درسنامه آموزشی شیمی (1) کلاس دهم رشته ریاضی و تجربی
فصل سوم: نیروهای بین مولکولی آب، فراتر از انتظار
نیروهای بین مولکولی در تعیین حالت فیزیکی و خواص یک ترکیب نقش مهمی دارند. گازها، دارای مولکولهای مجزا با کمترین برهم کنشها هستند. اما برهمکنش مولکولها در در مایعها بیشتر است و در جامدها، برهم کنشها میان مولکولها میتواند به بیشترین مقدار ممکن برسد. از این رو در شرایط یکسان، نیروهای بین مولکولی در حالت جامد قویتر از حالت مایع و آن هم به مراتب قویتر از حالت گازی است. البته باید توجه داشت که نیروهای بین مولکولی بهطور عمده به میزان قطبی بودن مولکولها و جرم آنها وابسته است.
جدول 2 برخی ویژگیهای آب را در مقایسه با هیدروژن سولفید نشان میدهد.
| ماده | فرمول ماده شیمیایی | مدل فضا پرکن | قطبیت مولکول | جرم مولی $(gmo{{l}^{-1}})$ | حالت فیزیکی | نقطۀ جوش $({}^\circ C)$ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| آب | ${{H}_{2}}O$ |  |
قطبی | 18 | مایع | 100 |
| هیدروژن سولفید | ${{H}_{2}}S$ |  |
قطبی | 34 | گاز | 60- |
مطابق جدول، هر دو ماده مولکولهای خمیده و قطبی دارند، اما آب با جرم مولی نزدیک به نصف جرم مولی هیدروژن سولفید، دمای جوش غیرعادی و بالاتری از آن دارد بهطوری که تفاوتی برابر با $160{}^\circ C$ را نشان میدهد. گویی نیروی جاذبه میان مولکولهای آب از آنچه انتظار میرود، قویتر است. اما چرا؟ دلیل این تفاوت را در کجا باید جستجو کرد؟
با جهتگیری مولکولهای قطبی یک ماده در میدان الکتریکی آشنا شدید. این ویژگی مبنای اندازهگیری کمیتی به نام گشتاور دوقطبی است؛ کمیتی که با افزایش میزان قطبیت مولکولها، افزایش مییابد. برای نمونه گشتاور دوقطبی مولکولهایی مانند ${{O}_{2}}$ ،$C{{O}_{2}}$ و $C{{H}_{4}}$ برابر با صفر است (چرا؟)، در حالی که گشتاور دوقطبی مولکولهای ${{H}_{2}}O$ و ${{H}_{2}}S$ به ترتیب برابر با $1/85D$ و $0/97D$ است. این کمیتها نشان میدهند که میزان قطبیت مولکولهای آب و قدرت نیروهای بین مولکولی آن نزدیک به دو برابر مولکولهای هیدروژن سولفید است. از این رو نیروهای جاذبه میان مولکولهای ${{H}_{2}}O$ به اندازهای قوی است که در شرایط اتاق میتواند این مولکولها را کنار یکدیگر نگه دارد و آب به حالت مایع باشد (شکل 17).
از آنجا که بارهای الکتریکی ناهمنام یکدیگر را میربایند، در یک نمونه آب که دارای شمار بسیاری مولکول ${{H}_{2}}O$ است، سرمثبت هر مولکول، سرمنفی مولکول همسایه را جذب میکند. از این رو در مجموعهای از مولکولهای آب، هر اتم هیدروژن با یک نیروی جاذبۀ قوی از سوی اتم اکسیژن در مولکول همسایه جذب میشود. این نیروهای جاذبۀ قوی میان مولکولهای آب که در آن هیدروژن نقش کلیدی ایفا میکند، پیوندهای هیدروژنی نامیده میشود.
آیا تنها میان مولکولهای ${{H}_{2}}O$ پیوند هیدروژنی وجود دارد؟ یا اینکه مولکولهای دیگر نیز میتوانند پیوند هیدروژنی تشکیل دهند؟
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 107 کتاب درسی)
1- در جدولهای زیر برخی خواص ترکیبهای هیدروژندار عنصرهای گروه 15 و 17 جدول دورهای آمده است.
| ترکیب مولکولی | جرم مولی ${{\text{mol}}^{ - 1}}$ | نقطۀ جوش $({}^\circ C)$ |
|---|---|---|
| $HF$ | 20 | 19 |
| $HCl$ | 36/5 | 85- |
| $HBr$ | 81 | 67- |
| $N{{H}_{3}}$ | 17 | 33/5- |
| $P{{H}_{3}}$ | 34 | 87/5- |
| $As{{H}_{3}}$ | 78 | 62/5- |
آ) در میان ترکیبهای هر جدول انتظار دارید مولکولهای کدام ماده توانایی تشکیل پیوندهای هیدروژنی را داشته باشد؟ توضیح دهید.
در گروه $HF\leftarrow 17$ در گروه $N{{H}_{3}}\leftarrow 15$
چون رفتار مشابه مولکول آب دارند. (طبق متن کتاب)
ب) جمله زیر را با خط زدن واژههای نادرست، کامل کنید.
پیوند هیدروژنی، (قویترین / ضعیفترین) نیروی بین مولکولی در موادی است که در مولکول آنها، اتم هیدروژن به یکی از اتمهای ($F,Cl,Br$ / $F,N,O$) با پیوند اشتراکی متصل است.
2- اتانول و استون دو ترکیب آلی اکسیژندار هستند که به عنوان حلال در صنعت و آزمایشگاه به کار میروند. به کمک دادههای جدول زیر پیشبینی کنید هریک از نقطه جوشهای $56{}^\circ C$ و $78{}^\circ C$ مربوط به کدام ترکیب است؟ چرا؟
نقطه جوش $78$ درجه مربوط به اتانول ونقطه جوش $56$ درجه مربوط به استون است. چون اتانول قادر به تشکیل پیوند هیدروژنی است ولی استون پیوند هیدروژنی نمیدهد ونیروی بین مولکولی آن از نوع وان درواسی است.
| ترکیب آلی | فرمول شیمیایی | جرم مولی ${{\text{mol}}^{ - 1}}$ |
|---|---|---|
| اتانول | ${{C}_{2}}{{H}_{5}}OH$ | 46 |
| استون | $\begin{matrix} {} & O & {} \\ {} & \parallel & {} \\ {} & C{{H}_{3}}CC{{H}_{3}} & {} \\ \end{matrix}$ |
58 |
آیا میدانید
ابوبکر محمد بن زکریای رازی (309-243 هجری شمسی) شیمیدان، ریاضیدان، فیلسوف، ستارهشناس و پزشک ایرانی است؛ وی ترکیبهای شیمیایی متعددی را تهیه کرد که از آن میان میتوان به اتانول اشاره کرد. با مراجعه به منابع علمی معتبر دربارۀ این شخصیت برجستۀ ایرانی - اسلامی اطلاعات جمع آوری کرده، نتیجه را به صورت روزنامۀ دیواری در کلاس ارائه دهید.
پیوندهای هیدروژنی در حالتهای فیزیکی گوناگون آب
آب را در سه حالت فیزیکی جامد (یخ)، مایع و بخار در نظر بگیرید (شکل 18). مولکولهای ${{H}_{2}}O$ در حالت بخار جدا از هم هستند، گویی پیوندهای هیدروژنی میان آنها وجود ندارد. در این حالت، مولکولهای آب آزادانه و نامنظم از جایی به جای دیگر انتقال مییابند. در حالت مایع، با اینکه مولکولها با یکدیگر پیوندهای هیدروژنی قوی دارند، اما روی هم میلغزند و جابهجا میشوند. برخلاف آب، ساختار یخ منظم است. در یخ، مولکولهای آب در جاهای به نسبت ثابتی قرار دارند. در واقع در ساختار یخ، هر اتم اکسیژن با دو اتم هیدروژن با پیوند اشتراکی و با دو اتم هیدروژن دیگر با پیوند هیدروژنی متصل است.
در ساختار یخ، آرایش مولکولهای آب به گونهای است که در آن، اتمهای اکسیژن در رأس حلقههای شش ضلعی قرار دارند و شبکهای مانند شانۀ عسل را به وجود میآورند. این شبکه با داشتن فضاهای خالی منظم، در سه بُعد گسترش یافته است. در واقع، یخ ساختاری باز دارد. شکلهای زیبا و متنوع دانههای برف ناشی از وجود این حلقههای شش ضلعی است (شکل 19).
آیا میدانید
کندوی زنبورعسل از حلقههای شش ضلعی تشکیل شده است. به همین دلیل استحکام قابل ملاحظهای دارد.
خود را بیازمایید (صفحهٔ 108 کتاب درسی)
با توجه به شکلهای زیر به پرسشها پاسخ دهید.
 |
 |
آ) با نوشتن دلیل، چگالی جرم یکسانی از آب و یخ را در دمای صفر درجۀ سلسیوس و فشار یک اتمسفر مقایسه کنید.
در ساختار یخ، مولکولها تشکیل ساختارشش ضلعی را داده به گونهای که در آن اتمهای اکسیژن در رأس حلقههای شش ضلعی قرار دارند و شبکهی سه بعدی مانند شانه عسل را بوجود میآورند که در آن فضاهای خالی وجود دارد و ساختاری باز دارد و به همین دلیل حجم آب هنگام یخ زدن افزایش مییابد و چگالی یخ کم میشود که این امر باعث شناور شدن تکههای یخ روی آب میشود.
ب) چرا دیوارۀ یاختهها در بافت کلم بر اثر یخ زدن تخریب میشوند؟
چون آب هنگام یخ زدن افزایش حجم دارد و این افزایش حجم باعث تخریب دیوارهی یاختهها میشود.