رفتار آب و سایر مولکول ها در میدان الکتریکی – به زبان ساده

برخی از مولکول‌ها خصوصا مولکول آب، در حضور میدان الکتریکی جهت‌گیری می‌کنند. این پدیده به این علت است که این مولکول‌ها قطبی هستند و دارای یک سر جزئی مثبت و سر دیگر جزئی منفی هستند که به قطب‌های منفی و مثبت میدان الکتریکی جذب می‌شوند. سایر مولکول‌هایی که در این میدان جهت‌گیری نمی‌کنند، ناقطبی هستند. در این مطلب از مجله فرادرس به بررسی رفتار آب و سایر مولکول ها در میدان الکتریکی می‌پردازیم.

در ابتدای این مطلب می‌آموزیم رفتار مولکول آب و سایر مولکول‌ها در میدان الکتریکی چگونه تعیین می‌شود. سپس به بررسی مولکول آب و قطبیت آن می‌پردازیم. در ادامه، مفهوم مولکول قطبی و ناقطبی و روش تشخیص آن‌ها را توضیح می‌دهیم. در نهایت نیز مثال‌هایی را برای درک بهتر این مباحث بررسی می‌کنیم. با مطالعه این مطلب تا انتها، با رفتار آب و سایر مولکول‌ها در میدان الکتریکی به شکلی کامل آشنا شوید.

رفتار آب و سایر مولکول ها در میدان الکتریکی

مولکول آب در میدان الکتریکی جهت‌گیری می‌کند و سر منفی آن به سمت قطب مثبت و سر مثبت آن به سمت قطب منفی میدان الکتریکی می‌چرخد. این پدیده به علت قطبی بودن مولکول آب است. جهت‌گیری سایر مولکول‌ها نیز در میدان الکتریکی به همین ترتیب است. مولکول‌های قطبی در میدان الکتریکی جهت‌گیری می‌کنند و مولکول‌های ناقطبی در میدان الکتریکی جهت‌گیری نمی‌کنند.

آب یک مولکول خمیده است. به دلیل الکترونگاتیوتر بودن اتم اکسیژن مرکزی، دوقطبی‌ها از اتم‌های هیدروژن به سمت اتم اکسیژن جهت‌گیری می‌‌کنند. به دلیل شکل مولکول، این دوقطبی‌ها یکدیگر را خنثی نمی‌کنند و مولکول آب قطبی می‌شود.

یادگیری شیمی دهم با فرادرس

برای آشنایی با رفتار آب و سایر مولکول ها در میدان الکتریکی باید با مفاهیمی همچون ساختار اتم، آرایش الکترونی، قطبیت مواد و نیروهای بین‌مولکولی آشنا شوید. همچنین با شناخت این موارد می‌توانید مفاهیمی مانند حلالیت و انواع مخلوط را بیاموزید. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با این مفاهیم، به مجموعه فیلم دروس پایه دهم فرادرس بخش شیمی مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مفاهیم می‌پردازد.

همچنین، با مشاهده فیلم‌های آموزش فرادرس که لینک آن‌هادر ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه رفتار آب و سایر مولکول ها در میدان الکتریکی دسترسی داشته باشید.

• فیلم آموزش شیمی ۲ پایه یازدهم رشته علوم تجربی و ریاضی و فیزیک فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۲ پایه یازدهم حل سوالات تشریحی امتحانات نهایی فرادرس
• فیلم آموزش شیمی ۳ پایه دوازدهم فرادرس

بررسی مولکول آب

مولکول آب از ترکیب دو اتم هیدروژن و یک مولکول اکسیژن تشکیل شده است. فرم کلی این مولکول خمیده است و اتم اکسیژن در این ساختار سر منفی مولکول و اتم‌های هیدروژن سر مثبت مولکول هستند.

آب جزء اصلی هیدروسفر زمین و مایع حیات تمام گونه‌های زنده شناخته‌شده است. با وجود اینکه آب حاوی کالری یا ترکیبات آلی نیست، برای تمامی اشکال حیات ضروری است. فرمول شیمیایی آب، $$H_2O$$ است.

شکل مولکول آب

یکی از روش‌های تشخیص رفتار آب و سایر مولکول ها در میدان الکتریکی، توجه به شکل مولکول‌های آن‌ها است. مولکول آب شکل خاصی دارد که به دلیل پیوندهای بین اتم‌های آن و جفت الکترون‌های غیر پیوندی آن به وجود می‌آید.

مولکول آب شامل دو جفت الکترون غیر پیوندی روی اتم اکسیژن است. این جفت الکترون‌ها با هیدروژن‌ها پیوند برقرار نمی‌کنند و حجم مشخصی از فضای دور اتم اکسیژن را اشغال می‌کنند. این الکترون‌ها در لایه ظرفیت اتم اکسیژن قرار دارند.

همانطور که در قسمت قبل گفته شد، مولکول آب یک مولکول خمیده است که از دو اتم هیدرژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده است. اتم اکسیژن علاوه بر این که دو پیوند با دو اتم هیدروژن برقرار می‌کند، دو جفت الکترون ناپیوندی نیز دارد. به همین علت است که شکل کلی مولکول آب خمیده است. تمامی الکترون‌های پیوندی و ناپیوندی در این مولکول یکدیگر را دفع می‌کنند.

پایدار‌ترین حالت برای تمامی مولکول‌ها حالتی است که بار‌های منفی الکترون‌ها در دورترین حالت ممکن از هم قرار گرفته باشند. الکترون‌های ناپیوندی مقدار اثر دافعه بیشتری نسبت به الکترون‌های درون پیوند‌ها دارند. شکل مولکول آب یک هرم ۴ وجهی تشکیل می‌دهد که در آن، زاویه بین پیوند‌های اکسیژن و هیدروژن، ۱۰۴٫۵ درجه است.

ویژگی‌های مولکول آب

مولکول‌ آب یکی از خاص‌ترین مولکول‌های موجود در طبیعت است. شکل خمیده و (V) شکل مولکول آب به آن ویژگی‌هایی بخشیده که در بین سایر مولکول‌ها، خواص منحصر به فردی دارد. برای مثال، مولکول آب قطبی است، حلالی عمومی است، ظرفیت گرمایی بالایی دارد و دمای تبخیر بالایی دارد. تمامی این ویژگی‌ها به دلیل شکل خاص مولکول آب است. در ادامه برخی از این ویژگی‌ها را بررسی می‌کنیم.

قطبیت آب

در قسمتهای قبل اشاره کردیم که علت رفتار آب و سایر مولکول ها در میدان الکتریکی، قطبیت آن‌ها است. مولکول‌های آب قطبی هستند. قسمت هیدروژنی این مولکول‌ها مثبت و قسمت اکسیژنی آن‌ها منفی است. این پدیده به علت بالا بودن الکترونگاتیوی اکسیژن نسبت به هیدروژن و کشش الکترون‌ها توسط این اتم است.

آب یک مولکول قطبی است و این ویژگی بر بسیاری از خواص آن تأثیر می‌گذارد. ساختار مولکولی آن خمیده است، به طوری که دو اتم هیدروژن در اطراف اتم اکسیژن قرار گرفته‌اند. اکسیژن همچنین دارای دو جفت الکترون ناپیوندی است که باعث می‌شود زاویه بین پیوندهای O-H حدود ۱۰۴٫۸ درجه باشد، کمی کمتر از زاویه چهاروجهی ایده‌آل (۱۰۹٫۴۷ درجه). این جفت‌های ناپیوندی فضای بیشتری اشغال می‌کنند و پیوندهای O-H را به هم نزدیک‌تر می‌کنند.

حلالیت آب

آب خاصیت حل کردن بسیاری از مواد قطبی و یونی را دارد و به همین علت یک حلال عمومی نام گرفته است. به همین علت، این مولکول می‌تواند بسیاری از مواد معدنی را با خود همراه کند و به مایعی مهم در بدن انسان و محیط زیست تبدیل شده است.

قاعده طلایی انحلال‌پذیری می‌گوید که مواد مشابه در یکدیگر حل می‌شوند. بنابراین، آب به عنوان یک حلال قطبی، به راحتی مواد حل‌ شونده قطبی را حل می‌کند. این فرآیند به این صورت انجام می‌شود که اتم‌های هیدروژن جزئی مثبتِ آب، به اتم‌های دارای بار منفی حل‌شونده متصل می‌شوند، در حالی که اکسیژن جزئی منفی آب، اتم‌های دارای بار مثبت حل‌شونده را جذب می‌کند. در نتیجه، آب پیوندهای کووالانسی یا یونی حل‌شونده را از هم جدا کرده و اتم‌های آن را از یکدیگر تفکیک می‌کند.

به دلیل قطبیت آب، هر مولکول آب به مولکول‌های آب دیگر جذب می‌شود و پیوندهای هیدروژنی تشکیل می‌دهد. آب همچنین به مولکول‌ها و یون‌های قطبی دیگر، از جمله بسیاری از بیومولکول‌ها مانند قندها، اسیدهای نوکلئیک و برخی اسیدهای آمینه، جذب می‌شود یا آن‌ها را جذب می‌کند. یک ماده قطبی که به راحتی با آب تعامل دارد یا در آن حل می‌شود، هیدروفیل (آب‌دوست) نامیده می‌شود. در مقابل، مولکول‌های غیرقطبی مانند روغن‌ها و چربی‌ها با آب تعامل خوبی ندارند و از آن جدا می‌شوند. این ترکیبات غیرقطبی هیدروفوبیک (آب‌گریز) نامیده می‌شوند.

پیوند‌های مولکول آب

یک مولکول آب می‌تواند تا ۴ پیوند هیدروژنی برقرار کند. این پدیده به این علت است که هر جفت الکترون غیرپیوندی روی اتم اکسیژن می‌تواند به دو اتم هیدروژن دیگر متصل شود. در ساختار آب، مولکول‌های به هم متصل شده، ساختاری ۴ وجهی تشکیل می‌دهند. این ساختار، کلید کاهش چگالی آب در زمان تشکیل ساختار یخ است.

طول پیوند O-H در مولکول آب برابر با ۹۵٫۷ پیکومتر است. به دلیل الکترونگاتیوی بالاتر اکسیژن نسبت به هیدروژن، پیوندهای O-H در آب قطبی هستند، به طوری که اکسیژن بار جزئی منفی ($$\delta^-$$) و هیدروژن‌ها بار جزئی مثبت ($$\delta^+$$) دارند. پیوندهای اضافی بین مولکول‌های آب همچنین به آب مایع ظرفیت حرارتی ویژه بالایی می‌دهد که آن را به یک محیط مناسب برای ذخیره و انتقال حرارت تبدیل می‌کند.

مولکول‌های آب به دلیل قطبیتی که دارند همدیگر را جذب می‌کنند. یک سر مثبت یکی از مولکول‌های آب به سر منفی مولکول آب دیگر به وسیله نیروی واندروالسی هیدروژنی متصل می‌شود. پیوند هیدروژنی پیوندی ضعیف از نوع نیروهای بین‌مولکولی است که در آن یک هیدروژن توسط این پیوند به یک اتم الکترونگاتیو‌تر مانند اکسیژن، نیتروژن یا فلوئور متصل می‌شود.

حالت های آب

آب یکی از معدود موادی است که در شرایط عادی جو به هر سه فرم ماده یعنی جامد، مایع و گاز وجود ردارد. در حالت مایع آب، مولکول‌های آب به شکلی مداوم در حال اتصال و شکستن پیوندهای هیدروژنی بین خود هستند. به این دلیل است که آب به راحتی می‌تواند جاری شود. شکستن این پیوندها به دلیل انرژی سینتیکی مولکول‌های آب و به دلیلیل انرژی حرارتی موجود در سیستم اتفاق می‌افتد.

با افزایش دمای آب مایع، انرژی سینتیکی مولکول‌های آب افزایش یافته و باعث افزایش فاصله آن‌ها از یکدیگر می‌شود و آب به فاز گازی می‌رود. فاز گازی آب همان بخار آب است که در اتمسفر زمین وجود دارد و هنگام جوشاندن آب از ظرف آب خارج می‌شود.

از طرف دیگر، با کاهش دمای آب، مولکول‌های آب به دلیل شکل پیوندهای هیدروژنی، ساختاری کریستالی به خود می‌گیرند. همچنین، انرژی سینتیکی در دماهای پایین به اندازه‌ای نیست که بر این پیوند‌ها غلبه کند و آب در فاز جامد (یخ) باقی می‌ماند. در حالت جامد، مولکول‌های آب بیشتر از حالت مایع از یکدیگر فاصله می‌گیرند. این پدیده به علت شکل مولکول آب و فرم تشکیل پیوندهای هیدروژنی بین آن‌ها است. به همین علت است که حجم یک جرم مشخص آب در جالت جامد بیشتر از حجم همان مقدار آب در حالت مایع است. در تصویر زیر، شکل مولکول‌های آب را در حالت جامد، مایع و گاز مشاهده می‌کنید.

ساختار لوییس آب

در رسم ساختار لوییس مولکول‌ها، ابتدا اتم مرکزی را پیدا می‌کنیم. در مولکول آب، اتم مرکزی اکسیژن است. اتم اکسیژن در لایه ظرفیت خود دارای ۶ الکترون است. هر اتم هیدروژن ۱ الکترون دارد و این الکترون را با یک الکترون از اکسیژن به اشتراک گذاشته و پیوند کووالانسی یگانه برقرار می‌کند. ۲ الکترون از الکترون‌های اکسیژن بدین ترتیب درگیر پیوند می‌شوند و دو جفت الکترون آن دست نخورده باقی می‌مانند. این جفت الکترون‌های غیر پیوندی فضایی زیاد اشغال می‌کنند و با نیروی دافعه، پیوندها را به عقب می‌رانند و به همین علت است که مولکول آب شکلی خمیده دارد.

رسانایی الکتریکی

آب خالص بدون یون‌های خارجی یک عایق الکتریکی بسیار خوب است، اما حتی آب دیونیزه نیز کاملا بدون یون نیست. در حالت مایع، آب دچار خودیونش می‌شود، به این صورت که دو مولکول آب یک آنیون هیدروکسید( ) و یک کاتیون هیدروژن() تشکیل می‌دهند. بنابراین، از نظر غلظت حامل‌های بار، آب نه یک عایق کامل محسوب می‌شود و نه یک ماده کاملا دی‌الکتریک، بلکه یک رسانای محدود بار یونی است.

آموختن رسانایی الکتریکی در آب و محلول‌ها یکی از مباحث مهم است که به دانشمندان کمک کرده است انرژی شیمیایی را به الکتریکی تبدیل کنند و بالعکس. بسیاری از باتری‌های قابل حمل ساخته شده امروزی با استفاده از این ویژگی ساخته شده‌اند. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با این ویژگی، فیلم آموزش رسانایی الکتریکی در محلول‌ها چیست فرادرس را مشاهده کنید. لینک این آموزش در ادامه آورده شده است.

آزمایش باریکه آب

هنگامی که دو قطعه از یک وسیله به یکدیگر مالش داده می‌شوند، الکترون‌های یکی از مواد به دیگری منتقل می‌شود. (به اصطلاح می‌پرد) وسیله‌ای که الکترون را دریافت می‌کند، بار منفی بیشتر خواهد داشت و وسیله ای که الکترون از دست داده است، باری مثبت خواهد داشت.

یکی از روش های انتقال بار بین اجسام، شانه کردن موها با یک شانه پلاستیکی است. یک روش دیگر، کشیدن یک بادکنک به طور مداوم روی موی سر است. اگر به این پدیده دقت کنید، پس از باردار شدن شانه یا بادکنک، این اجسام، برخی از موهای شما را به سمت خود می‌کشند در حالی که برخی از تار موهای شما از هم دور می‌شوند.

این بالن یا شانه که دارای الکتریسیته ساکن هستند،، می‌توانند باریکه ای نازک از آب را به خود جذب کنند زیرا آب مولکولی قطبی است و در میان الکتریکی جهت‌گیری می‌کند.

یکی از آزمایش های ثابت کردن دلیل رفتار آب و سایر مولکول ها در میدان الکتریکی، آزمایش باریکه آب است. این واکنش در مراحلی در ادامه توضیح داده شده است.

وسایل مورد نیاز

در این آزمایش به دو وسیله که بار الکتریکی ساکن ایجاد کنند داریم. این دو وسیله معمولا موهای خشک و شانه یا بادکنک است. همچنین، یک باریکه نازک آب نیز نیاز است که می‌توان با استفاده از کمی باز کردن شیر آب آن را تامین کرد.

روش انجام ازمایش

در مرحله اول، موای خشک را با شانه پلاستیکی یا بادکنک مالش می‌دهیم تا به خوبی باردار شود. باردار شدن شانه یا بادکنک با بالا رفتن برخی از تارهای مو به سمت شانه یا بادکنک نمایان می‌شود. این پدیده به علت وجود الکتریسیته ساکت در بادکنک و موها است. تارهای مو با بار هم‌نام یکدیگر را دفع کرده و شانه و مو یکدیگر را با بارهای ناهمنام جذب می‌کنند.

سپس باریکه‌ای از آب شیر را جاری می‌کنیم و بادکنک یا شانه را به آن نزدیک می‌کنیم و با‌ آن تماس نمی‌دهیم. مشاهده می‌کنیم که باریکه آب منحرف می‌شود.

این انحراف آب به دلیل قطبیت مولکول‌های آب است. مولکول‌های قطبی آب در میدان الکتریکی جهت‌گیری می‌کنند و می‌چرخند. بادکنک یا شانه باردار شده مقداری میدان الکتریکی برای مولکول‌های آب فراهم می‌کند و باعث انحراف باریکه آب به سمت بادکنک یا شانه می‌شوند. اگر میزان حجم آب عبوری زیاد شود، مقدار مولکول‌های آب در نزدیکی باکنک یا شانه زیاد خواهد بود و جهت گیر آن با چشم قابل دیدن نخواهد بود.

قطبیت مولکول آب

توانایی یک اتم در یک مولکول برای جذب الکترون‌های مشترک، الکترونگاتیوی نامیده می‌شود. هنگامی که دو اتم با یکدیگر ترکیب می‌شوند، اختلاف الکترونگاتیوی آن‌ها نشان‌دهنده نوع پیوندی است که تشکیل خواهد شد. اگر این اختلاف کم باشد، هیچ‌یک از اتم‌ها نمی‌تواند الکترون‌های مشترک را به‌طور کامل از اتم دیگر بگیرد و پیوند حاصل کووالانسی خواهد بود.

اما اگر اختلاف الکترونگاتیوی زیاد باشد، اتم با الکترونگاتیوی بیشتر، الکترون‌های پیوندی را به‌طور کامل از اتم دیگر جذب کرده و انتقال الکترون رخ می‌دهد که منجر به تشکیل پیوند یونی می‌شود. به همین دلیل است که فلزات (با الکترونگاتیوی کم) در ترکیب با نافلزات (با الکترونگاتیوی بالا) معمولا ترکیبات یونی ایجاد می‌کنند.

یک پیوند ممکن است آن‌قدر قطبی باشد که انتقال کامل یک الکترون از یک اتم به اتم دیگر رخ دهد و یک پیوند کاملا یونی شکل بگیرد. برای تعیین میزان قطبیت، دانشمندان مقیاسی به نام الکترونگاتیوی ایجاد کرده‌اند که نشان می‌دهد هر اتم تا چه اندازه الکترون‌ها را به خود جذب می‌کند. الکترونگاتیوی یک عدد بدون واحد است و هرچه مقدار آن بیشتر باشد، قدرت جذب الکترون‌های آن اتم بیشتر خواهد بود.

مولکول قطبی چیست؟

پیوند‌های بین مولکول‌ها می‌تواند از نوع کووالانسی قطبی،‌ کووالانسی ناقطبی یا یونی باشد. به مولکولی که پیوند قطبی داشته باشد مولکول قطبی و به مولکولی که پیوند ناقطبی داشته باشد، مولکولول ناقطبی گفته می‌شود. همچنین گاهی به مولکول‌هایی که پیوند یونی داشته باشند نیز قطبی گفته می‌شود. قطبیت به دلیل توزیع نابرابر بار جزئی ایجاد شده توسط دانسیته الکترون‌ها بین اتم‌های مختلف در یک ترکیب ایجاد می‌شود. اتم‌هایی مانند نیتروژن، اکسیژن و هالوژن‌ها که الکترونگاتیوتر هستند، تمایل دارند که بار جزئی منفی داشته باشند. اتم‌هایی مانند کربن و هیدروژن معمولا خنثی‌تر هستند یا بار جزئی مثبت دارند.

مولکول‌های قطبی در میدان الکتریکی و مغناطیسی، جهت‌گیری می‌کنند. مولکول قطبی مولکولی است که یک سمت آن کمی بار مثبت و یک سمت آن کمی بار منفی داشته باشد. این تفاوت بار به علت اختلاف الکترونگاتیوی بین اتم‌های دو سر پیوندها اتفاق می‌افتد. قطبیت یک ویژگی فیزیکی ترکیبات است که با سایر خواص فیزیکی مانند نقطه ذوب و جوش، حلالیت و برهم‌کنش‌های بین‌مولکولی مرتبط است. به طور کلی، بین قطبیت یک مولکول و تعداد و نوع پیوندهای کووالانسی قطبی یا غیرقطبی موجود در آن رابطه مستقیمی وجود دارد.

مولکول‌های قطبی را می‌توان به دو دسته تقسیم و بررسی کرد. این دو دسته مولکول‌های قطبی چند اتمی و مولکول‌های قطبی دواتمی هستند. در ادامه این مولکول‌ها را بررسی می‌کنیم.

مولکول قطبی دو اتمی

مولکول دو اتمی قطبی مولکولی است که از دو اتم ناهمسان تشکیل شده است که الکترونگاتیوی یکی از اتم‌ها از دیگری بیشتر است و با پیوند کووالانسی به یکدیگر متصل شده‌اند. اتمی که الکترونگاتیوتر است، الکترون‌های درگیر در پیوند را بیشتر به سمت خود جذب می‌کند و کمی دانسیته بار منفی الکترونی اطراف این اتم بیشتر می‌شود. به همین صورت، اتمی که الکترونگاتیوی کمتری دارد، دانسیته بار الکترونی منفی اطراف آن کم می‌شود. بدین ترتیب، اتم الکترونگاتیوتر، دارای مقداری بار منفی و اتمی که الکترونگاتیوی کمتری دارد،‌ دارای مقداری بار مثبت می‌شود.

دو انتهای مثبت و منفی این مولکول‌ها با نام قطب شناهته می‌شوند. این قطب ها همانند قطب منفی و مثبت آهنربا هستند و می‌توانند در میدان الکتریکی و مغناطیسی بچرخند و تغییر جهت بدهند. مولکولی که دو قطب دارد، مولکول دوقطبی نامیده می شود. برای مثال، مولکولی مانند هیدروژ» فلوئورید، یک مولکول و قطبی است. ساختار این مولکول را در تصویر زیر مشاهده می‌کنید. در مولکول‌های قطبی،‌ سمتی از مولکول که بار جزئی منفی دارد با علامت () و سری که بار مثبت دارد با علامت () نشان داده می‌شود.

همانطور که در شکل بالا مشاهده می‌کنید، سر فلوئور این مولکول، بار جزئی منفی گرفته است و سر هیدروژنی آن بار جزئی مثبت. مولکول‌ها در حضور میدان الکتریکی، جهت‌گیری می‌کنند و سر مثبت آن‌ها به سمت صفحه منفی و سر منفی آن‌ها به سمت صفحه مثبت متمایل می‌شود. این پدیده را در تصویر زیر مشاهده می‌کنید.

مولکولی قطبی چند اتمی

مولکول‌های قطبی چند اتمی مولکول‌هایی هستند که در آن‌ها شکل مولکول ساختاری متقارن ندارد یا برآیند ممان‌های دو قطبی یکدیگر را خنثی نمی‌کنند. در صورت تقارن شکل مولکول از تمامی جهات، برآیند ممان‌های دو قطبی مولکول یکدیگر را خنثی می‌کنند. برای مثال، مولکول‌هایی مانند کربن تترا کلرید و کربن تترا فلوئورید و بور تری کلرید غیرقطبی هستند. اما اتم‌هایی مانند گوگرد دی اکسید و آب که در صفحه افقی تقارن ندارند، قطبی هستند و برآیند ممان های دو قطبی در این مولکول‌ها یکدیگر را خنثی نمی‌کند. این موارد را در قسمت‌های بعد بیشتر توضیح خواهیم داد.

مولکول ناقطبی چیست؟

مولکول‌های غیرقطبی به دو نوع تقسیم می‌شوند. نوع اول شامل مولکول‌هایی است که اتم‌های آن‌ها دارای الکترونگاتیوی یکسان یا تقریبا یکسان هستند و در نتیجه، دوقطبی آن‌ها صفر یا بسیار کوچک است. نوع دوم شامل مولکول‌هایی با پیوندهای قطبی است، اما به دلیل تقارن هندسی مولکول، دوقطبی‌های پیوندی یکدیگر را خنثی می‌کنند.

یک پیوند کووالانسی غیرقطبی زمانی ایجاد می‌شود که اتم‌ها الکترون‌های خود را به طور مساوی به اشتراک بگذارند.

چه چیزی باعث قطبیت مولکول می‌شود؟

قطبیت مولکول به علت تقسیم نامتناسب الکترون در پیوند بین اتم‌ها در یک مولکول به وجود می‌آید. تقسیم و به اشتراک‌گذاری الکترون در پیوندهای شیمیایی به الکترونگاتیوی اتم‌ها وابسته است. هرچه میزان الکترونگاتیوی اتم بیشتر باشد، بیشتر تمایل دارد ک الکترون‌های موجود در پیوند را به سمت خود بکشد. برای مثال اتم‌هایی مانند اکسیژن، نیتروژن، فلوئور و کلر تمایل زیادی به جذب الکترون دارند و الکترونگاتیوی بالایی دارند. اگر این اتم‌ها با اتم‌هایی که الکترونگاتیوی کمتری دارند مانند هیدروژن و کربن پیوند برقرار کنند، الکترون‌های پیوند بین این اتم‌ها را بیشتر به سمت خود می‌کشند و پیوند در نهایت قطبی می‌شود.

اگر دو اتم با الکترونگاتیوی برابر یا نزدیک به هم پیوند برقرار کنند، میزان قطبیت پیوند بین آن‌ها کمتر می‌شود. زمانی که دو اتم با اختلاف الکترونگاتیوی با یکدیگر پیوند برقرار می‌کنند، الکترون‌های پیوند به شکلی یکسان و برابر بین آن‌هابه اشتراک گذاشته نمی‌شوند. در نتیجه بالاتر بودن دانسیته الکترونی در یک اتم و کمتر بودن آن در اتم دیگر، یک سر پیوند مقداری منفی شده و سر دیگر آن مقداری مثبت می‌شود. بدین ترتیب، پیوند قطبی به وجود می‌آید.

به این بار منفی و مثبت به وجود امده بار جزئی گفته می‌شود. این به این علت است که میزان بار جزئی از میزان باری که از جدا شدن کامل الکترون به دست می‌آید، کمتر است.

الکترونگاتیوی چیست؟

الکترونگاتیوی تمایل اتم به جذب الکترون‌های درون پیوندهای شیمیایی است. این تمایل به دلیل نیروهای جاذبه الکترواستاتیک بین هسته مثبت اتم و بار منفی الکترون‌ها است. هرچه میزان الکترونگاتیوی اتم بیشتر باشد، تمایل آن به جذب الکترون‌ها و میزان نیروی جاذبه بیشتر خواهد بود.

الکترونگاتیوی می‌تواند با استفاده از روش‌های مختلفی محاسبه شود. معروف‌ترنین روش محاسبه میزان الکترونگاتیوی، روش پاولی است که نام آن از دانشمند کشف کننده خاصیت الکترونکاتیوی یعنی لینوس پاولینگ گرفته شده است. بر اساس این مقیاس، الکترونگاتیوی، کمیتی بدون واحد است و می‌تواند برای مقایسه اتم‌های جدول تناوبی به کار برود. بر اساس این مقیاس، الکترونکاتیوی اتم‌ها می‌تواند مقداری بین ۰٫۷ تا ۴ داشته باشد.

میزان الکترونگاتیوی در جدول تناوبی از چپ به راست در هر دوره افزایش می‌یابد و در هر گروه از بالا به پایین کاهش می‌یابد. تصویر زیر، نشان دهنده روند تغییر الکترونکاتیوی در حدول تناوبی است و بدین ترتیب، با دانستن مکان قرار گرفتن اتم در جدول تناوبی، می‌توانید میزان الکترونگاتیوی آن را با اتم‌های دیگر مقایسه کنید و به نوع قطبیت پیوند بین آن‌ها پی ببرید. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با روش انجام مقایسه الکترونگاتیوی عناصر، مطلب «مقایسه الکترونگاتیوی عناصر جدول تناوبی» مجله فرادرس را مطالعه کنید.

بر اساس میزان الکترونگاتیوی و اختلاف الکترونکاتیوی بین اتم‌ها می‌توان به نوع پیوند بین آن‌ها پی برد. این مقایسه‌ها به شکل زیر است.

• اگر اختلاف الکترونگاتیوی بین دو اتم صفر باشد، پیوند کووالانسی غیرقطبی است.
• اگر اختلاف الکترونگاتیوی بین دو اتم بین ۰٫۱ تا ۰٫۴ باشد، پیوند کووالانسی و کمی قطبی است.
• اگر اختلاف الکترونگاتیوی بین دو اتم بین ۰٫۵ تا ۲ باشد، پیوند کووالانسی و کاملا قطبی است.
• اگر اختلاف الکترونگاتیوی بین دو اتم بزرگتر از ۲ باشد، پیوند کاملا یونی است.

تشخیص مولکول قطبی و ناقطبی

در قسمت‌های قبل آموخیتم مولکول قطبی و ناقطبی چه تفاوت‌هایی دارد. برای اینکه بدانیم رفتار آب و سایر مولکول ها در میدان الکتریکی چگونه است، باید بتوانیم قطبیت آن‌هارا مشخص کنیم. تشخیص قطبیت مولکول‌ها با استفاده از رسم مولکول و به دست آوردن ممان دو قطبی مولکول با مقایسه الکترونگاتیوی اتم‌های دو سر پیوند‌ها و بررسی ممان دو قطبی پیوندها انجام می‌شود.

همچنین، اگر مولکولی دو اتمی داشته باشیم نیز می‌توان تنها با مقایسه الکترونگاتیوی بین آن‌ها نوع مولکول را تشخیص داد.

رسم ساختار مولکول

رسم ساختار مولکول یکی از مهم‌ترین مباحثی است که باید در شیمی آموخت. رسم صحیح ساختار مولکول‌ها نیازمند مطالعه و تکرار و تمرین بسیار است. پس از مدتی تمرین رسم مولکول‌ها خواهید دانست که مولکول‌های دو اتمی و چند اتمی چگونه رسم می‌شوند. هم‌چنین، رسم ساختار لوییس مواد نیز می‌تواند به شما کمک کند تا شکل مولکول را بیاموزید و رسم کنید. پس از رسم ساختار مولکول و تشخیص قطبیت آن می‌توانید بفهمید رفتار آب و سایر مولکول ها در میدان الکتریکی چگونه است.

اولین قدم در رسم شکل هندسی مولکول، دانستن ساختار لوییس آن است. با وجود اینکه ساختار لوییش شکل واقعی مولکول را نشان نمی‌دهد اما قدمی مهم در تشخیص و حدس شکل مولکول است. در ادامه ابتدا مولکول‌های دو اتمی را بررسی کرده و سپس به سراغ رسم ساختار لوییس و شکل مولکول‌های چند اتمی و بررسی ممان دو قطبی آن‌ها می‌رویم تا بیشتر با رفتار آب و سایر مولکول ها در میدان الکتریکی آشنا شویم.

در رسم شکل مولکول‌ها ابتدا ساختار لوییس را رسم می‌کنیم و سپس تعداد گروه‌های الکترونی اتم مرکزی را می‌شماریم. گروه الکترونی شامل پیوند الکترونی و جفت الکترون غیر پیوندی است. هر پیوند اعم از یگانه، دوگانه یا سه گانه یک گروه الکترونی و هر جفت الکترون غیر پیوندی یک گروه الکترونی محسوب می‌شود. سپس با شمارش این گروه‌ها طبق جدول زیر می‌توانیم شکل تقریبی مولکول را حدس بزنیم. این جدول برای مولکول‌هایی با بیش از دو اتم کاربرد دارد.

ساختار مولکول آب را در قسمت های قبلی بررسی کردیم. اتم مرکزی مولکول آب شامل دو جفت الکترون ناپیوندی و دو پیوند است . در مجموع ۴ گروه الکترونی دارد و در نتیجه شکل آن هرم چهار وجهی می‌شود.

در بررسی شکل مولکول برای تشخیص قطبیت مولکول یکی از مسائلی ک بسیار حائز اهمیت است، بررسی تقارن مولکول است. گاهی اوقات برآیند نیروهای الکترواستاتیک پیوندها به عللت تقارن مولکول، یکدیگر را خنثی می‌کنند و در نهایت مولکول غیرقطبی می‌شود. برای مثال، مولکول کربن دی اکسید را در نظر بگیرید.

همانطور که مشاهده می‌کنید، کربن دی اکسید، یک مولکول خطی است. این به این علت است که اتم کربن در مرکز مولکول، جفت الکترون پیوندی ندارد و پیوندها می‌توانند تا جای ممکن از هم فاصله بگیرند. میزان الکترونگاتیوی کربن از میزان الکترونگاتیوی اکسیژن کمتر است. جهت دو قطبی‌های رسم شده از کربن به سمت دو اکسیژن است. به علت اینکه این جهت ها مخالف یکدیگر هستند، یکدیگر را خنثی کرده و می‌توان گفت که اتم در کل ناقطبی است. پس مولکول کربن دی اکسید در میدان الکتریکی جهت‌گیری نمی‌کند.

در بررسی قطبیت مولکول‌ها با رسم شکل آن‌ها، باید بتوانیم سر مثبت و منفی آن‌ها را تشخیص دهیم. بدین وسیله می‌توانیم تشخیص دهیم که رفتار آب و سایر مولکول‌ها در میدان الکتریکی چگونه خواهد بود. در قسمت های قبل اموختیم که مولکول‌های قطبی در میدان الکتریکی جهت‌گیری می‌کنند و مولکول‌های غیرقطبی تغییر جهت نمی‌دهند. به طور کلی، اگر برآیند این جهت های قطبیت یکدیگر را خنثی کند، مولکول ناقطبی می‌شود.

ممان دو قطبی

در قسمت‌های قبلی آموختیم قطبیت مولکول نقش مهمی در رفتار آب و سایر مولکول ها در میدان الکتریکی دارد. قطبیت مولکول می‌تواند با استفاده از جمع ممان‌های دوقطبی پیوندها تعریف شود. در مولکول‌های چندتایی و پیچیده، که پیوندهای ماده قطبی است، شکل هندسی سه بعدی مولکول و تقارن پیوندها مشخص می‌کند که مولکول ممان دوقطبی دارد یا نه. از نظر ریاضی، ممان‌های دو قطبی بردار‌هایی با مقدار و جهت هستند.

ممان دو قطبی یک مولکول ، جمع برداری ممان های دو قطبی هریک از پیوندهای مولکولی است. در قسمت‌های قبل آموختیم که ممان دو قطبی برای هر پیوند چگونه تعیین می‌شود. بزرگی ممان دو قطبی پیوند از اختلاف الکترونگاتیوی بین اتم‌های دو سر پیوند به دست می‌آید و جهت ممان دو قطبی از سمت اتم الکتروپوزیتیو‌تر به سمت اتم الکترونگاتیوتر است. برای مثال، در مولکول کربن دی اکسید، ممان‌های دو قطبی به شکل زیر هستند. الکترونگاتیوی اتم کربن برابر با ۲٫۵۵ و الکترونگاتیوی اتم اکسیژن برابر با ۳٫۴۴ است.

همانطور که مشاهده می‌کنید، به دلیل اینکه این دو بردار عکس هم هستند و مقداری برابر دارند، جمع آن‌ها برابر با صفر می‌شود. حال مولکول آب را در نظر بگیرید. در این مولکول، دو پیوند بین اتم‌های اکسیژن و هیدروژن وجود دارد. میزان الکترونگاتیوی اتم اکسیژن برابر با ۳٫۴۴ و الکترونگاتیوی اتم هیدروژن برابر با ۲٫۲ است.

در تصویر زیر، دوقطبی‌های پیوند و جهت ممان دوقطبی را برای مولکول‌های هیدروژن کلرید، بور تری کلرید، آمونیاک مشاهده می‌کنید.

شناخت رفتار آب و سایر مولکول ها در میدان الکتریکی یکی از روش‌های تشخیص حلال قطبی از حلال غیرقطبی است. شناخت انواع حلال یکی از مسائل اساسی در استوکیومتری واکنش و انجام آزمایشات است. پینشهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با حلال‌ها، مطلب حلال در شیمی چیست مجله فرادرس که لینک آن در ادامه آورده شده است را مطالعه کنید.

برای درک بهتر روش پیدا کردن ممان دو قطبی مولکول‌ها، به مثال‌های زیر توجه کنید.

مثال ۱

کدام‌یک از مولکول‌های دی هیدروژن سولفید، $$NHF_2$$ و $$BF_3$$ دارای ممان دو قطبی است؟

پاسخ

برای پاسخ به این سول، ابتدا باید شکل مولکول‌ها را رسم کرده و سپس با مقایسه الکترونگاتیوی اتم‌های دو سر هر پیوند ممان دو قطبی پیوند‌ها را پیدا کرده و سپس برآیند برداری آن‌ها را پیدا کنیم. برای رسم مولکول دی هیدروژن سولفید، اتم گوگرد که اتم مرکزی است، ۸ الکترون در اطراف خود دارد. ای ۸ الکترون، ۴ پیوند را برای اتم گوگرد ممکن می‌کند اما دو هیدروژن برای پیوند با آن وجود دارد و دو جفت الکترون تنها می‌ماند.

این دو جفت الکترون غیرپیوندی، فضای زیادی را اشغال می‌کنند و به همین علت به دو پیوند دیگر فشار می‌آورند و مولکول مانند مولکول آب شکلی خمیده می‌گیرد. سپس دو قطبی‌های پیوند را رسم می‌کنیم‌. همانطور که مشاهده می‌کنید، برآیند برداری ممان دو قطبی پیوندها به سمت اتم گوگرد است و مقداری مثبت دارد.

اگرچه پیوند هیدروژنی نسبت به پیوندهای کووالانسی درون خود مولکول آب ضعیف‌تر است، اما مسئول چندین خاصیت فیزیکی آب است. این خواص شامل دماهای نسبت بالای ذوب و جوش آب است. زیرا انرژی بیشتری برای شکستن پیوندهای هیدروژنی بین مولکول‌های آب نیاز است. در مقابل، سولفید هیدروژن ($$H_2S$$) به دلیل الکترونگاتیویته کمتر گوگرد، پیوند هیدروژنی ضعیف‌تری دارد و در دمای اتاق به صورت گاز است، با وجود اینکه جرم مولی آن تقریبا دو برابر آب است.

برای رسم موکول دی فلوئورو آمین $$NHF_2$$ اتم مرکزی نیتروژن را رسم می‌کنیم. این اتم دارای ۵ الکترون در اطراف خود است و سه پیوند تشکیل می‌دهد. یک جفت الکترون پیوندی آن در بالای صفحه نیتروژن قرار می‌گیرد . این مولکول ساختاری هرمی دارد و سه پیوند دیگر در صفحه نیتروژن قرار دارند. پیوندهای این مولکول شکلی متقارن ندارند و نمی‌توانند ممان‌های دوقطبی یکدیگ را خنثی کنند. در نتیجه، مولکول در حالت کلی دارای ممان دو قطبی بوده و جهت بردار آن از سمت نیتروژن به میانه اتم‌های فلوئور ست.

برای رسم مولکول بور تری فلوئورید، اتم مرکزی بور را در نظر می‌گیریم. اطراف این مولکول ۳ الکترون وجود دارد. سه اتم فلوئور با این سه الکترون پیوند برقرار می‌کنند. این مولکول دارای شکل هندسی مسطح است زیرا اتم بور الکترون غیر پیوندی اضافه‌ای ندارد که فضایی اشغال کند. سه پیوند این مولکول در صفحه به شکل قطر‌های مثلث متساوی الاضلاع قرار گرفته‌اند. به همین دلیل پس از رسم ممان دو قطبی پیوندهای این مولکول مشاهده می‌کنیم که این بردار‌ها اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند و مولکول ممان دو قطبی نخواهد داشت و غیرقطبی است. پس این مولکول در میدان الکتریکی جهت‌گیری نمی‌کند.

مثال ۲

کدامیک از مولکول‌های زیر دارای ممان دو قطبی هستند؟

• $$CH_3Cl$$
• $$SO_3l$$
• $$XeO_3$$

پاسخ

مانند مثال قبل، برای تشخیص رفتار این مولکول‌ها در میدان الکتریکی و به دست آوردن ممان دوقطبی آن‌ها، ابتدا شکل آن‌ها را رسم می‌کنیم و سپس به برآيند برداری ممان دو قطبی پیوندهای آن‌ها می‌پردازیم. در اولین گزینه، برای رسم مولکول کلرومتان، اتم مرکزی این مولکول یعنی کربن را در نظر می‌گیریم. این اتم ۴ الکترون در اطراف خود دارد و سه مولکول هیدروژن و اتم کربن به آن متصل می‌شوند. این مولکول شکلی هرمی خواهد داشت. اتم‌های هیدروژن در یک صفحه و اتم کلر در صفحه دیگر قرار می‌گیرند.

جهت برآيند ممان دوقطبی پیوندهای کربن هیدروژن به شکلی عمود و به سمت کربن است. ممان دوقطبی پیوند کربن کلر، از سمت کربن و به سمت اتم کلر است. پس در مجموع، برآيند دوقطبی‌های این مولکول به سمت اتم کلر خواهد بود و مولکول قطبی خواهد بود و در میدان الکتریکی جهت‌گیری می‌کند.

برای رسم مولکول گوگرد تری اکسید، اتم مرکزی گوگرد را در نظر می‌گیریم. این اتم دارای ۶ الکترون در اطراف خود است. این شش الکترون با پیوندهایی دوگانه به ۳ اتم اکسیژن متصل می‌شوند. در نتیجه اتم گوگرد جفت الکترون ناپیوندی نخواهد داشت و شکل مولکول متقارن و مسطح است. همانطور که در شکل زیر مشاهده می‌کنید، ممان‌های دوقطبی پیوندهای این مولکول یکدیگر را خنثی کرده و در نهایت مولکول از لحاظ قطبیت خنثی است و در میدان الکتریکی جهت‌گیری نمی‌کند.

برای رسم مولکول زنون تری اکسید، اتم مرکزی زنون را در نظر می گیریم. این اتم در گروه گاز‌های نجیب قرار دارد و دارای ۴ جفت الکترون (در مجموع ۸ الکترون) در اطراف خود است. سه جفت از این الکترون‌ها با ۳ اتم اکسیژن پیوند دوگانه برقرار می‌کنند. یکی از جفت الکترون‌های اتم زنون به شکل غیرپیوندی باقی‌خواهد ماند. این جفت الکترون غیرپیوندی فضا اشغال کرده و پیوندها را از خود دور می‌کند و در نهایت مولکول شکلی هرمی به خود می گیرد. برآیند ممان دوقطبی‌های این مولکول به سمت اتم‌ زنون خواهد بود.

یادگیری شیمی دانشگاهی با فرادرس

شناخت قطبیت مواد و بررسی رفتار آب و سایر مولکول ها در میدان الکتریکی، یکی از مفاهیم پایه و اساس در شیمی برای درک مفاهیم پیچیده‌تر است. حلالیت مواد، امکان انحلال‌پذیری آن‌ها، رفتار مولکول‌ها در میدان مغناطیسی و حتی موضوعات پیچیده ای مانند انتخاب حلال مناسب برای روش‌های طیف سنجی، همگی وابسته به درک این مبحث هستند. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با این مباحث، به مجموعه فیلم آموزش دروس شیمی از دروس دانشگاهی تا کاربردی مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مباحث می‌پردازد.

همچنین، با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه شیمی دانشگاهی دسترسی داشته باشید.

• فیلم آموزش شیمی عمومی ۲ جامع و کاربردی فرادرس
• فیلم آموزش شیمی عمومی ۱ و ۲ مرور و حل مساله فرادرس
• فیلم آموزش شیمی آلی ۱ جامع و با نکات کاربردی فرادرس

مثال و تمرین رفتار مولکول ها در میدان الکتریکی

برای درک بهتر رفتار آب و سیار مولکول ها در میدان الکتریکی، به مثال های زیر توجه کنید. همچنین، تمرین‌هایی برای درک بهتر این موضوع ارائه شده است.

مثال ۱

رفتار مولکول اسید کلریدریک در میدان الکتریکی چگونه است؟

پاسخ

هیدروژن کلرید (اسید کلریدریک) یک مولکول قطبی است. هیدروژن و کلر هریک یک الکترون را به اشتراک گذاشته و پیوند یگانه کووالانسی تشکیل داده‌اند. کلر خیلی بیشتر از هیدروژن الکترونگاتیو است و به همین علت، الکترون‌های پیوند را به سمت خود می‌کشد. بدین ترتیب، کلر دارای بار جزئی منفی و هیدروژن دارای بار جزئی مثبت می‌شود. جهت الکترونگاتیوی در این اتم از اتم هیدروژن به الکترون کلر است. به طور کلی معمولا مولکول‌های دوقطبی با دو اتم متفاوت، قطبی هستند.

مثال ۲

رفتار مولکول متان را در میدان الکتریکی بررسی کنید.

پاسخ

مولکول متان از یک اتم کربن و سه اتم هیدروژن تشکیل شده است. اتم کربن با ۴ پیوند یگانه به اتم‌های هیدروژن متصل شده است. میزان الکترونگاتیوی اتم کربن بیشتر از میزان الکترونگاتیوی اتم هیدروژن است و الکترون پیوندی را بیشتر به سمت خود می‌کشد. پس سر اتم کربن پیوندها بار جزئی منفی و سر هیدروژن پیوندها بار جزئی مثبت خواهد داشت. حالا به شکل مولکول متان توجه کنید. مولکول متان شکلی چهار وجهی دارد.

سه پیوند در پایین و به شکل مثلثی در پایین در یک صفحه قرار گرفته‌اند. برآیند ممان دو قطبی این پیوندها به شکل یک فلش از مرکز مثلث به اتم کربن می‌رود. این ممان دو قطبی توسط ممان دو قطبی پیوندی که عمود بر این صفحه و بالای اتم کربن قرار دارد خنثی می‌شود. در نتیجه، این مولکول یک مولکول ناقطبی است.

مثال ۳

رفتار مولکول کربونیل سولفید (OCS) را در میدان الکتریکی بررسی کنید.

پاسخ

شکل مولکول کربن گوگرد اکسید را در نظر بگیرید. در این مولکول، اتم کربن مرکزی جفت الکترون غیرپیوندی ندارد و دو اتم اکسیژن و گوگرد الکترونگاتیوتر هستند و سر منفی مولکول را تشکیل می‌دهند. اما باید به این نکته دقت داشته باشیم که در هر گروه از جدول تناوبی، الکترونگاتیوی از بالا به پایین کاهش می‌یابد. پس الکترونگاتیوی اکسیژن بیشتر از گوگرد است و برآيند ممان دو قطبی‌های موکلول به سمت اکسیژن میل می‌کند و مولکول در کل قطبی است.

در ادامه تمرین‌ها زیر را برای درک بهتر این مطلب حل کنید.

تمرین ۱

تمرین ۲

تمرین ۳