القطبية في الكيمياء: قطبية الرابطة و الجزيئات

 في هذا المنشور سنتحدث عن مفهوم القطبية في الكيمياء وكذلك الشحنة الجزئية. كما سيتناول الشرح الفرق بين الرابطة القطبية وغير القطبية. سنتطرق أيضا الفرق بين الجزيئات القطبية والجزيئات غير القطبية مع أمثلة لكل نوع وشرح العلاقة بينها وبين الذوبانية.

مفهوم القطبية

القطبية في الكيمياء (بالإنجليزية: Polarity) تعني انفصال الشحنة الكهربية جزئيا في الجزيئات إلى أطراف الرابطة؛ ما ينتج عنه عزم ثنائي القطب أو متعدد الأقطاب.

تنتج القطبية عن التوزيع غير المتكافئ للشحنة الجزئية بين الذرات المختلفة في الجزيء أو المركب. حيث تقوم الذرات في بعض الجزيئات بجذب إلكترونات الرابطة التساهمية نحوها، وهذا يسبب في زيادة طفيفة للشحنة السالبة لها.

الشحنة الجزئية

الشحنة الجزئية: هي شحنة أقل من شحنة الإلكترون نشأت نتيجة للاختلاف في الكهروسلبية بين ذرتين مرتبطتين. تقوم الذرات ذات الكهروسلبية الأعلى مثل الفلور، والكلور والاكسجين بجذب الإلكترونات نحوها قليلا عندما ترتبط بذرة لديها كهرسلبية أقل منها مثل الكربون والهيدروجين.

 تضيف الإلكترونات قليلا من شحنتها على الذرة التي اقتربت منها، حيث تكسبها شحنة جزئية سالبة \(\delta^-\). وبسبب ابتعاد إلكترونات الرابطة عن الذرة الأخرى فإنها ستكتسب شحنة جزئية موجبة \(\delta^+\) (شحنة النواة المعادِلة لشحنة الإلكترون المبتعد، وليست مكتملة لأن الإلكترون لم يذهب كليا).

الفرق بين الرابطة القطبية وغير القطبية

يتم تحديد نوع الرابطة من خلال الفرق في الكهروسلبية. يمكن تقسيم الروابط بشكل عام إلى تساهمية وأيونية؛ وذلك إذا كان الفرق في السالبية الكهربية أقل من 1.7 فإن الرابطة تساهمية. وإذا كان الفرق أكبر من 1.7 فإن الرابطة تكون أيونية.

• في الرابطة الأيونية وبسبب القيمة الكبيرة للفرق في الكهروسلبية فإن الإلكترونات تنتقل كليا نحو الذرة الجاذبة لها، وهذا لا يوافق ما ذكرناه آنفا. لذلك نستبعد هذا النوع.
• في الرابطة التساهمية تكون هناك حالتين:
1. عندما تكون قيمة الفرْق في الكهروسلبية قليل جدا (من 0.0 إلى 0.4) فإن الإلكترونات المشاركة تبقى في منتصف الرابطة. لذلك، في هذه الحالة تكون الرابطة التساهمية غير قطبية.
2. وعندما تكون قيمة الفرْق في الكهروسلبية بين 0.4 و 1.7 نجد أن الإلكترونات المشاركة أقرب قليلا إلى الذرة الأعلى كهروسلبية. وبشكل أدق يأخذ إلكتروني الرابطة وقتا أطول حول الذرة الأكثر كهرسلبية. وتظهر الشحنة الجزئية على ذرتي الرابطة وبذلك تكون الرابطة تساهمية قطبية.

الجدول التالي يوضح الفرق بين الرابطة القطبية وغير القطبية بناء على الفرق في الكهروسلبية (\(\Delta \text{EN}\))، مع أمثلة:

الفرق بين الرابطة القطبية وغير القطبية

ΔEN	مثال الرابطة	أمثلة
0.0 - 0.4	رابطة تساهمية غير قطبية	H-C, C-C
0.5 - 0.9	رابطة تساهمية قطبية قليلاً	H-N, H-Cl
1.0 - 1.3	رابطة تساهمية قطبية بشكل معتدل	C-O, S-O
1.4 - 1.7	رابطة تساهمية قطبية للغاية	H-O
1.8 - 2.2	رابطة أيونية قليلاً	H-F
2.3 - 3.3	رابطة أيونية للغاية	Na⁺ F⁻

تعرف أكثر على أنواع الروابط الكيميائية

العلاقة بين القطبية والذوبانية

تتضح علاقة الذوبانية بالقطبية عندما يقترب جزيء قطبي من جزيء قطبي آخر، سواء كانا من نفس النوع أو من أنواع مختلفة، يحدث تجاذب بين الشحنات الجزئية المختلفة في الإشارة (+،-)، مما يؤدي إلى تكوين روابط ضعيفة بين تلك الجزيئات. وإذا كان الطرف الذي يحمل الشحنة الجزئية الموجبة هو هيدروجين، فإن هذه الروابط تسمى "الروابط الهيدروجينية". وعلى هذا الأساس، تتكون روابط هيدروجينية بين جزيئات الماء، مما يجعلها تظهر في صورة سائل متجانس.

 ويمكن تطبيق نفس المبدأ عند استبدال أحد جزيئات الماء بجزيء قطبي آخر، وسيؤدي ذلك إلى تشكيل محلول متجانس بسبب الروابط الضعيفة التي ستتكون بين مكونات المحلول المختلفة. عندها يمكن أن نقول أن الجزيء الآخر قد ذاب في الماء. وهذا المثال ينطبق أيضا على المذيبات القطبية الأخرى.

القطبية في الجزيئات

وبما أن الجزيئات تتكون من ذرات أو مركبات مرتبطة ببعضها عن طريق واحد أو أكثر من أنواع الروابط السالفة الذكر يمكن تقسيمها حسب القطبية إلى:

1. جزيئات قطبية:

الجزيئات القطبية: هي جزيئات غير متماثلة تحتوي على رابطة تساهمية قطبية واحدة أو أكثر. والمقصود بعدم التماثل هو ألا تكون في الجزيء أجزاء متماثلة في القطبية تلغي أحدهما قطبية الآخر. يؤدي التوزيع غير المتساوي للإلكترونات إلى تكوين جزيء بشكل مشوه مثل الهرم (٨) غير مستقيم.

أمثلة على الجزيئات القطبية

يعتبر جزيء الماء \(\ce{H2O}\) أحد أهم أمثلة الجزيئات القطبية. حيث يتم توزيع الشحنات الكهربائية بشكل غير متساوٍ على جزيء الماء بسبب اختلاف الكتل الذرية والقدرة الجذبية للإلكترونات بين الذرتين الهيدروجينيتين والذرة الأكسجينية.

فعندما يتم تكوين جزيء الماء، تحاول الذرة الأكسجينية جذب الإلكترونات نحوها بشكل أكبر من الذرتين الهيدروجينيتين، مما يؤدي إلى توليد شحنة سالبة على الذرة الأكسجينية وشحنتين إيجابيتين على الذرتين الهيدروجينيتين. هذا التوزيع الغير متساوٍ للشحنات يؤدي إلى وجود قطبية كهربائية في جزيء الماء، حيث يتم تشكيل قطب سالب على الجانب الأكسجيني وقطب موجب على كل جانب هيدروجيني، مما يجعل الماء مذيبًا فعالًا للعديد من المواد الأخرى. 

تتشكل جزيئات ثاني أكسيد الكبريت \(\ce{SO2}\) من رابطة تساهمية مزدوجة بين ذرة الكبريت وذرة الأكسجين، عندما تشارك كل ذرة اثنين من الإلكترونات. وتحتوي جزيئات \(\ce{SO2}\) على اثنين من روابط \(\ce{S=O}\).

هناك أربعة أزواج إلكترونات حرة على كل ذرة أكسجين، وواحد من الأزواج الحرة على ذرة الكبريت المركزية في جزيء SO2. وبناء على ذلك، لا يتم تقاسم الكثافة الإلكترونية بالتساوي على الجانبين؛ حيث أن الأكسجين أكثر كهروسلبية من الكبريت، مما يجذب بشدة أكبر سحابة الإلكترونات المشتركة في كل رابطة S=O. وبالتالي، فإن كل رابطة S=O تعتبر قطبية. 

يعمل الزوج الحر الموجود على الكبريت على طرد الأزواج المرتبطة من الإلكترونات. يكون التنافر بين الزوج الحر والمرتبط أكبر من التنافر بين الأزواج المرتبطة فيما بينها.

لذلك، يدفع الزوج المفرد الزوجين المرتبطين باتجاه بعضهما البعض؛ ويقلص زاوية الرابطة في جزيء SO2. هذا يكوِّن شكل الجزيء المائل أو شكل الهرم (٨) لجزيء SO2. توجد زاوية رابطة 119 درجة في جزيء SO2 القطبي بدلاً من 120 درجة في جزيئات ذات شكل مثلث والتي لها ثلاثة أزواج رابطة بدون زوج حر. وهذا يؤدي إلى عدم تماثل في هندسة جزيء SO2.

2. جزيئات غير قطبية:

الجزيئات غير القطبية: هي جزيئات لا تحتوي على أي روابط قطبية-تساهمية، أو تحتوي هذه الروابط ولكنها متماثلة. ويحدث التماثل في بعض الجزيئات متعددة الذرات. فمثلا في جزيء ثاني أكسيد الكربون \(\ce{CO2}\)، تم إلغاء قطبية كربون-أكسجين من قبل الرابطة المماثلة كربون-أكسجين الأخرى؛ حيث لا يوجد زوج إلكتروني حر على الكربون.

أمثلة على الجزيئات غير القطبية

تعتبر الجزيئات الثنائية التي تتكون من نفس الذرة غير قطبية؛ وذلك لأن الفرق في قيمة الكهروسلبية بين ذرتيها يساوي صفر. وبالتالي، لا يحتوي هذا النوع من الجزيئات على رابطة قطبية، مثل جزيء الأكسجين O2 والنيتروجين N2 وحتى الأوزون O3.

 وعلى سبيل المثال، جزيء الميثان CH4 غير قطبي بسبب الفرق الضئيل (أقل من 0.4) في قيم الكهروسالبية لكل من الكربون والهيدروجين.

 أما في جزيء ثاني أكسيد الكربون، فإنه يحتوي على زوجين من الروابط القطبية، ومع ذلك فإن الجزيء بأكمله ليس قطبي بسبب شكله المتماثل (\(\ce{O=C=O}\)). وهذا يعود إلى عدم وجود إلكترونات حرة تشوه شكل الجزيء، والذي يلغي تأثير كلا الرابطتين القطبية على بعضهما البعض. ويجدر الإشارة إلى أن جزيء أول أكسيد الكربون هو قطبي [1،3].

3. جزيئات هجينة

الجزيئات الهجينة في القطبية هي جزيئات كبيرة تمتلك أطراف قطبية وغير قطبية. ومثال ذلك بعض الدهون التي لا تذوب كليا في الماء؛ ويرجع ذلك بسبب أن الطرف القبطي للدهن يذوب في الماء بينما يبقى الطرف الآخر في الخارج. هذه الجزيئات لديها خواص سطحية مهمة، يمكن أن تشكل مستحلبات مستقرة[3].

المصادر

1. byju's, why is carbon dioxide a non polar molecule even though the c-o bonds are polar, question-answer
2. Thoughtco, definition of nonpolar molecule
3. قطبية كيميائية، ويكيبيديا