چرا آب و روغن با هم مخلوط نمیشوند و چرا نقطه جوش آب از مولکولهای هماندازه بسیاری بالاتر است؟ پاسخ این پرسشها به توزیع بار در مولکول و نیروی جاذبه میان مولکولها مربوط میشود. برای تحلیل درست، باید سه مرحله را جدا نگه داریم: ابتدا قطبیت هر پیوند را از اختلاف الکترونگاتیوی تشخیص دهیم، سپس با کمک شکل فضایی برآیند دوقطبیها را پیدا کنیم و در پایان نوع نیروی بینمولکولی را تعیین کنیم. این مسیر بهجای حفظ پراکنده مثالها، رابطه ساختار و خواص ماده را روشن میکند.
قطبیت پیوند از توزیع نابرابر الکترون میآید
وقتی دو اتم با الکترونگاتیوی متفاوت پیوند کووالانسی تشکیل میدهند، اتم الکترونگاتیوتر جفتالکترون پیوندی را بیشتر به سوی خود میکشد. در نتیجه روی آن بار جزئی منفی (δ−) و روی اتم دیگر بار جزئی مثبت (δ+) پدید میآید. این جدایی نسبی بار، یک دوقطبی پیوندی میسازد که جهت آن به سوی اتم الکترونگاتیوتر است.
در پیوند میان دو اتم یکسان مانند H–H یا Cl–Cl، اختلاف الکترونگاتیوی صفر است و پیوند ناقطبی به شمار میآید. هرچه اختلاف الکترونگاتیوی دو اتم بیشتر باشد، قطبیت پیوند معمولاً بیشتر است؛ با این حال مرز میان پیوند کووالانسی قطبی و یونی کاملاً ناگهانی نیست و نوع پیوند را باید در چارچوب مدل مطرحشده در سؤال بررسی کرد.
- اتم الکترونگاتیوتر: بار جزئی منفی
- اتم کمالکترونگاتیوتر: بار جزئی مثبت
- پیوند دو اتم یکسان: کووالانسی ناقطبی
- دوقطبی پیوند را با بار کامل یون اشتباه نگیر
قطبیت پیوند و قطبیت مولکول یکسان نیستند
قطبیبودن یک یا چند پیوند بهتنهایی برای قطبیدانستن کل مولکول کافی نیست. دوقطبی هر پیوند کمیتی جهتدار است و قطبیت مولکول از برآیند همه دوقطبیهای پیوندی به دست میآید. بنابراین باید شکل فضایی و تقارن مولکول را نیز در نظر بگیریم.
در CO₂ هر پیوند C=O قطبی است، اما مولکول خطی و متقارن است. دو دوقطبی هماندازه در جهت مخالف یکدیگر را خنثی میکنند؛ پس CO₂ مولکولی ناقطبی است. در H₂O دو پیوند O–H قطبیاند و شکل مولکول خمیده است؛ دوقطبیها خنثی نمیشوند و آب مولکولی قطبی خواهد بود.
- ابتدا ساختار لوویس را رسم کن
- شکل مولکولی را تعیین کن
- جهت دوقطبی پیوندها را مشخص کن
- برآیند برداری دوقطبیها را بسنج
تقارن را با یک روش مرحلهبهمرحله بررسی کن
پس از رسم ساختار لوویس، قلمروهای الکترونی اتم مرکزی را بشمار و شکل مولکولی را تعیین کن. سپس ببین اتمهای پیرامونی یکسان و آرایش آنها متقارن است یا نه. در مولکولهای متقارن با اتمهای پیرامونی یکسان، دوقطبیهای هماندازه ممکن است کاملاً خنثی شوند؛ BF₃ مثلثی مسطح و CCl₄ چهاروجهی نمونههای رایج این حالتاند.
وجود جفتالکترون ناپیوندی روی اتم مرکزی اغلب شکل مولکول را نامتقارن میکند، اما بهتر است حکم را فقط از روی وجود جفت ناپیوندی صادر نکنی. معیار نهایی، برآیند دوقطبیهاست. همچنین اگر اتمهای پیرامونی متفاوت باشند، حتی یک آرایش هندسی منظم نیز لزوماً به خنثیشدن دوقطبیها نمیانجامد.
سه نیروی مهم میان مولکولها را بشناس
نیروهای لاندن بر اثر دوقطبیهای لحظهای و القایی ایجاد میشوند و میان همه اتمها و مولکولها وجود دارند. در گونههای ناقطبی، نیروی لاندن نیروی بینمولکولی اصلی است. معمولاً با افزایش تعداد الکترونها و قطبشپذیری ابر الکترونی، این نیرو قویتر میشود؛ شکل مولکول و سطح تماس نیز میتواند بر شدت آن اثر بگذارد.
میان مولکولهای قطبی، افزون بر لاندن، جاذبه دوقطبیـدوقطبی وجود دارد. پیوند هیدروژنی حالت قوی و ویژهای از جاذبه میان مولکولی است که در مباحث دبیرستانی وقتی هیدروژن مستقیماً به F، O یا N متصل باشد بررسی میشود و با جفتالکترون ناپیوندی این اتمها در مولکولی دیگر برهمکنش میکند.
- همه ذرهها: نیروی لاندن
- مولکولهای قطبی: لاندن و دوقطبیـدوقطبی
- پیوند H–F، H–O یا H–N: امکان پیوند هیدروژنی
- پیوند هیدروژنی یک پیوند کووالانسی تازه میان مولکولها نیست
نیروی بینمولکولی چگونه خواص ماده را تغییر میدهد؟
برای جداکردن مولکولها از یکدیگر باید بر جاذبه میان آنها غلبه کرد. اگر دو ماده از نظر اندازه و شکل قابل مقایسه باشند، نیروی بینمولکولی قویتر معمولاً به نقطه جوش بالاتر، فشار بخار کمتر و فرّاریت کمتر میانجامد. در جوشیدن، پیوندهای درون مولکول شکسته نمیشوند؛ فاصله مولکولها بیشتر میشود و بر جاذبه میان آنها غلبه میکنیم.
در مقایسه مواد نباید فقط نام یک نیرو را ببینیم. یک مولکول ناقطبی بزرگ و پرالکترون ممکن است به دلیل نیروهای لاندن قوی، نقطه جوشی بالاتر از یک مولکول قطبی کوچک داشته باشد. بنابراین ابتدا اندازه، تعداد الکترونها و شکل ذرهها را مقایسه کن و سپس نوع و شدت مجموع نیروهای میان آنها را بسنج.
- جاذبه بیشتر: نقطه جوش معمولاً بالاتر
- جاذبه بیشتر: فشار بخار و فرّاریت معمولاً کمتر
- تغییر حالت فیزیکی، پیوندهای درون مولکول را نمیشکند
- برای مقایسه منصفانه، اندازه و شکل مولکولها را هم در نظر بگیر
مثال حلشده: قطبیت و نقطه جوش H₂O و H₂S
در هر دو مولکول H₂O و H₂S، اتم مرکزی دو پیوند و دو جفتالکترون ناپیوندی دارد؛ پس شکل مولکولی خمیده است و دوقطبی پیوندها کاملاً خنثی نمیشود. هر دو مولکول قطبیاند و نیروهای لاندن و دوقطبیـدوقطبی دارند.
تفاوت اصلی این است که در H₂O هیدروژن مستقیماً به اکسیژن متصل است و مولکولهای آب میتوانند میان خود پیوند هیدروژنی برقرار کنند. در چارچوب تعریف دبیرستانی، H₂S چنین پیوند هیدروژنی مؤثری ندارد. بنابراین با وجود جرم مولی کمتر آب، جاذبه میان مولکولهای آن قویتر و نقطه جوش H₂O بسیار بالاتر از H₂S است.
تمرین روشن و نکات کلیدی
تمرین: قطبیت CH₄ و NH₃ و قویترین نوع نیروی ویژه هرکدام را تعیین کن. CH₄ چهاروجهی و متقارن است؛ دوقطبیهای پیوندی آن خنثی میشوند و مولکول ناقطبی است، پس نیروی اصلی میان مولکولهایش لاندن است. NH₃ سه پیوند N–H و یک جفت ناپیوندی روی نیتروژن دارد، شکل آن هرمی سهوجهی و برآیند دوقطبیها ناصفر است. چون H مستقیماً به N متصل است، مولکولهای NH₃ میتوانند پیوند هیدروژنی نیز برقرار کنند.
برای هر مسئله یک زنجیره چهارمرحلهای بنویس: «لوویس ← شکل ← برآیند دوقطبیها ← نیروی بینمولکولی». این ترتیب مانع آن میشود که صرفاً با دیدن یک پیوند قطبی یا اتم هیدروژن، درباره کل مولکول نتیجه عجولانه بگیری.
- پیوند قطبی الزاماً مولکول قطبی نمیسازد
- مولکول ناقطبی هم نیروی لاندن دارد
- وجود H بهتنهایی برای پیوند هیدروژنی کافی نیست
- نیروی بینمولکولی را با پیوند درون مولکول یکی ندان
- در پایان، پیشبینی خود را با شکل و خواص ماده کنترل کن
روش عملی این است: قطبیت پیوندها را از اختلاف الکترونگاتیوی پیدا کن، ساختار لوویس و شکل فضایی را بساز، برآیند دوقطبیها را برای تعیین قطبیت مولکول بسنج و سپس نیروهای لاندن، دوقطبیـدوقطبی و پیوند هیدروژنی را بررسی کن. برای مقایسه نقطه جوش و فرّاریت، اندازه و شکل مولکول را نیز کنار نوع نیرو قرار بده.
مبنای آموزش، مفاهیم کتاب درسی است. برای جزئیات منابع و مقررات هر سال، دفترچه و اطلاعیه رسمی سازمان سنجش را بررسی کن.