ورقاتمقدمة البحث
الحمد لله الذي خلق فسوّى، والصلاة والسلام على نبينا محمد. أما بعد، فإن المواد التي حولنا من ماء وملح وسكر وغازات وغيرها تتكون من ذرات ترتبط بعضها ببعض بروابط كيميائية. وخصائص كل مادة، كذوبانها في الماء أو درجة غليانها أو توصيلها للكهرباء، تتحدد إلى حد كبير بطريقة ارتباط ذراتها وتوزيع الشحنة داخل جزيئاتها. وفي هذا البحث نتعرف على مفهومين أساسيين في الكيمياء هما الكهروسالبية والقطبية، وكيف يفسّران كثيرًا من الظواهر.
تعريف الموضوع
الكهروسالبية (Electronegativity) هي قدرة ذرة عنصر ما على جذب إلكترونات الرابطة نحوها عندما تتحد مع ذرة أخرى في رابطة كيميائية. وهي مقياس نسبي ليس له وحدة، وضع أشهر مقاييسه العالم لينوس بولنج، وتتراوح قيمها في هذا المقياس بين نحو 0.7 للعناصر الأقل جذبًا ونحو 4.0 للفلور الأكثر جذبًا.
أما القطبية (Polarity) فهي توزع الشحنة الكهربائية بصورة غير متساوية في الرابطة أو في الجزيء، بحيث يحمل أحد طرفيه شحنة سالبة جزئية والطرف الآخر شحنة موجبة جزئية، فيصبح للجزيء قطبان.
أهمية الموضوع
تساعد معرفة الكهروسالبية والقطبية على التنبؤ بنوع الرابطة بين الذرات وبشكل الجزيء وخصائص المادة، وتفسّر لماذا يذوب السكر في الماء ولا يذوب الزيت، ولماذا ترتفع درجة غليان الماء مقارنة بجزيئات أخرى بحجمه. ولهذا فهي أساس في دراسة الكيمياء الحيوية والصناعات الدوائية والمنظفات وغيرها.
أهداف البحث
- التعريف بالكهروسالبية وكيفية قياسها.
- معرفة اتجاه تغير الكهروسالبية في الجدول الدوري.
- التمييز بين الرابطة غير القطبية والقطبية والأيونية.
- تحديد قطبية بعض الجزيئات وتفسير خصائصها.
محاور البحث
أولًا: مقياس بولنج للكهروسالبية
وضع العالم لينوس بولنج مقياسًا عدديًا للكهروسالبية، وأعطى الفلور أعلى قيمة وهي 3.98 ثم تُحدَّد قيم العناصر الأخرى بالنسبة إليه. ويبين الجدول التالي قيم بعض العناصر الشائعة تقريبيًا:
| العنصر | الرمز | الكهروسالبية (بولنج) |
|---|---|---|
| الصوديوم | Na | 0.93 |
| الهيدروجين | H | 2.20 |
| الكربون | C | 2.55 |
| النيتروجين | N | 3.04 |
| الكلور | Cl | 3.16 |
| الأكسجين | O | 3.44 |
| الفلور | F | 3.98 |
ثانيًا: اتجاه الكهروسالبية في الجدول الدوري
- في الدورة الواحدة: تزداد الكهروسالبية من اليسار إلى اليمين، لأن الشحنة النووية تزداد مع ثبات عدد مستويات الطاقة، فيقوى جذب النواة للإلكترونات.
- في المجموعة الواحدة: تقل الكهروسالبية من أعلى إلى أسفل، لأن حجم الذرة يزداد وتبتعد إلكترونات التكافؤ عن النواة ويقل جذبها لها.
ولذلك فأعلى العناصر كهروسالبية هي عناصر أعلى يمين الجدول الدوري، وفي مقدمتها الفلور ثم الأكسجين، وأقلها عناصر الفلزات القلوية في أسفل يسار الجدول. (لا تُعطى الغازات النبيلة عادة قيمًا لقلة تكوينها للروابط.)
ثالثًا: الكهروسالبية ونوع الرابطة
يُستعان بالفرق في الكهروسالبية بين الذرتين المرتبطتين لتقدير نوع الرابطة. وتختلف حدود التصنيف قليلًا بين الكتب، لكن القاعدة العامة المبسطة هي:
| الفرق في الكهروسالبية | نوع الرابطة | مثال |
|---|---|---|
| صفر أو أقل من نحو 0.4 | تساهمية غير قطبية | H2 وCl2 |
| بين نحو 0.4 ونحو 1.7 | تساهمية قطبية | HCl وH2O |
| أكبر من نحو 1.7 | أيونية غالبًا | NaCl |
مثال محلول: في جزيء كلوريد الهيدروجين، كهروسالبية الكلور 3.16 والهيدروجين 2.20 فالفرق بينهما نحو 0.96 وهو يقع في المدى القطبي، فالرابطة تساهمية قطبية، والطرف المتجه إلى الكلور يحمل شحنة سالبة جزئية، والطرف المتجه إلى الهيدروجين يحمل شحنة موجبة جزئية.
Hδ+ – Clδ−
ومثال آخر: في كلوريد الصوديوم الفرق بين الكلور والصوديوم نحو 2.23 وهو أكبر من 1.7 فينتقل الإلكترون من الصوديوم إلى الكلور وتتكون أيونات، فالرابطة أيونية.
رابعًا: قطبية الجزيء
لا يكفي أن تكون الروابط قطبية ليكون الجزيء قطبيًا، فلا بد أيضًا من النظر إلى شكله الهندسي. فقطبية الجزيء محصلة قطبية روابطه واتجاهاتها في الفراغ:
- إذا كانت الروابط متماثلة موزعة توزيعًا متناظرًا، فإن تأثير بعضها يلغي بعضًا ويكون الجزيء غير قطبي، مثل ثاني أكسيد الكربون CO2 الخطي، ورابع كلوريد الكربون CCl4 رباعي الأوجه، والميثان CH4.
- إذا كان التوزيع غير متناظر، فإن للجزيء طرفًا سالبًا وطرفًا موجبًا ويكون قطبيًا، مثل الماء H2O المنحني، والأمونيا NH3 الهرمية، وفلوريد الهيدروجين HF.
أما الجزيئات ثنائية الذرة من عنصر واحد كالأكسجين O2 والنيتروجين N2 فهي غير قطبية دائمًا، لأن الذرتين تتساويان في الجذب.
خامسًا: أثر القطبية في خصائص المواد
- الذوبان: القاعدة المشهورة «المثيل يذيب المثيل»، فالمواد القطبية تذوب في المذيبات القطبية كالماء، وغير القطبية تذوب في المذيبات غير القطبية كالبنزين. ولهذا لا يمتزج الزيت بالماء.
- درجات الغليان والانصهار: تقوى قوى التجاذب بين الجزيئات القطبية فترتفع درجة غليانها غالبًا عن غير القطبية المقاربة لها في الكتلة.
- الروابط الهيدروجينية: تنشأ بين الهيدروجين المرتبط بذرة شديدة الكهروسالبية (F وO وN) وزوج إلكترونات حر في جزيء مجاور، وهي سبب خصائص الماء الاستثنائية.
- التنظيف: تحتوي جزيئات الصابون على طرف قطبي يذوب في الماء وطرف غير قطبي يلتصق بالدهون، فتزيلها مع غسل الماء.
ويمكن للطالب ملاحظة قطبية الماء بتجربة بسيطة: يُقرَّب مشط بلاستيكي مشحون بالدلك إلى خيط رفيع من الماء المنساب من الصنبور، فينحرف الخيط نحوه.
النتائج
- الكهروسالبية قدرة الذرة على جذب إلكترونات الرابطة، وأعلى العناصر الفلور.
- تزداد الكهروسالبية عبر الدورة وتقل في أسفل المجموعة.
- الفرق في الكهروسالبية يحدد نوع الرابطة: غير قطبية أو قطبية أو أيونية.
- قطبية الجزيء تتوقف على قطبية الروابط وعلى الشكل الهندسي.
- للقطبية أثر كبير في الذوبان ودرجات الغليان.
التوصيات
- الاستعانة بنماذج الجزيئات ثلاثية الأبعاد لفهم الشكل الهندسي والقطبية.
- إجراء تجارب بسيطة في المختبر على الذوبان وانحراف خيط الماء.
- الربط بين الكهروسالبية والجدول الدوري باستخدام الأمثلة المحلولة.
- الاستفادة من مصادر موثوقة لقيم الكهروسالبية لأن بعض القيم تختلف بحسب المقياس.
الخاتمة
عرضنا في هذا البحث مفهومي الكهروسالبية والقطبية، وتبين لنا أن اختلاف قدرة الذرات على جذب الإلكترونات يحدد نوع الروابط وتوزيع الشحنة، وأن شكل الجزيء يحدد قطبيته، وأن ذلك كله ينعكس على خصائص المواد من حولنا. وهذا من دقة صنع الله الذي أتقن كل شيء.
المراجع
- كتب الكيمياء للمرحلة الثانوية، وزارة التعليم في المملكة العربية السعودية.
- Chemistry: The Central Science (Brown, LeMay, Bursten).
- General Chemistry (Petrucci, Herring, Madura, Bissonnette).
- لينوس بولنج: The Nature of the Chemical Bond.