مولکولهای قطبی1: رقص مولکولها در میدان الکتریکی
اتمها، پیوندها و بارهای جزئی
برای درک مولکول قطبی، ابتدا باید ساختمان اصلی ماده را بشناسیم. همه چیز از اتمها6 ساخته شدهاند. هر اتم دارای یک هسته با بار مثبت و الکترونهایی با بار منفی است که به دور آن میچرخند. وقتی اتمها برای پایدار شدن به هم میپیوندند، پیوند شیمیایی7 تشکیل میدهند. یک نوع مهم از این پیوندها، پیوند کووالانسی8 است که در آن اتمها الکترونها را به اشتراک میگذارند.
اما این اشتراکگذاری همیشه منصفانه نیست! بعضی از اتمها، مانند اکسیژن، نیتروژن و فلورین، میل شدیدی برای جذب الکترونهای مشترک دارند. این ویژگی را الکترونگاتیوی9 مینامند. وقتی دو اتم با الکترونگاتیوی متفاوت به هم پیوند میخورند، الکترونهای مشترک بیشتر وقت خود را نزدیک اتم الکترونگاتیوتر میگذرانند.
مثال: در مولکول آب ($H_2O$)، اتم اکسیژن بسیار الکترونگاتیوتر از اتمهای هیدروژن است. بنابراین، الکترونهای پیوند اکسیژن-هیدروژن به سمت اکسیژن کشیده میشوند. در نتیجه، اکسیژن بار جزئی منفی و هر هیدروژن بار جزئی مثبت میگیرد.
از پیوند قطبی تا مولکول قطبی: هندسه تعیینکننده است
حال سؤال اینجاست: آیا هر مولکولی که پیوند قطبی دارد، خودش هم یک مولکول قطبی است؟ پاسخ منفی است. این موضوع به شکل هندسی11 مولکول بستگی دارد.
در یک مولکول، هر پیوند قطبی مانند یک "پیکان" از سمت $\delta+$ به سمت $\delta-$ است. اگر شکل مولکول به گونهای باشد که این پیکانها همراستا نباشند و همدیگر را خنثی کنند، مولکول غیرقطبی12 خواهد بود. اما اگر پیکانها همجهت باشند یا یکدیگر را به طور کامل خنثی نکنند، یک "گشتاور دوقطبی13 خالص" در مولکول ایجاد میشود و مولکول، قطبی میشود.
| مولکول | فرمول شیمیایی | شکل هندسی | وضعیت قطبیت | توضیح |
|---|---|---|---|---|
| آب | $H_2O$ | خمیده (زاویهدار) | قطبی | پیکانهای قطبیت از H به O، به دلیل شکل خمیده، همدیگر را خنثی نمیکنند. |
| دیاکسید کربن | $CO_2$ | خطی | غیرقطبی | دو پیوند قطبی C=O در جهت مخالف هم قرار دارند و دقیقاً یکدیگر را خنثی میکنند. |
| آمونیاک | $NH_3$ | هرم مثلثی | قطبی | پیکانهای قطبیت از H به N، به دلیل شکل هرمی، یک گشتاور دوقطبی خالص به سمت N ایجاد میکنند. |
| متان | $CH_4$ | چهاروجهی منتظم | غیرقطبی | اگرچه پیوند C-H کمی قطبی است، اما تقارن کامل چهاروجهی باعث خنثی شدن تمام گشتاورهای دوقطبی میشود. |
رقص جهتگیری: رفتار مولکول قطبی در میدان الکتریکی
این بخش، قلب تعریف مقاله است. یک میدان الکتریکی، ناحیهای از فضاست که در آن بارهای الکتریکی نیرو احساس میکنند. میتوانید آن را مانند یک "فضای نامرئی تحت تأثیر بار" تصور کنید.
یک مولکول قطبی، اساساً یک "آهنربای الکتریکی" کوچک است: یک سر آن کمی مثبت و سر دیگر کمی منفی. حال اگر این آهنربای کوچک را در یک میدان الکتریکی قرار دهیم، چه اتفاقی میافتد؟ قطب مثبت مولکول به سمت قطب منفی میدان و قطب منفی مولکول به سمت قطب مثبت میدان کشیده میشود. در نتیجه، کل مولکول میچرخد و خود را در راستای خطوط میدان الکتریکی جهتگیری14 میکند.
اما یک مولکول غیرقطبی (مانند روغن یا $CO_2$) در میدان الکتریکی چه میکند؟ از آنجا که چنین مولکولی قطبهای دائمی مثبت و منفی جدا از هم ندارد، در ابتدا جهتگیری نمیکند. با این حال، میدان الکتریکی قوی میتواند به طور موقت، توزیع الکترونها را در آن تغییر دهد و یک "قطبیت القایی15" ایجاد کند که ضعیفتر از قطبیت دائمی مولکولهایی مثل آب است.
قطبیت مولکولی: کلید درک رفتار مواد در زندگی روزمره
ویژگی قطبی یا غیرقطبی بودن یک مولکول، خواص فیزیکی و شیمیایی ماده را به شدت تحت تأثیر قرار میدهد. در اینجا به چند کاربرد مهم اشاره میکنیم:
۱. حلالیت و قاعدهی "همانند در همانند حل میشود": این یک قاعده طلایی است. مولکولهای قطبی، مولکولهای قطبی دیگر را حل میکنند و مولکولهای غیرقطبی نیز مولکولهای غیرقطبی را. دلیل آن، نیروهای جاذبه بین مولکولی است. نمک (یونی) در آب (قطبی) حل میشود زیرا یونهای نمک با قطبهای مولکول آب برهمکنش قوی دارند. اما روغن (غیرقطبی) در آب حل نمیشود زیرا نیروی جاذبه بین مولکولهای قطبی آب آنقدر قوی است که مولکولهای غیرقطبی روغن را از بین خود میرانند.
۲. نقطه جوش و ذوب: نیروی جاذبه بین مولکولهای قطبی (نیروی دوقطبی-دوقطبی) قویتر از نیروی جاذبه بین مولکولهای غیرقطبی (نیروی لاندن16) است. برای جدا کردن مولکولهای قطبی از هم و تبدیل مایع به گاز (جوشیدن)، انرژی بیشتری نیاز است. به همین دلیل، آب (با نقطه جوش 100°C) در دمای اتاق مایع است، در حالی که مولکول غیرقطبی مشابه از نظر جرم ($H_2S$ با نقطه جوش -60°C) در این دما گاز است.
۳. پیوند هیدروژنی: یک نوع ویژه و بسیار قوی از نیروی جاذبه بین مولکولهای قطبی است که وقتی هیدروژن به اتمی بسیار الکترونگاتیو (مثل $O$، $N$، $F$) پیوند دارد، رخ میدهد. این پیوند مسئول بسیاری از ویژگیهای منحصربهفرد آب، ساختار مارپیچ دوگانه دیانای و حتی شکل سهبعدی پروتئینها است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. همانطور که در جدول دیدیم، مولکول $CO_2$ از سه اتم مختلف (کربن و اکسیژن) تشکیل شده اما به دلیل تقارن خطی، غیرقطبی است. قطبیت به الکترونگاتیوی و شکل هندسی بستگی دارد، نه صرفاً به متفاوت بودن اتمها.
پاسخ: بله. جهتگیری در میدان الکتریکی، یک آزمایش تشخیصی برای قطبیت دائمی مولکول است. مولکولهای غیرقطبی فقط ممکن است تحت تاثیر قطبیت القایی ضعیف قرار بگیرند اما به صورت دائمی و مشخص، مانند مولکولهای قطبی، جهتگیری نمیکنند.
پاسخ: دلیل اصلی، پیوند هیدروژنی قوی بین مولکولهای قطبی آب است. برای شکستن این پیوندهای قوی و جدا کردن مولکولها از هم، نیاز به گرمای زیادی (انرژی) داریم که این خود را در نقطه جوش بالا نشان میدهد.
پاورقی
1 Polar Molecule
2 Polarity
3 Electric Field
4 Solubility
5 Hydrogen Bond
6 Atoms
7 Chemical Bond
8 Covalent Bond
9 Electronegativity
10 Partial Charges (δ+ , δ-)
11 Molecular Geometry
12 Nonpolar Molecule
13 Dipole Moment
14 Alignment / Orient
15 Induced Polarity
16 London Dispersion Forces
