ذرتي الهيدروجين فيه، واثنتان يستقبلهما زوجاه الحران.

8. تآثرات فان دير فالس (بما فيها تجاذب ضعيف بين الشحنات الجزئية الصغيرة).

9. $212.9 - 273.15 = -60.3\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ و $-41.3\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

10. $-41.3 - (-60.3) = 19.0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

11. الجزيء أكبر، فتكون تآثرات فان دير فالس بين جزيئاته أقوى.

12. $-60.3 - 19.0 = -79.3\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

13. الارتفاع $-88.1 - (-112) = 23.9\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ؛ والتنبؤ للميثان $-112 - 23.9 = -136\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ، مقابل $-162\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ في الواقع: فالاستقراء أعلى بنحو $26\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . فهو غير دقيق؛ والاتجاه الحقيقي ليس خطًا مستقيمًا.

14. الارتفاع $18.7\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ؛ والتنبؤ لفلوريد الهيدروجين $-85.1 - 18.7 = -103.8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ، مقابل $19.6\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : أي فجوة نحو $123\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

15. $100 - (-79.3) = 179\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ، أي نحو $180\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

16. الارتفاع $25.3\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ؛ والتنبؤ $-87.8 - 25.3 = -113\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ؛ والفجوة $-33.4 - (-113) = 80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

17. الماء ( $180\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) > فلوريد الهيدروجين ( $123\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) > الأمونياك ( $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ). فالماء يعطي ذرتي هيدروجين ويستقبل بزوجين حرين: أربع روابط هيدروجينية لكل جزيء، مستعملة كلها. ولفلوريد الهيدروجين هيدروجين واحد يعطيه، وللأمونياك زوج حر واحد فقط يستقبل به: ففي المتوسط روابط أقل لكل جزيء، والنيتروجين، وهو أقل كهرسلبية، يكوّن روابط أضعف.

18. غازًا: فكان سيغلي قرب $-80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . ولما كان على الأرض ماء سائل، ولا محيطات، ولا مطر، ولا شيء من الحياة التي تعتمد عليها.

19. فهو يستقرئ خطًا مستقيمًا مرسومًا عبر نقطتين فقط، والاختبار على الزمرة 14 يبيّن أن مثل هذا الاستقراء قد يخطئ بنحو $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

20. لولا الروابط الهيدروجينية لغلى الماء عند نحو $-80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ، أي أدنى من درجة غليانه الحقيقية بنحو $180\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ .

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (852) في المسرد