شارح الدرس: الرابطة الهيدروجينية الكيمياء • الصف الثاني الثانوي

مثال ٣: تحديد شكل الرابطة الهيدروجينية الصحيح

أيُّ الأشكال الآتية يُظهِر بصورة صحيحة الرابطة الهيدروجينية بين جزيئَي ؟

(أ)

(ب)

(ج)

(د)

(هـ)

الحل

الروابط الهيدروجينية قوًى بين جزيئية قوية تُوجَد بين ذرة هيدروجين مترابطة تساهميًّا في أحد الجزيئات وزوج حر من الإلكترونات لجزيء مجاور. يجب أن تكون ذرة الهيدروجين مترابطة تساهميًّا مع ذرة فلور أو نيتروجين أو أكسجين. ذرات الفلور لها أعلى قيمة سالبية كهربية بين عناصر الجدول الدوري، والرابطة عالية القطبية. ذرات الفلور مشحونة بشحنة كهروستاتيكية سالبة جزئية ()، وذرات الهيدروجين مشحونة بشحنة كهروستاتيكية موجبة جزئية (). تتكوَّن الروابط الهيدروجينية بين ذرة هيدروجين مترابطة تساهميًّا من جزيء فلوريد هيدروجين وزوج حر من الإلكترونات من ذرة فلور مجاورة.

يمكن تمثيل الروابط الهيدروجينية بين جزيئات فلوريد الهيدروجين المتجاورة بصور أساسية نسبيًّا تَستخدم الرمزين و لتمثيل ذرتَي الهيدروجين والفلورين، وخط أحادي مستقيم لتمثيل الروابط التساهمية. قيم الشحنة الكهروستاتيكية الموجبة والسالبة الجزئية يمثِّلها الرمزان و. وتُمثَّل الروابط الهيدروجينية بخط متقطع رفيع، ولا تُمثَّل أبدًا بأسهم أحادية الجانب.

يطلب منا السؤال تحديد الشكل الذي يُظهِر بصورة صحيحة الرابطة الهيدروجينية بين جزيئين من فلوريد الهيدروجين. الشكل الصحيح سيكون مرسومًا بعلامة بجانب رمز ذرة الهيدروجين ()، وعلامة بجانب رمز ذرة الفلور (). كما أن الشكل الصحيح ستكون به الرابطة الهيدروجينية بجانب الجزء من جزيء واحد و من جزيء مجاور. الخيار (أ) هو الصورة الوحيدة التي بها الرموز والروابط في أماكنها الصحيحة، ونستنتج من ذلك أن الخيار (أ) لا بد أن يكون هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

مثال ٤: فهم تأثير الروابط الهيدروجينية على درجات غليان مركبات جزيئية بسيطة

يوضِّح الرسم البياني بالأسفل درجات غليان هيدريدات المجموعات 14 و15 و16 و17.

1. لماذا تكون درجة غليان و و أعلى بكثير من الهيدريدات الأخرى في مجموعاتها؟
   1. الحجم الأصغر لهذه الذرات يعني أن هذه الجزيئات تحتوي على روابط تساهمية أقوى.
   2. هذه الجزيئات لها ضغوط بخارية عالية مقارنةً بالهيدريدات الأخرى.
   3. تستطيع هذه الجزيئات تكوين بنًى تساهمية شبكية، ويجعل ذلك لها درجات غليان أعلى مقارنةً بالهيدريدات الأخرى في المجموعة.
   4. يمكن لهذه الجزيئات تكوين روابط هيدروجينية، ويمنحها ذلك قوى جذب بين جزيئية أقوى مقارنةً بالهيدريدات الأخرى.
   5. الحجم الأصغر لهذه الجزيئات يعني إمكانية تقارب بعضها من بعض.
2. لماذا تزداد درجة الغليان كلما اتجهنا إلى أسفل المجموعة 14؟
   1. تصبح العناصر ذات طبيعة فلزية؛ ولذلك تقوم بترابط فلزي، وهو أقوى من الترابط التساهمي.
   2. يزداد عدد الإلكترونات في كل ذرة، مسبِّبًا قوى جذب فان دير فالس أعلى بين الجزيئات.
   3. تزداد قوة الرابطة بين ذرات المجموعة 14 وذرات الهيدروجين، ويعني ذلك الحاجة إلى طاقة أعلى لفصلها.
   4. يمكن لهذه الجزيئات تكوين روابط هيدروجينية أقوى، ويزيد ذلك درجة الغليان.
   5. تقل فاعلية الجزيئات، ويعني ذلك الحاجة إلى طاقة أكبر لتغيير حالتها من سائلة إلى غازية.

الحل

الجزء الأول

تعتمد درجات الغليان على قوة التداخلات بين الجزيئية بين الجزيئات. يكون للمواد درجة غليان مرتفعة نسبيًّا عند وجود تداخلات بين جزيئية قوية بين الجزيئات المكوِّنة. ويكون للمواد درجات غليان منخفضة نسبيًّا عند وجود تداخلات بين جزيئية ضعيفة بين الجزيئات المكوِّنة.

درجة غليان فلوريد الهيدروجين أعلى من الهيدريدات الأخرى في المجموعة 17؛ وذلك لأن فلوريد الهيدروجين هو الهيدريد الوحيد الذي يمكنه تكوين روابط هيدروجينية في المجموعة 17. درجة غليان الماء والأمونيا أعلى من هيدريدات المجموعتين 15 و16؛ لأن كلًّا منهما هو الهيدريد الوحيد الذي يمكنه تكوين روابط هيدروجينية في المجموعتين 15 و16. يمكن استخدام هاتين العبارتين لتحديد أن الخيار (د) هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

الجزء الثاني

تعتمد درجات الغليان على قوة التداخلات بين الجزيئية بين الجزيئات. تكون درجات غليان بعض المواد عالية نسبيًّا؛ لأنها تتكوَّن من جزيئات يمكنها تكوين روابط هيدروجينية بين جزيئية قوية. وتكون درجة غليان مواد أخرى منخفضة؛ لأنها تتكوَّن من جزيئات يمكنها تكوين تداخلات تشتت بين جزيئية أضعف.

درجة غليان جميع مركبات الهيدريد الرباعية بالمجموعة 14 منخفضة نسبيًّا؛ لأنها جزيئات غير قطبية ترتبط معًا بقوى تشتت ضعيفة فقط. بعض مركبات الهيدريد الرباعية في المجموعة 14 درجة غليانها أعلى من مركبات الهيدريد الرباعية الأخرى في المجموعة 14؛ لأنها تتكوَّن من مركبات غير قطبية يمكنها تكوين تداخلات تشتت أقوى.

تعتمد شدة قوة التشتت على قوة ثنائي القطب الجزيئي الذي يمكن حثه في الجزيء. يمكن للجزيئات توليد عزوم كهربية ثنائية الأقطاب أقوى عندما تحتوي على عدد أكبر من الإلكترونات وقدرًا أكبر من الكثافة الإلكترونية السالبة التي يمكن إعادة توزيعها. يزيد عدد الإلكترونات عندما ننتقل لأسفل المجموعة 14، وهذا يفسِّر كون درجة غليان الستانان (هدريد القصدير) () أعلى من درجة غليان الجيرمان (هيدريد الجيرمانيوم) ()، كما يفسِّر كون درجة غليان الجيرمان () أعلى بكثير من درجة غليان الميثان (). يُلخِّص الخيار (ب) هذا المنطق، إذن نستنتج أن الخيار (ب) هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.

مثال ٥: تحديد عدد الروابط الهيدروجينية التي تربط بين أزواج قواعد الجوانين والسايتوزين

توضِّح البنية الآتية ازدواج القواعد في الحمض النووي الريبي المنقوص الأكسجين بين جزيئَي الجوانين والسايتوزين. ما عدد الروابط الهيدروجينية التي يمكن أن تتشكَّل بين جزيئَي الجوانين والسايتوزين؟

الحل

يُعَد الحمض النووي الريبي المنقوص الأكسجين (DNA) جزيئًا ضخمًا يتكوَّن من سلسلتين عديدتَي النيوكليوتيدات. وتتكوَّن كل سلسلة عديدة النيوكليوتيدات من عمود فقري من السكر والفوسفات وأزواج قواعد نيتروجينية مختلفة. تحتوي أزواج القواعد النيتروجينية المختلفة على ذرات هيدروجين مشحونة بشحنة موجبة جزئية وذرات أخرى عالية السالبية الكهربية تَنتج عنها أزواج الإلكترونات الحرة. زوج قاعدة الأدينين يكوِّن رابطتين هيدروجينيتين مع زوج قاعدة الثايمين المكمِّل له، ويكوِّن زوج قاعدة الجوانين 3 روابط هيدروجينية مع زوج قاعدة السايتوزين المكمِّل له. يوضِّح الشكلان الآتيان كيفية تكوين رابطتين هيدروجينيتين و3 روابط هيدروجينية بين أزواج قواعد الحمض النووي الريبي المنقوص الأكسجين المتكاملة. يوضِّح الجزء الأول من الشكل كيفية تكوين رابطتين هيدروجينيتين بين أزواج القواعد التكميلية الأدينين (A) والثايمين (T)، والجزء الثاني يوضِّح كيفية تكوين 3 روابط هيدروجينية بين أزواج القواعد التكميلية الجوانين (G) والسايتوزين (C). تُمثَّل الروابط الهيدروجينية بخطوط متقطعة باللون الأحمر.

يطلب منا هذا السؤال تحديد عدد الروابط الهيدروجينية بين أزواج القواعد المتكاملة الجوانين والسايتوزين وليس عدد الروابط بين أزواج القواعد المتكاملة الأدينين والثايمين. يوضِّح الشكل أنه يُوجَد 3 روابط هيدروجينية بين زوجَي قاعدتَي الجوانين والسايتوزين، ونستنتج من ذلك أن 3 هي الإجابة الصحيحة على هذا السؤال.