وضعيات  نظامي البيوتان. قوى التنافر لفاندرفالس

Conformations of n-butane. Van der Waals repulsion

دعونا ننظر بشكل أكثر قرباً الى جزيء نظامي البيوتان والى الوضعيات  التي يوجد عليها. لنركز انتباهنا على الرابطة الوسطى (C-C)، فنرى جزيئا مشابهاً للإيتان، ولكن توجد زمرة متيل على كل من ذرتي الكربون بدلاً من ذرة هيدروجين. وكما في الايتان، تملك الوضعيات  المزيوحة طاقة فتل أقل، وعليه تكون أكثر استقراراً من الوضعيات  المخسوفة.

ولكن بسبب وجود زمرتي المتيل، تصادفنا نقطتان جديدتان: الأولى، وجود وضعيات  مزيوحة مختلفة؛ والثانية: وجود عامل آخر الى جانب اجهاد الفتل، يؤثر في استقرار الوضعيات .

يوجد الدوران المضاد (I) حيث تكون زمرتا المتيل أبعد ما يمكن عن بعضها البعض (الزاوية ثنائية الوجه 180˚). ويوجد دورانان يساريان (II) و(III) حيث تكون الزاوية الثنائية الوجه بين زمرتين المتيل فقط (60˚).

(الدورانان II وIII هما خيالان في المرآة، وهما في سوية الاستقرار نفسها. ومع ذلك، فهما مختلفان. اصنع نماذج واقنع نفسك أن الأمر كذلك).

الشكل 1.1: تغيرات الطاقة الكامنة أثناء الدوران حول الرابطة C(2)-C(3) في نظامي البيوتان

وقد وجد أن الدوران المضاد أكثر استقراراً من اليساري بطاقة قدرها 0.8 كيلو حريرة/مول. وكلاهما متحرر من الاجهاد الفتلي، لكن في الدوران اليساري تتزاحم زمرة متيل مع زمرة مثيل أخرى، أي أنها أقرب الى بعضهما من مجموع نصفي قطري فاندرفالس لهما، وفي شروط كهذه تكون قوى فاندرفالس قوى تدافع مما يدفع من طاقة الدوران وتقول، عندها، بوجود (التدافع لفاندرفالس) (أو التدافع الفراغي) بين زمرتي المتيل، ويكون الجزيء عندئذ أقل استقراراً بسبب إجهاد فاندرفالس) (أو الاجهاد الفراغي).

يمكن أن يرى هذا الازدحام بوضوح تام في النماذج التالية (الشكل 2.1).

الشكل 2.1: نماذج نظامي البيوتان في (أ) الدوران المضاد و(ب) الدوران اليساري. لاحظ الازدحام بين زمرتي المتيل في (ب)

لا تؤثر قوى التدافع لفاندرفالس فقط في الاستقرار النسبي لمختلف الوضعيات  المزيوحة، بل في ارتفاعات حواجز الطاقة بينها. ونصل الى النهاية العظمى للطاقة عندما تتأرجح زمرتا المتيل، إحداهما خلف الأخرى ويكون حاجز طاقة الدوران في هذه الحالة بين الجميع، وهو يقدر بـ 4.4 – 6.1 كيلو حريرة/مول تقريباً.

ومع ذلك فإن حاجز الطاقة هذا منخفض وبدرجة كافية، بحيث أن الطاقة الناتجة عن الاصطدامات يبن الجزيئات تؤدي الى دوران سريع حتى في درجات الحرارة العادية، فيكون جزيء ما في دوران يساري الآن ثم يصبح في اللحظة التالية في الدوران المضاد.