القوى بين الجزيئية Intermolecular

ما أنواع القوى التي تربط الجزيئات المعتدلة بعضها مع بعض؟ يبدو كما في القوى بين الأيونية أن هذه القوى، ذات طبيعة كهرساكنة، تشتمل على تجاذب الشحنات الموجبة والشحنات السالبة. وهناك نوعان من القوى بين الجزيئية؛ التأثرات ثنائي قطب – ثنائي قطب، وقوى فاندرفالس (Van der walls).

إن التآثرات ثنائي قطب – ثنائي قطب هي جذب النهاية الموجبة لأحد أطراف الجزيء القطبي للنهاية السالبة لجزيء قطبي آخر. في كلوريد الهيدروجين، مثلاً ينجذب الهيدروجين الموجب نسبياً في أحد الجزيئات الى الكلور السالب نسبياً في جزيء آخر.

وكنتيجة للتآثرات ثنائي قطب – ثنائي قطب، فإن الجزيئات القطبية ترتبط ببعضها مع بعض بقوة أكبر من قوة ارتباط الجزيئات غير القطبية التي لها تقريباً ذات الوزن الجزيئي؛ ينعكس هذا الفرق في شدة القوى بين الجزيئية، على الخواص الفيزيائية للمركبات المدروسة.

هناك نوع خاص من التجاذب القوي – ثنائي قطب، هو الرابطة الهيدروجينية حيث تقوم فيها ذرة هيدروجين بدور جسر بين ذرتين كهرسلبيتين، رابطة إحداهما برابطة مشتركة، في حين تربط الأخرى بقوة كهرساكنة صرفة.

عندما يرتبط الهيدروجين مع ذرة ذات كهرسلبية عالية تتشوه السحابة الالكترونية بشدة وتنحرف باتجاه الذرة الكهرسلبية، كاشفة نواة الهيدروجين. وهكذا، تنجذب بشدة الشحنة الموجبة القوية الموجودة في نواة الهيدروجين المكشوفة الى الشحنة السالبة التابعة للذرة الكهرسلبية في الجزيء الآخر. تبلغ شدة هذا التجاذب نحو 5 كيلو حريرة/مول، وهو لهذا أصغر بكثير من شدة الترابط المشترك (البالغة نحو 50 – 100 كيلو حريرة/مول). التي تربط الهيدروجين مع الذرة الكهرسلبية الأولى. ولكنها أكثر قوة من التجاذبات ثنائي قطب – ثنائي قطب الأخرى. يدل على الرابطة الهيدروجينية في الصيغة، عادة، بخط منقطع:

ولكي يكون الارتباط الهيدروجيني مهماً، يجب أن تنتمي الذرتان الكهرسلبيتان كلاهما الى المجموعة F, O, N فقط. إن الهيدروجين المرتبط بواحد من هذه العناصر هو الذي يكون موجباً بشكل يكفي لحدوث التجاذب مع هذه العناصر الثلاثة التي هي سالبة بشكل يكفي لحدوث ذلك التجاذب. ويعود التأثير الخاص لهذه العناصر الثلاثة الى تركيز الشحنة السالبة على ذراتهم الصغيرة.

يجب أن توجد قوى تجاذب بين جزيئات المركبات غير القطبية، لأن مثل هذه المركبات يمكن أن تتصلب. تدعى مثل هذه التجاذبات قوى فاندرفالس (Van der walls) . لقد تصدى ميكانيك الكم لدراسة هذه القوى التي يمكن توضيح نشأتها بشكل تقريبي كما يلي: يكون التوزع الوسطي للشحنة حول، لنقل، جزيء الميتان متناظراً، بحيث لا

ينشأ عزم ثنائي قطب اجمالي. ولكن الالكترونات تتحول بحيث يكون من المحتمل أن يتشوه التوزع في أي لحظة، وبالتالي ينشأ ثنائي قطب صغير. يؤثر مثل ثنائي القطب اللحظي هذا، في التوزع الالكتروني لجزيء ميتان آخر مجاور. إذ تميل الجهة السالبة لثنائي القطب الى دفع الالكترونات، في حين تميل الجهة الموجبة الى جذب الالكترونات؛ وهكذا يولد ثنائي القطب الناشيء، ثنائي قطب آخر معاكس في الاتجاه للأول في جزيء مجاور.

وعلى الرغم من ثنائيات القطب اللحظية وثنائيات القطب المحرضة تتغير باستمرار إلا أن النتيجة النهائية تظهر على شكل الجزيئين. إن لقوى فان ديرفالس هذه مجالاً قيراً جداً، فهي لا تؤثر إلا في قطع الجزيئات المختلفة التي تكون على تماس وثيق أي بين سطوح الجزيئات. وكما سنرى  فإن العلاقة بين شدة قوى فان ديرفالس وسطوح الجزيئات، ستساعدنا على فهم تأثير الحجم الجزيئي والشكل الجزيئي على الخواص الفيزيائية.

أما بالنسبة للذرات الأخرى غير المرتبطة – سواء كانت في جزيء آخر أم في جزء آخر من نفس الجزيء – فإن كل ذرة تملك حجماً مؤثراً يدعى نصف قطر فان ديرفالس. فعندما تقترب ذرتان غير مرتبطتين يزداد التجاذب بينهما باستمرار الى أن يبلغ قيمة عظمى عندما تكونان على وشك التلامس أي عندما تصبح المسافة بين نواتيهما مساوية الى حاصل جمع نصف قطري فان ديرفالس لهما، إذا ما ارغمت الذرتان على التقارب أكثر من ذلك. فإن تجاذب فان ديرفالس يتحول بسرعة الى تدافع فان ديرفالس. وهكذا، فإن الذرات غير المرتبطة ترحب بالتلامس فيما بينها لكنها تقاوم الازدحام بشدة.