--- title: "القوى بين الجزيئات والمذيبات" book: "الكيمياء الجامعية — السنة الأولى" subject: chemistry language: ar chapter: 4 exercises: 12 source: https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/4-intermolecular-forces-and-solvents license: CC-BY-NC-SA-4.0 credit: "One Chemistry Book, One Course (one-course.com)" --- # الفصل 4 — القوى بين الجزيئات والمذيبات يجري أبو بريص على زجاج نافذة ويتدلى منه بإصبع واحدة؛ بلا غراء ولا مصّ، بل بمجرد التجاذب بين جزيئات وسائد أصابعه وجزيئات الزجاج. والماء، وجزيئه أخف من جزيء ثنائي أكسيد الكربون، يغلي عند $100\,{}^{\circ}\mathrm{C}$، بينما ثنائي أكسيد الكربون غاز في درجة حرارة الغرفة. والزيت يطفو على الخل ولا يمتزج به أبدًا؛ وملح الطعام يذوب في الماء ولا يذوب في البنزين. وكل هذه الوقائع لا تحسمها الروابط داخل الجزيئات، بل القوى الأضعف بكثير بينها. يصنّف هذا الفصل تلك القوى، ويقيس آثارها في درجات الغليان، ويستعملها لاختيار مذيب. **ما تعرفه من قبل.** قدّم الكتاب الأول (الصف الحادي عشر) قوى فان دير فالس [والروابط الهيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond)، وبيّن أن الأجسام الصلبة الأيونية تذوب بالتفكك [والذوبنة](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-dissolution). وعُرّفت [عزوم ثنائي القطب](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/3-vsepr#def-b1-lewis-resonance-vsepr-dipole) في [التعريف 3.22](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/3-vsepr#def-b1-lewis-resonance-vsepr-dipole) [وقابلية الاستقطاب](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/2-periodicity#def-b1-periodicity-polarisability) في [التعريف 2.19](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/2-periodicity#def-b1-periodicity-polarisability). ونستعمل من الفيزياء قانون كولوم: شحنتان $q_1$ و$q_2$ على مسافة $r$ في الفراغ تتجاذبان أو تتنافران بقوة طويلتها $|q_1q_2|/(4\pi \varepsilon_0 r^2)$. ![أبو بريص على زجاج نافذة. ملايين الشعيرات الدقيقة في وسائد أصابعه تقترب من الزجاج حتى إن التجاذب الضعيف بين جزيئاتها وجزيئات الزجاج يتراكم فيفوق وزنه.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-2/b1-intermolecular-forces-solvents/img-929554a7ad77.jpg) *أبو بريص على زجاج نافذة. ملايين الشعيرات الدقيقة في وسائد أصابعه تقترب من الزجاج حتى إن التجاذب الضعيف بين جزيئاتها وجزيئات الزجاج يتراكم فيفوق وزنه.* ## 4.1 تآثرات فان دير فالس **تعريف 4.1 (تآثرات فان دير فالس).** *تآثرات فان دير فالس* هي التجاذبات بين الجزيئات المتعادلة الناشئة عن تآثر ثنائيات أقطابها. ويميَّز منها ثلاثة أنواع: - *تآثر كيسوم* (أو تآثر التوجيه) بين ثنائيي قطب دائمين، يميلان إلى الاصطفاف رأسًا إلى ذيل؛ - *تآثر ديباي* (أو تآثر الحث) بين ثنائي قطب دائم وثنائي القطب الذي يحثّه في جار قابل للاستقطاب؛ - *تآثر لندن* (أو تآثر التشتت) بين ثنائيات الأقطاب اللحظية التي تولّدها تقلبات السحب الإلكترونية في أي ذرتين أو جزيئين، قطبيين أو غير قطبيين، والتي يحث بعضها بعضًا. ![تآثرات فان دير فالس الثلاثة. الشحنات الجزئية السوداء دائمة (جزيئات قطبية)؛ والبرتقالية محثوثة أو لحظية. وفي كل حالة تكون الشحنتان المتقابلتان متعاكستين، فتتجاذب الجزيئات.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-2/b1-intermolecular-forces-solvents/fig-fcd9f5538c2f.svg) *[تآثرات فان دير فالس](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-vdw) الثلاثة. الشحنات الجزئية السوداء دائمة ([جزيئات قطبية](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/3-vsepr#def-b1-lewis-resonance-vsepr-dipole))؛ والبرتقالية محثوثة أو لحظية. وفي كل حالة تكون الشحنتان المتقابلتان متعاكستين، فتتجاذب الجزيئات.* **قضية 4.2 (الشدة والمدى).** من أجل جزيئين على مسافة $r$، تتغير كل طاقة من طاقات فان دير فالس الثلاث كما $-1/r^6$: فلا يُحس التجاذب إلا بين الجيران. وطاقاتها من رتبة بضعة كيلوجولات لكل مول، أي أقل بنحو مئة مرة من طاقة [رابطة تساهمية](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/3-vsepr#def-b1-lewis-resonance-vsepr-lewis). ويكبر حد لندن مع قابليتي الاستقطاب لدى الشريكين؛ وهو حاضر بين كل الجزيئات وهو عادةً أكبر الثلاثة، إلا في الجزيئات الصغيرة الشديدة القطبية. **برهان.** *نقبله في هذا المستوى.* ∎ **مثال 4.3 (الغازات النبيلة والهالوجينات).** لا تتجاذب ذرات الغاز النبيل إلا بقوى لندن، التي تكبر مع عدد الإلكترونات: يغلي الهيليوم عند $-268.9\,{}^{\circ}\mathrm{C}$، والنيون عند $-246.1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$، والأرغون عند $-185.9\,{}^{\circ}\mathrm{C}$، والكريبتون عند $-153.4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$، والزينون عند $-108.1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. وكذلك يكون ثنائي الفلور وثنائي الكلور، في درجة حرارة الغرفة، غازين، وثنائي البروم سائلًا (يغلي عند $58.8\,{}^{\circ}\mathrm{C}$) وثنائي اليود جسمًا صلبًا. ![درجات غليان الألكانات الخطية C_nH_2n+2، من الميثان إلى الديكان. كل مجموعة CH2 مضافة تضيف إلكترونات وسطح تماس، ومن ثم تجاذب لندن؛ وتتناقص الزيادة ببطء، من نحو 75\, C في البداية إلى 25\, C عند الديكان.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-2/b1-intermolecular-forces-solvents/fig-050c96b8a1cd.svg) *درجات غليان الألكانات الخطية $\ce{C_nH_{2n+2}}$، من الميثان إلى الديكان. كل مجموعة $\ce{CH2}$ مضافة تضيف إلكترونات وسطح تماس، ومن ثم تجاذب لندن؛ وتتناقص الزيادة ببطء، من نحو $75\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ في البداية إلى $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ عند الديكان.* ## 4.2 الرابطة الهيدروجينية **تعريف 4.4 (الرابطة الهيدروجينية).** *الرابطة الهيدروجينية* تجاذب $\ce{X-H}\cdots\ce{Y}$ بين ذرة هيدروجين مرتبطة بذرة صغيرة شديدة [الكهرسلبية](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/2-periodicity#def-b1-periodicity-electronegativity) X ($\ce{N}$ أو $\ce{O}$ أو $\ce{F}$) [وزوج حر](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/3-vsepr#def-b1-lewis-resonance-vsepr-lewis) لذرة كهرسلبية أخرى Y. والجزيء الحامل للرابطة $\ce{X-H}$ هو مانح الرابطة الهيدروجينية، والحامل للذرة Y هو مستقبلها. وطاقتها، من 10 إلى $40\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$، تقع بين طاقات [تآثرات فان دير فالس](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-vdw) وطاقات [الروابط التساهمية](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/3-vsepr#def-b1-lewis-resonance-vsepr-lewis)؛ والذرات الثلاث $\ce{X}$ و$\ce{H}$ و$\ce{Y}$ شبه مصطفّة. **ملاحظة 4.5 (لماذا N وO وF).** تترك X الشديدة [الكهرسلبية](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/2-periodicity#def-b1-periodicity-electronegativity) للهيدروجين شحنة جزئية موجبة كبيرة؛ والهيدروجين، الذي لا [إلكترونات داخلية](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/1-quantum-numbers-and-electron-configurations#def-b1-quantum-numbers-configuration) له، ضئيل الحجم، فيستطيع [الزوج الحر](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/3-vsepr#def-b1-lewis-resonance-vsepr-lewis) للذرة Y أن يقترب منه كثيرًا. والشرطان لازمان كلاهما: فالروابط $\ce{C-H}$ ليست قطبية بما يكفي، والروابط $\ce{S-H}$ أو $\ce{Cl-H}$ تضم ذرات أكبر مما ينبغي وأضعف كهرسلبية من أن تكوّن [روابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) قوية. ![الروابط الهيدروجينية (منقّطة بالأحمر). في الماء السائل يشارك كل جزيء في ما يصل إلى أربع منها؛ وتتزاوج الأحماض الكربوكسيلية في مثنويات حلقية تمسكها رابطتان هيدروجينيتان.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-2/b1-intermolecular-forces-solvents/fig-7170a5c5d035.svg) *[الروابط الهيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) (منقّطة بالأحمر). في الماء السائل يشارك كل جزيء في ما يصل إلى أربع منها؛ وتتزاوج الأحماض الكربوكسيلية في مثنويات حلقية تمسكها [رابطتان هيدروجينيتان](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond).* **قضية 4.6 (الروابط الهيدروجينية ترفع درجات الغليان).** بين هيدريدات الزمر 15 و16 و17، تتزايد درجة الغليان من [الدورة](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/2-periodicity#def-b1-periodicity-table) 3 إلى الدورة 5، تبعًا [لتآثر لندن](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-vdw)؛ أما هيدريدات [الدورة](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/2-periodicity#def-b1-periodicity-table) 2، $\ce{NH3}$ و$\ce{H2O}$ و$\ce{HF}$، التي تكوّن [روابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond)، فتغلي فوق امتداد ذلك المنحى بكثير. وهيدريدات [الزمرة](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/2-periodicity#def-b1-periodicity-table) 14 ($\ce{CH4}$ و$\ce{SiH4}$ و$\ce{GeH4}$) لا تكوّن [روابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) وتتبع المنحى. ![درجات غليان هيدريدات الزمرة 14 (مربعات رمادية)، و15 (بالأزرق)، و16 (بالأحمر)، و17 (بالأخضر). كان الماء سيغلي قرب -79\, C لو تبع نظائره الأثقل (الخط المتقطع)؛ وروابطه الهيدروجينية ترفعها بنحو 180\, C.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-2/b1-intermolecular-forces-solvents/fig-2add178ae198.svg) *درجات غليان هيدريدات [الزمرة](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/2-periodicity#def-b1-periodicity-table) 14 (مربعات رمادية)، و15 (بالأزرق)، و16 (بالأحمر)، و17 (بالأخضر). كان الماء سيغلي قرب $-79\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ لو تبع نظائره الأثقل (الخط المتقطع)؛ وروابطه الهيدروجينية ترفعها بنحو $180\,{}^{\circ}\mathrm{C}$.* **مثال 4.7 (الإيثانول ومتماكبه).** للإيثانول، $\ce{CH3CH2OH}$، وللميثوكسي ميثان، $\ce{CH3OCH3}$، الصيغة نفسها $\ce{C2H6O}$ وتآثرات لندن نفسها تقريبًا. فالإيثانول، الذي مجموعته $\ce{O-H}$ مانحة ومستقبلة معًا، يغلي عند $78.4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$؛ أما الميثوكسي ميثان، الذي لا يستطيع إلا أن يستقبل، فيغلي عند $-25.0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. ## 4.3 المذيبات **تعريف 4.8 (السماحية النسبية).** في وسط ما، تُقسم قوة كولوم بين شحنتين على عدد $\varepsilon_r \ge 1$، هو *السماحية النسبية* (أو ثابت العزل الكهربائي) للوسط: $$ F = \frac{|q_1 q_2|}{4\pi\varepsilon_0\varepsilon_r r^2} . $$ وهي كبيرة في سوائل [الجزيئات القطبية](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/3-vsepr#def-b1-lewis-resonance-vsepr-dipole)، التي تتوجه حول الشحنات فتحجبها: $78.4$ للماء عند $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$، و$1.89$ للهكسان عند $20\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. **تعريف 4.9 (المذيبات القطبية والبروتونية واللابروتونية).** *المذيب القطبي* مكوّن من جزيئات ذات [عزم ثنائي قطب](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/3-vsepr#def-b1-lewis-resonance-vsepr-dipole) كبير وله [سماحية نسبية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-permittivity) كبيرة (أكثر من نحو 15)؛ والمذيب غير القطبي سماحيته صغيرة. و*المذيب البروتوني* جزيئاته تحمل ذرات هيدروجين قادرة على تكوين [روابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) ($\ce{O-H}$ أو $\ce{N-H}$)؛ و*المذيب اللابروتوني* لا يحمل أيًّا منها. | المذيب | $\varepsilon_r$ | $\mu$ (D) | القطبية | البروتونية | | --- | --- | --- | --- | --- | | الماء | 78.4 | 1.86 | قطبي | بروتوني | | الميثانول | 32.6 | 1.67 | قطبي | بروتوني | | الإيثانول | 24.3 | 1.52 | قطبي | بروتوني | | الأسيتونتريل، $\ce{CH3CN}$ | 37.5 | 3.92 | قطبي | لابروتوني | | البروبانون (الأسيتون) | 20.7 | 2.88 | قطبي | لابروتوني | | ثنائي كلورو الميثان | 9.08 | 1.62 | ضعيف القطبية | لابروتوني | | إيثانوات الإيثيل | 6.02 | 1.78 | ضعيف القطبية | لابروتوني | | الإيثوكسي إيثان | 4.34 | 1.15 | ضعيف القطبية | لابروتوني | | البنزين | 2.28 | 0 | غير قطبي | لابروتوني | | الهكسان | 1.89 | 0 | غير قطبي | لابروتوني | **تعريف 4.10 (الذوبنة، القدرة المؤيِّنة والقدرة المفكِّكة).** *ذوبنة* جسيم مذاب هي إحاطته بجزيئات مذيب متوجهة ومرتبطة به بقوى بين جزيئية (وهي الإماهة في الماء). و*القدرة المؤيِّنة* لمذيب هي قدرته على تحويل [رابطة تساهمية](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/3-vsepr#def-b1-lewis-resonance-vsepr-lewis) قطبية في المذاب إلى زوج أيونات، وهي خاصية [المذيبات القطبية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-solvent-classes) ذات [عزم ثنائي القطب](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/3-vsepr#def-b1-lewis-resonance-vsepr-dipole) الكبير؛ و*القدرة المفكِّكة* هي قدرته على فصل أيوني الزوج، وتقاس بسماحيته النسبية. **قضية 4.11 (الذوبان في ثلاث خطوات).** يمكن وصف ذوبان إلكتروليت في مذيب بثلاث خطوات: التأين (لمذاب جزيئي مثل $\ce{HCl}$)، وتفكك أزواج الأيونات، [وذوبنة](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-dissolution) الأيونات المنفصلة. ويُذيب المذيب المذابَ الأيوني أو الشديد القطبية جيدًا حين يكون قطبيًا (مؤيِّنًا)، عالي السماحية (مفكِّكًا) وقادرًا على [ذوبنة](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-dissolution) الأيونين كليهما — الكاتيونات بأزواجه الحرة، والأنيونات [بروابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) إن كان بروتونيًا. والماء يفعل الثلاثة. **مثال 4.12 (كلوريد الهيدروجين في الماء وفي الهكسان).** في الماء يتأين $\ce{HCl}$ ويتفكك تمامًا: $\ce{HCl(g) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)}$؛ فيوصل المحلول التيار. وفي الهكسان، غير القطبي والمنخفض السماحية، يذوب على هيئة جزيئات $\ce{HCl}$ ولا يوصل المحلول التيار. ![إماهة أيوني كلوريد الصوديوم (الطبقة الأولى وحدها، مرسومة في المستوي). يوجّه الماء طرفه السالب، الأكسجين، نحو الكاتيون، وإحدى ذرتي هيدروجينه نحو الأنيون.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-2/b1-intermolecular-forces-solvents/fig-39d6f99b9df9.svg) *إماهة أيوني كلوريد الصوديوم (الطبقة الأولى وحدها، مرسومة في المستوي). يوجّه الماء طرفه السالب، الأكسجين، نحو الكاتيون، وإحدى ذرتي هيدروجينه نحو الأنيون.* ## 4.4 الذوبانية والامتزاج والجزيئات المحبة للوسطين **قضية 4.13 (الشبيه يذيب الشبيه).** يذوب المذاب جيدًا في مذيب حين تكون التآثرات بين جزيئات المذاب وجزيئات المذيب مماثلة لتلك التي تفقدها: المذابات القطبية أو المكوّنة للأيونات في [المذيبات القطبية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-solvent-classes)، والمذابات غير القطبية في المذيبات غير القطبية، والمذابات المكوّنة [لروابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) في [المذيبات البروتونية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-solvent-classes). **استدلال.** يكسر الذوبان تآثرات مذاب–مذاب ومذيب–مذيب ويكوّن تآثرات مذاب–مذيب. فإذا كان المذاب غير قطبي والمذيب ماءً، فقدت جزيئات الماء [روابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) لتفسح له مكانًا ولم تكسب مقابلها إلا تآثرات لندن ضعيفة: فالذوبان غير مواتٍ. وإذا كانا كلاهما غير قطبيين، تقاربت تآثرات لندن المفقودة والمكتسبة، ورجّح الخلطَ الاضطرابُ الذي يحدثه. ∎ **تعريف 4.14 (السوائل القابلة للامتزاج).** يكون سائلان *قابلين للامتزاج* حين يمتزجان بكل النسب في طور سائل واحد؛ وإلا كوّنا طبقتين، الأقل كثافة منهما في الأعلى. **مثال 4.15 (الماء مع الإيثانول، والماء مع الهكسان).** الإيثانول [قابل للامتزاج](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-miscibility) بالماء: كلاهما بروتوني وقطبي، والإيثانول يكوّن [روابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) مع الماء كما يكوّنها مع نفسه. أما الهكسان والماء فغير [قابلين للامتزاج](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-miscibility). وثنائي اليود، وهو جسم صلب جزيئي، قليل الذوبان جدًا في الماء لكنه يذوب بسهولة في الهكسان أو في ثنائي كلورو الميثان: فإذا رُجّ اليود المائي مع مذيب كهذا انتقل إلى الطبقة العضوية، وهذا مبدأ الاستخلاص سائل–سائل ([الفصل 29](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/29-lab-techniques-i-safety-measurement-and-separation#ch-b1-lab-techniques-1)). ![صلصة سلطة في حالة سكون: زيت الزيتون، غير القطبي، يطفو على الخل، وهو محلول مائي؛ والسائلان غير قابلين للامتزاج.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-2/b1-intermolecular-forces-solvents/img-9ae84f331a38.jpg) *صلصة سلطة في حالة سكون: زيت الزيتون، غير القطبي، يطفو على الخل، وهو محلول مائي؛ والسائلان غير [قابلين للامتزاج](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-miscibility).* **تعريف 4.16 (المحب للماء، الكاره للماء، المحب للوسطين).** تكون المجموعة *محبة للماء* حين تتآثر تآثرًا مواتيًا مع الماء (مجموعات أيونية أو قطبية: $\ce{-COO^-}$، $\ce{-OH}$، $\ce{-SO3^-}$) و*كارهة للماء* حين لا تتآثر (السلاسل الهيدروكربونية). ويكون الجزيء *محبًّا للوسطين* حين يحمل رأسًا محبًا للماء وذيلًا كارهًا للماء معًا. **مثال 4.17 (الصابون).** دوديكانوات الصوديوم، $\ce{CH3(CH2)10COO- Na+}$، محبة للوسطين. فعند سطح الماء تنتصب جزيئاتها والرأس في الماء والذيل في الهواء. وفي باطن السائل، فوق تركيز صغير، تتجمع في كرات — هي المذيلات — ذيولها في الداخل ورؤوسها في الخارج. والدهن، غير القطبي، يذوب في القلب [الكاره للماء](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-amphiphile) للمذيلات ويحمله الماء بعيدًا. ![جزيئات محبة للوسطين (رأس أحمر محب للماء، وذيل متعرج كاره للماء) عند سطح الماء ومتجمعة في مذيلة، مرسومة في مقطع عرضي؛ وتُدرس المذيلات في مجلد السنة الثالثة.](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-2/b1-intermolecular-forces-solvents/fig-ba160240b251.svg) *جزيئات محبة للوسطين (رأس أحمر [محب للماء](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-amphiphile)، وذيل متعرج [كاره للماء](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-amphiphile)) عند سطح الماء ومتجمعة في مذيلة، مرسومة في مقطع عرضي؛ وتُدرس المذيلات في مجلد السنة الثالثة.* **طريقة 4.18 (اختيار مذيب).** لاختيار مذيب لمذاب أو لتفاعل: 1. حدّد طبيعة المذاب: أيوني، أو قطبي، أو قادر على منح [روابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) أو استقبالها، أو غير قطبي؛ 2. اختر مذيبًا من النوع نفسه ( [القضية 4.13](#prop-b1-intermolecular-forces-solvents-like) )، عالي السماحية إن وجب فصل أيونات؛ 3. لتفاعل بين أنيون وجزيء، فضّل مذيبًا قطبيًا لابروتونيًا، يذيب الملح دون أن يربط الأنيون [بروابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) ( [الفصل 19](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/19-nucleophilic-substitution#ch-b1-nucleophilic-substitution) )؛ 4. للاستخلاص، اختر مذيبًا غير [قابل للامتزاج](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-miscibility) بالمذيب الأول ويذوب فيه المذاب أكثر بكثير. ## 4.5 تمارين **تمرين 4.1 ★.** سمِّ التآثرات القائمة بين جسيمات الأرغون السائل، وكلوريد الهيدروجين السائل، والماء السائل، والميثان السائل، وثنائي اليود الصلب، وبيّن أيها الغالب في كل حالة. **حل التمرين 4.1.** الأرغون: لندن وحده. كلوريد الهيدروجين: كيسوم وديباي ولندن، والغلبة للندن ([التمرين 4.8](#exo-b1-intermolecular-forces-solvents-8))؛ والكلور أكبر من أن يكوّن [روابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) قوية. الماء: الغلبة [للروابط الهيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond)، مع حدود فان دير فالس الثلاثة. الميثان: لندن وحده. ثنائي اليود: لندن وحده، وهو قوي لأن الجزيء كبير وشديد القابلية للاستقطاب. **تمرين 4.2 ★.** أي هذه المواد يكوّن [روابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) بين جزيئاته نفسها: $\ce{CH3OH}$، $\ce{CH3OCH3}$، $\ce{CH3NH2}$، $\ce{CH3F}$، $\ce{HF}$، $\ce{CH4}$؟ وأيها لا يستطيع إلا أن يستقبل [روابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) من جزيء آخر؟ **حل التمرين 4.2.** بين جزيئاتها نفسها: $\ce{CH3OH}$ ($\ce{O-H}$)، و$\ce{CH3NH2}$ ($\ce{N-H}$) و$\ce{HF}$. أما $\ce{CH3OCH3}$ و$\ce{CH3F}$ فلهما [أزواج حرة](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/3-vsepr#def-b1-lewis-resonance-vsepr-lewis) على O أو F لكن لا هيدروجين عليهما: فلا يستطيعان إلا أن يستقبلا [روابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond)، من الماء مثلًا. و$\ce{CH4}$ لا يمنح ولا يستقبل. **تمرين 4.3 ★.** مستعينًا بجدول المذيبات، صنّف الماء والإيثانول والبروبانون والهكسان وثنائي كلورو الميثان والأسيتونتريل إلى قطبية أو غير قطبية، وبروتونية أو لابروتونية. **حل التمرين 4.3.** الماء والإيثانول: قطبيان، بروتونيان. البروبانون والأسيتونتريل: قطبيان، لابروتونيان. ثنائي كلورو الميثان: ضعيف القطبية، لابروتوني. الهكسان: غير قطبي، لابروتوني. **تمرين 4.4 ★.** فسّر لماذا يذوب ثنائي اليود في الهكسان أفضل بكثير منه في الماء، ولماذا يفعل كلوريد الصوديوم العكس. **حل التمرين 4.4.** ثنائي اليود غير قطبي: ففي الهكسان يستبدل تآثرات لندن بتآثرات لندن، بينما في الماء كان سيكسر [روابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) دون أن يعوضها. وكلوريد الصوديوم أيوني: فلا يستطيع فصل أيوناته إلا مذيب عالي السماحية، ولا يستطيع ذوبنتها إلا [مذيب قطبي](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-solvent-classes)؛ والهكسان ($\varepsilon_r = 1.89$) لا يفعل هذا ولا ذاك. **تمرين 4.5 ★★.** يغلي الميثانول عند $64.7\,{}^{\circ}\mathrm{C}$، والإيثانول عند $78.4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$، وحمض الإيثانويك عند $118.1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ والميثوكسي ميثان عند $-25.0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. فسّر هذا الترتيب. **حل التمرين 4.5.** ليس للميثوكسي ميثان رابطة $\ce{O-H}$: فلا يستطيع أن يمنح [روابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) ويغلي عند أدنى درجة. والميثانول والإيثانول كلاهما مترابط هيدروجينيًا؛ وللإيثانول، بمجموعة $\ce{CH2}$ زائدة، تآثرات لندن أقوى. ويكوّن حمض الإيثانويك مثنويات مترابطة هيدروجينيًا وهو الأثقل: فيغلي عند أعلى درجة. **تمرين 4.6 ★★.** احسب قوة كولوم بين أيون $\ce{Na+}$ وأيون $\ce{Cl-}$ تفصل بينهما $500\,\mathrm{pm}$ في الفراغ ($\varepsilon_0 = 8.854 \times 10^{-12}\,\mathrm{F}/\mathrm{m}$، $e = 1.602 \times 10^{-19}\,\mathrm{C}$)، ثم في الماء ($\varepsilon_r = 78.4$) وفي الهكسان ($\varepsilon_r = 1.89$). علّق. **حل التمرين 4.6.** في الفراغ $F = e^2/(4\pi\varepsilon_0 r^2) = (1.602 \times 10^{-19})^2/(4\pi \times 8.854 \times 10^{-12} \times (5.00 \times 10^{-10})^2) = 9.23 \times 10^{-10}\,\mathrm{N}$. وفي الماء $F/78.4 = 1.18 \times 10^{-11}\,\mathrm{N}$؛ وفي الهكسان $F/1.89 = 4.88 \times 10^{-10}\,\mathrm{N}$. فالماء يُضعف التجاذب بمقدار 41 مرة أكثر مما يضعفه الهكسان: فهو يستطيع إبقاء الأيونات متباعدة، والهكسان لا يستطيع. **تمرين 4.7 ★★.** البروبانون والماء قابلان للامتزاج بكل النسب؛ أما الهكسان والماء فلا. فسّر، مراعيًا التآثرات المكسورة والمتكوّنة. **حل التمرين 4.7.** يكسر خلط البروبانون بالماء بعض [الروابط الهيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) ماء–ماء لكنه يكوّن روابط جديدة بين الماء وأكسجين $\ce{C=O}$، إضافة إلى تآثرات ثنائي قطب–ثنائي قطب: فالحصيلة مواتية. أما الهكسان فلا يقدم للماء إلا تآثرات لندن ضعيفة مقابل [الروابط الهيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) التي سيكسرها: فيبقى السائلان منفصلين. **تمرين 4.8 ★★.** لجزيء $\ce{HCl}$ [عزم ثنائي قطب](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/3-vsepr#def-b1-lewis-resonance-vsepr-dipole) $1.09\,\mathrm{D}$ ويغلي عند $-85.0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$؛ ولجزيء $\ce{HBr}$ عزم $0.83\,\mathrm{D}$ ويغلي عند $-66.4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. لماذا يغلي الجزيء الأقل قطبية عند درجة أعلى؟ **حل التمرين 4.8.** لجزيء $\ce{HBr}$ إلكترونات أكثر وسحابة أكبر وأكثر قابلية للاستقطاب: [فتآثر لندن](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-vdw) فيه يفوق نظيره في $\ce{HCl}$ بأكثر مما ينقص [تآثر كيسوم](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-vdw) فيه عنه. فالغلبة للندن. **تمرين 4.9 ★★.** ارسم المثنوي الحلقي لحمض الإيثانويك. في محلول البنزين يسلك حمض الإيثانويك كأن كتلته المولية نحو ضعف $60\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$؛ أما في الماء فلا. فسّر الواقعتين. **حل التمرين 4.9.** ![](https://one-course.com/images/onecourse/chapters/chemistry-2/b1-intermolecular-forces-solvents/fig-8cee87dffd9b.svg) مقابل شريكه، ورابطتان $\ce{O-H}\cdots\ce{O=C}$ تُغلقان حلقة ثمانية الذرات. في البنزين، غير القطبي واللابروتوني، لا شيء ينافس هاتين الرابطتين: فيكون الحمض مثنويًا ويسلك سلوك جسيم كتلته نحو $120\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$. أما في الماء، فكل جزيء من الحمض يترابط هيدروجينيًا مع الماء بدلًا من ذلك: فتتفكك المثنويات. **تمرين 4.10 ★★★.** صف ذوبان كلوريد الصوديوم في الماء بلغة التفكك [والذوبنة](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-dissolution)، وذوبان كلوريد الهيدروجين في الماء بلغة التأين والتفكك [والذوبنة](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-dissolution). ولماذا يعطي كلوريد الهيدروجين في الهكسان محلولًا غير موصل؟ **حل التمرين 4.10.** كلوريد الصوديوم مكوّن من أيونات: والماء، العالي السماحية، يفصلها (التفكك) ويُميهها (الأكسجين نحو $\ce{Na+}$، والهيدروجين نحو $\ce{Cl-}$). وكلوريد الهيدروجين [جزيء قطبي](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/3-vsepr#def-b1-lewis-resonance-vsepr-dipole): والماء، القطبي، يحوّل الرابطة $\ce{H-Cl}$ إلى زوج أيونات $\ce{H3O+ Cl-}$ (التأين)، ويفصل الزوج (التفكك) ويُميه الأيونات. أما الهكسان فغير قطبي ومنخفض السماحية: فلا يؤيّن ولا يفكك، فلا أيونات تحمل التيار. **تمرين 4.11 ★★★.** انطلاقًا من درجات غليان الألكانات الخطية (البنتان $36.1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$، والديكان $174.1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$)، احسب متوسط الزيادة لكل مجموعة $\ce{CH2}$ بين $\ce{C5}$ و$\ce{C10}$، وقدّر درجة غليان الأونديكان. لماذا تتناقص الزيادة على امتداد السلسلة؟ **حل التمرين 4.11.** $(174.1 - 36.1)/5 = 27.6\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل $\ce{CH2}$. والزيادة الأخيرة (من النونان إلى الديكان) $23.4\,{}^{\circ}\mathrm{C}$، فينبغي أن يغلي الأونديكان قرب $174 + 22 \approx 196\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. فكل $\ce{CH2}$ تضيف الإسهام نفسه من [تآثر لندن](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-vdw)، لكنه جزء يصغر شيئًا فشيئًا من مجموع تآثرات الجزيء، في حين أن درجة الحرارة اللازمة للتغلب على التآثرات صارت مرتفعة أصلًا. **تمرين 4.12 ★★★.** دوديسيل كبريتات الصوديوم، $\ce{CH3(CH2)11OSO3^- Na+}$، منظِّف. عيّن جزأيه [المحب للماء](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-amphiphile) [والكاره للماء](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-amphiphile)، وارسم ترتيبه عند سطح الماء وفي مذيلة، وفسّر كيف يزيل بقعة زيتية من نسيج. **حل التمرين 4.12.** الجزء [المحب للماء](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-amphiphile): رأس الكبريتات $\ce{-OSO3^-}$ مع أيونه المرافق $\ce{Na+}$؛ والجزء [الكاره للماء](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-amphiphile): السلسلة ذات الاثنتي عشرة ذرة كربون. عند السطح، الرؤوس في الماء والذيول في الهواء؛ وفي المذيلة، الذيول في الداخل والرؤوس في الخارج. تذوب الذيول في دهن البقعة، وتبقيه الرؤوس على تماس مع الماء، فيُرفع الدهن في مذيلات. ## 4.6 مسألة: لو لم تكن للماء روابط هيدروجينية **مسألة 4.1.** مسألة نهاية الأسبوع — قوى لندن في الغازات النبيلة والألكانات، واختيار مذيب، ودرجة الغليان التي كانت للماء لولا الروابط الهيدروجينية درجات الغليان تحت $1\,\mathrm{atm}$ (بالوحدة ${}^{\circ}\mathrm{C}$): $\ce{He}$ $-268.9$، $\ce{Ne}$ $-246.1$، $\ce{Ar}$ $-185.9$، $\ce{Kr}$ $-153.4$، $\ce{Xe}$ $-108.1$؛ البنتان 36.1، والهكسان 68.8؛ $\ce{CH4}$ $-161.5$، $\ce{SiH4}$ $-112.0$، $\ce{GeH4}$ $-88.1$؛ $\ce{NH3}$ $-33.4$، $\ce{PH3}$ $-87.8$، $\ce{AsH3}$ $-62.5$؛ $\ce{H2O}$ 100.0، $\ce{H2S}$ $-60.3$، $\ce{H2Se}$ $-41.3$؛ $\ce{HF}$ 19.6، $\ce{HCl}$ $-85.0$، $\ce{HBr}$ $-66.4$. **الجزء الأول — لندن وحده.** 1. أي تآثر يمسك ذرات الأرغون السائل بعضها ببعض؟ 2. فسّر تزايد درجة الغليان من الهيليوم إلى الزينون. 3. لماذا كانت درجة غليان الهيليوم أدنى درجات غليان المواد كلها؟ 4. قارن البنتان بالهكسان: ماذا تضيف مجموعة $\ce{CH2}$ واحدة؟ 5. ليس للميثان والسيلان والجيرمان [عزم ثنائي قطب](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/3-vsepr#def-b1-lewis-resonance-vsepr-dipole) . أي تآثر يفسر ترتيب درجات غليانها؟ 6. لماذا لا تمكن أي [رابطة هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) في الميثان؟ **الجزء الثاني — اختيار المذيبات.** استعمل جدول المذيبات الوارد في الفصل. 7. أي مذيب في الجدول يذيب كلوريد الصوديوم أفضل من غيره، ولماذا؟ 8. بأي عامل يكون التجاذب بين أيونين أصغر في الماء منه في الهكسان على المسافة نفسها؟ 9. ينبغي إجراء تفاعل بين الأنيون $\ce{CN-}$ وجزيء عضوي في مذيب يذيب الملح لكنه لا يربط الأنيون [بروابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) . اختر واحدًا. 10. لاستخلاص ثنائي اليود من محلول مائي، أي مذيب في الجدول تختار، وفي أي طبقة ينتهي اليود؟ 11. فسّر لماذا لا يمكن استعمال الإيثانول في هذا الاستخلاص. 12. الإيثوكسي إيثان قليل الامتزاج بالماء مع أنه قطبي. اقترح تفسيرًا. **الجزء الثالث — الهيدريدات الأخرى.** 13. في [الزمرة](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/2-periodicity#def-b1-periodicity-table) 17، احسب تغير درجة الغليان من $\ce{HCl}$ إلى $\ce{HBr}$ ، ومدّد التغير نفسه رجوعًا إلى الدورة 2. 14. قارن القيمة المستكمَلة بدرجة غليان $\ce{HF}$ . 15. السؤالان نفسهما [للزمرة](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/2-periodicity#def-b1-periodicity-table) 15 ( $\ce{PH3}$ و $\ce{AsH3}$ و $\ce{NH3}$ ). 16. في [الزمرة](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/2-periodicity#def-b1-periodicity-table) 14، هل يقع $\ce{CH4}$ فوق الاستكمال من $\ce{SiH4}$ و $\ce{GeH4}$ أم تحته؟ ولماذا لا يدعو ذلك إلى الاستغراب؟ 17. رتّب فوائض $\ce{NH3}$ و $\ce{HF}$ والماء. 18. عُدّ [الروابط الهيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) التي يستطيع كل جزيء من $\ce{NH3}$ و $\ce{HF}$ و $\ce{H2O}$ أن يمنحها ويستقبلها، وفسّر الترتيب. **الجزء الرابع — ماء بلا [روابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond).** 19. لماذا يصلح $\ce{H2S}$ و $\ce{H2Se}$ للاستكمال، ولماذا لا يصلح الماء نفسه؟ 20. احسب تغير درجة الغليان من $\ce{H2S}$ إلى $\ce{H2Se}$ . 21. اكتب معادلة المستقيم المار بهاتين النقطتين، ومتغيره [الدورة](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/2-periodicity#def-b1-periodicity-table) $p$ . 22. استنتج درجة الغليان التي تكون للماء عند $p = 2$ . 23. بكم ترفع [الروابط الهيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) درجة غليان الماء؟ 24. استنتج: عند أي درجة حرارة كان الماء سيغلي لو تجاذبت جزيئاته كما تتجاذب جزيئات $\ce{H2S}$ ؟ **حل المسألة 4.1.** **1.** [تآثر لندن](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-vdw)، وهو الوحيد بين ذرات غير قطبية. **2.** من الهيليوم إلى الزينون يكبر عدد الإلكترونات والحجم، فتكبر [قابلية الاستقطاب](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/2-periodicity#def-b1-periodicity-polarisability) وتجاذب لندن. **3.** للهيليوم إلكترونان تمسكهما نواته بقوة: فهو أقل الذرات قابلية للاستقطاب، وأضعفها تجاذب لندن. **4.** $68.8 - 36.1 = 32.7\,{}^{\circ}\mathrm{C}$: تضيف مجموعة $\ce{CH2}$ واحدة إلكترونات وسطح تماس، ومن ثم تجاذب لندن. **5.** لندن، الذي يكبر مع [قابلية الاستقطاب](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/2-periodicity#def-b1-periodicity-polarisability): $\ce{CH4} < \ce{SiH4} < \ce{GeH4}$. **6.** ليس الكربون كهرسلبيًا بما يكفي لاستقطاب $\ce{C-H}$ بقوة، وليس للميثان [زوج حر](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/3-vsepr#def-b1-lewis-resonance-vsepr-lewis) يستقبل به [رابطة هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond). **7.** الماء: قطبي، بروتوني، وأعلاها سماحية؛ فهو يفصل الأيونين كليهما ويذوبنهما. **8.** $78.4/1.89 = 41$: التجاذب أضعف بمقدار 41 مرة في الماء. **9.** الأسيتونتريل (أو البروبانون): قطبي بما يكفي لإذابة الملح، ولابروتوني فيبقى الأنيون حرًا. **10.** الهكسان: غير [قابل للامتزاج](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-miscibility) بالماء، وغير قطبي مثل ثنائي اليود. فينتقل اليود إلى الهكسان، الطبقة العليا (الهكسان أقل كثافة من الماء). **11.** الإيثانول [قابل للامتزاج](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-miscibility) بالماء: فلا تتكوّن طبقة ثانية. **12.** يستقبل أكسجينه [روابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) من الماء، لكنه لا يستطيع أن يمنح أيًّا منها، ومجموعتا الإيثيل فيه كارهتان للماء: فلا يذوب إلا قليلًا. **13.** $-66.4 - (-85.0) = 18.6\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل [دورة](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/2-periodicity#def-b1-periodicity-table)؛ و$\ce{HF}$ المستكمَل: $-85.0 - 18.6 = -103.6\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. **14.** يغلي $\ce{HF}$ عند $19.6\,{}^{\circ}\mathrm{C}$، أي $123\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ فوق الاستكمال. **15.** $-62.5 - (-87.8) = 25.3\,{}^{\circ}\mathrm{C}$؛ و$\ce{NH3}$ المستكمَل: $-113.1\,{}^{\circ}\mathrm{C}$؛ والفعلي $-33.4$، أي أعلى بمقدار $80\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. **16.** $-88.1 - (-112.0) = 23.9\,{}^{\circ}\mathrm{C}$؛ و$\ce{CH4}$ المستكمَل: $-135.9\,{}^{\circ}\mathrm{C}$؛ والفعلي $-161.5$، أي تحته. فالميثان لا يكوّن [روابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond)؛ إنه ببساطة صغير وضعيف القابلية للاستقطاب. **17.** الماء (نحو $179\,{}^{\circ}\mathrm{C}$) $>$ $\ce{HF}$ (123) $>$ $\ce{NH3}$ (80). **18.** يستطيع $\ce{NH3}$ أن يمنح ثلاثًا لكنه لا يستقبل إلا واحدة ([زوج حر](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/3-vsepr#def-b1-lewis-resonance-vsepr-lewis) واحد)؛ ويستطيع $\ce{HF}$ أن يستقبل ثلاثًا لكنه لا يمنح إلا واحدة. أما الماء فيمنح اثنتين ويستقبل اثنتين: فكل جزيء يستطيع المشاركة في أربع [روابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond)، فتتكوّن شبكة ثلاثية الأبعاد كاملة. **19.** لا يكوّن $\ce{H2S}$ و$\ce{H2Se}$ [روابط هيدروجينية](#def-b1-intermolecular-forces-solvents-hbond) ذات شأن: فدرجتا غليانهما تتبعان منحى لندن الذي كان الماء سيتبعه لولاها. أما الماء نفسه فهو الشذوذ المراد قياسه. **20.** $-41.3 - (-60.3) = 19.0\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ لكل [دورة](https://one-course.com/books/chemistry/2/ar/chapter/2-periodicity#def-b1-periodicity-table). **21.** $T(p) = -60.3 + 19.0\,(p - 3)$ بالوحدة ${}^{\circ}\mathrm{C}$. **22.** $T(2) = -60.3 - 19.0 = -79.3\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. **23.** $100.0 - (-79.3) = 179\,{}^{\circ}\mathrm{C}$. **24.** لولا روابطه الهيدروجينية لغلى الماء قرب **$-79\,{}^{\circ}\mathrm{C}$**، ولكان غازًا على الأرض.