شارح الدرس: المُذيبات القطبية وغير القطبية الكيمياء • الصف الأول الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف المذيبات القطبية وغير القطبية.

يمكن تعريف الذوبانية بأنها ميلُ مادة كيميائية واحدة للذوبان في مذيب، وتكوين محلول. يمكن أن يكون المذاب مادة صلبة أو سائلة أو حتى غازية، ويمكن أن يتكوَّن المذيب من أيِّ نوع من الجزيئات في الغالب.

بعض المواد قابل للذوبان في المذيبات القطبية، وغير قابل للذوبان في المذيبات غير القطبية. وبعض المواد الأخرى قابل للذوبان في المذيبات غير القطبية، وغير قابل للذوبان في المذيبات القطبية. يمكن فَهْم اختلاف الذوبانية إذا تناولنا كيفية توزيع الإلكترونات في كلِّ نوع جزيء، وقوة التداخلات بين الجزيئية بين جزيئات المذاب والمذيب. بمجرَّد فهمنا لجميع هذه المفاهيم، سنعرف لماذا لا يختلط الزيت بالماء.

من المهمِّ أن نُعرِّف أولًا تعريفًا صحيحًا مفاهيم مثل: السالبية الكهربية، والقطبية الجزيئية، قبل أن نناقش قوى التداخل بين الجزيئي، وذوبانية المذاب والمذيب. تُحدِّد قيم السالبية الكهربية قدرة الذرة على سحب أزواج إلكترونات الترابط من الروابط التساهمية. تكون الذرات فعَّالة في سحب الكثير من كثافة الإلكترونات من الروابط التساهمية عندما تكون قيم سالبيتها الكهربية مرتفعة، وتكون أقلَّ فاعلية في سحب أزواج إلكترونات الترابط عندما تكون قيم سالبيتها الكهربية منخفضة.

تُوصَف الروابط التساهمية بأنها قطبية عندما تتكوَّن من ذرات لها قيمُ سالبية كهربية مختلفة بدرجة كبيرة. تسحب الذرة الأعلى سالبية كهربية معظمَ كثافة الإلكترونات من الرابطة التساهمية، وينتهي الأمر بحمل هذه الذرة شحنة كهربية سالبة جزئية . أما الذرة الأخرى فينتهي بها الأمر بحمل شحنة كهربية موجبة جزئية . يُعدُّ جزيء كلوريد الهيدروجين () مثالًا جيدًا للجزيء الذي يحتوي على رابطة تساهمية قطبية. تسحب ذرة الكلور ذات السالبية الكهربية العالية مقدارًا كبيرًا من كثافة الإلكترونات من الرابطة التساهمية الموجودة في كلوريد الهيدروجين، وينتهي الأمر بحمل هذه الذرة شحنة كهربية سالبة جزئية، في حين تحمل ذرة الهيدروجين شحنة موجبة جزئية.

عادة ما ينتهي الأمر بالجزيئات إلى أن تُصبِح قطبية إذا كانت تحتوي على روابط تساهمية قطبية، لكنَّ هذا لا يحدث دائمًا. يمكن أن تكون للجزيئات أشكال هندسية معينة، وهو ما يعني أن جميع مساحات أسطحها المكشوفة تكون لها قيمة الشحنة الكهربية نفسها، بشكل أساسي، حتى إذا كان الجزيء يحتوي على عدَّة روابط قطبية.

يوضِّح الشكل الآتي كيف تكون بعض الجزيئات غير قطبية على الرغم من حقيقة أنها تحتوي على روابط قطبية. يوضِّح الشكل أن جزيئات ثاني أكسيد الكربون () غير قطبية على الرغم من أنها تحتوي على رابطتين قطبيتين بين الكربون والأكسجين. جزيئات ثاني أكسيد الكربون غير قطبية لأنها متماثلة للغاية. إنها تحتوي على عزمين ثنائيَّي القطب الكهربي، لكنَّ هذين العزمين يُلغِي كلٌّ منهما الآخَر إلغاءً فعَّالًا. يوضِّح الشكل أيضًا أن جزيئات الماء قطبية. إنها تحتوي على عزمين ثنائيَّي القطب الكهربي يُعزِّز كلٌّ منهما الآخَر. تُولِّد جزيئات الماء عزمًا ثنائيَّ القطب الجزيئي، ولا تُولِّد جزيئات ثاني أكسيد الكربون عزمًا ثنائيَّ القطب الجزيئي. يختتم الشكل الآتي هذا الجزء التمهيدي من المعلومات العلمية الأساسية، ويمكننا الآن البدء في مناقشة سبب قابلية ذوبان بعض المواد في مواد أخرى.

عادة لا تختلط مواد المذاب والمذيب إحداها بالأخرى مُكوِّنة محلولًا واحدًا متجانسًا إلا إذا كانت التداخلات بين المذاب والمذيب مشابهة أو مماثلة للتداخلات بين جزيئات المذاب أو جزيئات المذيب. جزيئات المذيب القطبي لها توزيع غير متماثل لكثافة الإلكترونات، وبعض مساحات جزيء المذيب القطبي تحمل شحنة سالبة جزئية، في حين تحمل المساحات الأخرى شحنة موجبة جزئية. جزيئات المذيب القطبي لها عزم ثنائي القطب الكهربي، وبها تداخلات كهروستاتيكية قوية مع جزيئات المذيب القطبي الآخَر. لن تتفكَّك جزيئات المذيب القطبي وتختلط بجزيئات المذاب إلا إذا أنشأت عملية الذوبان هذه تداخلات بين المذاب والمذيب مشابهة أو مماثلة للتداخلات الكهروستاتيكية بين جزيئات المذيب.

يمكن استخدام الشكل الآتي لفَهْم المعلومات الواردة في الفقرة السابقة بشكل أفضل. يوضِّح الشكل أن هناك تداخلات جسرية قوية بين جزيئات المذيب القطبي. يمكن تسمية هذه التداخلات الجسرية بـ «التداخلات بين جزيئات المذيب». لا بد من تعطيل بعض هذه التداخلات الجسرية إذا كان المذيب سيختلط ببعض المذاب. ولا بد من تعطيل بعض التداخلات الجسرية حتى يتسنَّى تكوين تجويف فيما بين جزيئات المذيب. بعد ذلك، يمكن أن يمتلئ التجويف بجزيء المذاب. لن تحدث هذه العملية عادة إلا إذا كان بإمكان المذاب «ملء مكان» المذيب المُستبدَل ملئًا فعَّالًا. لن تحدث العملية عادة إلا إذا كان بإمكان المذاب إنشاء تداخلات جسرية جديدة بين المذاب والمذيب مشابهة أو مماثلة للتداخلات الجسرية القديمة بين جزيئات المذيب.

يُعدُّ الماء () أحد أبسط المذيبات القطبية، وهو يحتوي على ذرة أكسجين واحدة سالبة كهربيًّا مرتبطة تساهميًّا بذرَّتَي هيدروجين. تجذب ذرة الأكسجين معظم كثافة الإلكترونات من الرابطتين التساهميتين الموجودتين بين . ينتهي الأمر بذرة الأكسجين إلى أن تصبح غنية نسبيًّا بكثافة الإلكترونات ، في حين ينتهي الأمر بذرَّتَي الهيدروجين إلى أن تصبح كثافة الإلكترونات لديهما منخفضة للغاية . يؤدِّي التوزيع غير المتماثل لكثافة الإلكترونات إلى توليد عزم ثنائي القطب الكهربي، ويمكن أن تحتوي جزيئات الماء على تداخلات كهروستاتيكية قوية مع الجزيئات القطبية الأخرى أو الذرات المشحونة.

التداخلات بين الجزيئية بين جزيئات الماء قوية؛ لأن جزيئات الماء لها عزم ثنائي القطب الكهربي. يمكن أن تُكوِّن مساحاتُ جزيء واحد من الماء كثيفةُ الإلكترونات روابط هيدروجينية قوية مع مساحات جزيئات الماء الأخرى المنخفضة الإلكترونات للغاية . لن تنفصل جزيئات الماء أحدها عن الآخَر، ولن تتكسَّر الروابط الهيدروجينية القوية الموجودة بين جزيئات الماء إلا إذا تمكَّنت الجزيئات من إنشاء تداخلات كهروستاتيكية قوية مشابهة مع جزيئات المذاب الأخرى أو ذراته.

تنفصل جزيئات الماء أحدها عن الآخَر بسهولة، وتتكسَّر الروابط الهيدروجينية الموجودة بين جزيئات الماء إذا تمكَّنت الجزيئات من تكوين تداخلات كهروستاتيكية جديدة وقوية مع الأيونات المشحونة أو الجزيئات القطبية. يحدث هذا عند ذوبان أملاح أيونية مثل كلوريد الصوديوم () في الماء. تنفصل جزيئات الماء أحدها عن الآخَر، وتُكوِّن تداخلات كهروستاتيكية قوية مع الأيونات الموجبة الشحنة والسالبة الشحنة التي تُكوِّن شبيكة كلوريد الصوديوم. تتفاعل أيونات الصوديوم الموجبة الشحنة () مع أطراف بعض جزيئات الماء السالبة الشحنة جزئيًّا. وتتفاعل أيونات الكلوريد السالبة الشحنة () مع أطراف بعض جزيئات الماء الأخرى الموجبة الشحنة جزئيًّا. يمكن لأيونات الصوديوم والكلوريد أن «تملأ مكان» جزيئات الماء المذيب المُستبدَلة.

عادة ما تحتوي جزيئات الماء أيضًا على تداخلات كهروستاتيكية قوية مع جزيئات الحمض الكربوكسيلي القصير السلسلة، والكحول القصير السلسلة. يمكن أن تُكوِّن ذرةُ هيدروجين جزيءٍ واحدٍ من الماء روابط هيدروجينية مع ذرة الأكسجين السالبة كهربيًّا الخاصة بجزيئات الكحول أو الحمض الكربوكسيلي المجاورة. ستنفصل جزيئات الماء أحدها عن الآخَر بسهولة إذا كان بإمكانها تكوين روابط هيدروجينية قوية مع جزيئات الكحول أو الحمض الكربوكسيلي القطبية. هذا النزوع لجزيئات الماء إلى التفكُّك أحدها عن الآخَر ثم إلى تكوين روابط هيدروجينية مع مذابات قطبية يفسِّر سبب قابلية الكحولات القصيرة السلسلة والأحماض الكربوكسيلية القصيرة السلسلة للذوبان في الماء.

أول ثلاثة مُركَّبات في السلسلة المتجانسة للكحولات والأحماض الكربوكسيلية المستقيمة السلسلة؛ قابلة للذوبان في الماء. يمكن أن يُكوِّن الميثانول والإيثانول والبروبانول محلولًا واحدًا متجانسًا مع الماء في درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي. يُعرِّف الكيميائيون مُركَّبات الميثانول والإيثانول والبروبانول بأنها قابلة للامتزاج بالماء؛ لأنها يمكن أن تُكوِّن محلولًا واحدًا متجانسًا مع الماء في الظروف القياسية.

المُركَّبات الأكبر من السلسلة المتجانسة للكحولات والأحماض الكربوكسيلية؛ غير قابلة للذوبان في الماء في درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي. جزيئات الكحولات والأحماض الكربوكسيلية الكبيرة غير قابلة للذوبان في الماء؛ لأنها تحتوي على نطاقات سلسلة هيدروكربونية غير قطبية كبيرة نسبيًّا، ومجموعات هيدروكسيل قطبية () أو كربوكسيل () قطبية صغيرة نسبيًّا. يمكن أن تُكوِّن مجموعات الهيدروكسيل أو الكربوكسيل الصغيرة روابط هيدروجينية قوية مع جزيئات الماء، لكن لا يمكن أن تُكوِّن السلاسل الكربونية الأكبر غير القطبية روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء. من الملائم بدرجة كبيرة لمجموعات الهيدروكسيل والكربوكسيل الصغيرة أن تذوب في الماء، لكن من الملائم بدرجة أكبر للسلاسل الكربونية الكبيرة ألا تذوب في الماء. يمكن للجانب القطبي من جزيء الكحول أو الحمض الكربوكسيلي الكبير «ملء مكان» جزيئات الماء القطبية المُستبدَلة، لكنَّ الجانب غير القطبي لا يمكنه فعل ذلك.

يوضِّح الجدول الآتي أن ذوبانية الكحول تعتمد على طول نطاق سلسلة الهيدروجين والكربون غير القطبية. ويوضِّح أيضًا أن جزيئات الكحول تكون قابلة للذوبان في الماء بدرجة كبيرة إذا كان لها نطاق سلسلة هيدروكربونية غير قطبية صغيرة، وأن جزيئات الكحول تكون أقل قابلية للذوبان بكثير إذا كان لها نطاق سلسلة هيدروكربونية كبيرة نسبيًّا.

لا يختلط الماء عادة بالمواد غير القطبية؛ لأن التداخلات بين جزيئات الماء عادة ما تكون أقوى بكثير من التداخلات بين جزيئات الماء والمادة غير القطبية. لن يختلط الماء بمواد غير قطبية مثل الزيت أو الشحم. ليس من الملائم بدرجة كبيرة أن نكسر التداخلات القوية بين جزيئات الماء لتحلَّ التداخلات الأضعف بين جزيئات الماء والزيت أو الماء والشحم محلَّها. عادة ما تظلُّ جزيئات الماء معًا عندما تحيط بها جزيئات غير قطبية مثل جزيئات الزيت أو الشحم.

التداخلات بين الجزيئية الموجودة بين الجزيئات غير القطبية ضعيفة جدًّا بوجه عام، ولا تستطيع الجزيئات غير القطبية عادة «ملء مكان» جزيئات المذيب القطبي المُستبدَلة. عادة ما تحتوي المواد غير القطبية على تداخلات بين جزيئية ضعيفة نسبيًّا، وعادة ما تكون غير قابلة للامتزاج بالمواد القطبية مثل الماء. لا تختلط المواد القطبية بالمواد غير القطبية؛ لأن التداخلات بين الجزيئات القطبية تكون أقوى من التداخلات بين المواد غير القطبية. من الملائم بدرجة كبيرة أن تكون المواد القطبية وغير القطبية منفصلة، ومن الملائم بدرجة أقل أن تختلط هذه المواد معًا. يكون إجمالي عدد التداخلات بين الجزيئية القوية مرتفعًا إذا كانت المواد القطبية وغير القطبية منفصلة. ويكون عدد التداخلات بين الجزيئية القوية منخفضًا إذا كانت المواد القطبية وغير القطبية مختلطة معًا.

عادة ما تكون المواد غير القطبية قابلة للامتزاج بالمواد غير القطبية الأخرى. يكون هناك العدد نفسه تقريبًا من التداخلات بين الجزيئية الضعيفة إذا كانت مادَّتَا المذاب والمذيب غير القطبيتين منفصلتين أو مختلطتين معًا. يكون هناك عدد من التداخلات بين الجزيئية الضعيفة إذا كانت مادَّتَا المذاب والمذيب غير القطبيتين منفصلتين، ويكون هناك عدد تقريبًا من التداخلات بين الجزيئية الضعيفة إذا كانت مادَّتَا المذاب والمذيب غير القطبيتين مختلطتين لتكوين محلول واحد متجانس. يمكن استخدام هذا المنطق لفَهْم سبب قابلية معظم المواد غير القطبية للامتزاج ببعضها. لنتناول بعض الأمثلة في الفقرة الآتية.

يوضِّح الشكل الآتي التداخلات بين الجزيئية بين نوعين من الجزيئات غير القطبية. توضِّح إحدى الصورتين وجود تداخلات بين جزيئية ضعيفة بين جزيئات الهكسان () غير القطبية، وتوضِّح الصورة الأخرى وجود تداخلات بين جزيئية ضعيفة مشابهة بين جزيئات البروم () غير القطبية. إن التداخلات بين الجزيئية بين جزيئات الهكسان وجزيئات البروم ضعيفة؛ لأن جزيئات الهكسان والبروم لا تحتوي على روابط قطبية. إنها تحتوي على روابط غير قطبية؛ لأنها تتكوَّن من ذرات لها قيمُ سالبية كهربية متشابهة. لا تستطيع أيُّ ذرة بروم أن تسحب معظم كثافة الإلكترونات من رابطة البروم–بروم في جزيء ، ولا تستطيع ذرة الكربون أو الهيدروجين أن تسحب قدرًا كبيرًا من كثافة الإلكترونات من الروابط الموجودة بين الكربون والهيدروجين في جزيء .

مادَّتَا البروم والهكسان قابلتان للامتزاج إحداهما بالأخرى؛ لأن التداخلات بين جزيئات الهكسان مشابهة للتداخلات بين جزيئات البروم. يوجد عدد تقريبًا من التداخلات بين الجزيئية الضعيفة في محلول الهكسان والبروم بغضِّ النظر عن الكيفية التي تترتَّب بها جزيئات الهكسان والبروم أحدها حول الآخَر.

يمكننا أيضًا تناول جزيء البنزين غير القطبي الذي صيغته الكيميائية هي . يتكوَّن الجزيء من ذرات لها قيمُ سالبية كهربية مُتقارِبة، وهو غير قطبي. عادة ما تكون جزيئات البنزين قابلة للامتزاج بمعظم المواد غير القطبية الأخرى. يوجد عدد تقريبًا من التداخلات بين الجزيئية الضعيفة في محلولٍ يتكوَّن من البنزين ومادة أخرى غير قطبية بغضِّ النظر عن الكيفية التي يترتَّب بها نوعَا الجزيئات أحدهما حول الآخَر. يمكن أن تذوب جزيئات البنزين في مواد غير قطبية مثل الهكسان؛ لأن التداخلات بين جزيئات الهكسان والبنزين تشبه إلى حدٍّ كبير التداخلات بين جزيئات الهكسان. يمكن لجزيئات البنزين أن «تملأ مكان» مذيب الهكسان المُستبدَل. تحتوي محاليل البنزين والهكسان على عدد تقريبًا من التداخلات بين الجزيئية الضعيفة، بغضِّ النظر عن الكيفية التي تترتَّب بها جزيئات البنزين والهكسان أحدها حول الآخَر.

ساعدنا المنطق في فَهْم سبب قابلية معظم المواد القطبية للذوبان في معظم المذيبات القطبية، وكذلك فِي فَهْم سبب قابلية معظم المذابات غير القطبية للذوبان في معظم المذيبات غير القطبية. تُحدَّد قيم القابلية للامتزاج في النهاية بقوى التداخلات بين الجزيئية التي تُبقِي على المواد المذابة والمذيبة معًا.

تحتوي المذابات غير القطبية والمذيبات غير القطبية، بوجه عام، على قوًى متشابهة للتداخل بين الجزيئي، وعادة ما تختلط معًا وتُكوِّن محلولًا واحدًا متجانسًا. تحتوي المذابات القطبية والمذيبات القطبية، بوجه عام، على قوًى متشابهة للتداخل بين الجزيئي، وعادة ما تختلط معًا وتُكوِّن محلولًا واحدًا متجانسًا. تحتوي المواد القطبية وغير القطبية على قوى تداخل بين جزيئي مختلفة للغاية، وهذا يفسِّر سبب عدم قابلية المواد القطبية وغير القطبية للامتزاج ببعضها. لقد استطعنا أن نفسِّر لماذا لا تختلط المواد غير القطبية عادة، مثل الزيت، بالمواد القطبية مثل الماء. لنتناول الآن بعض المذيبات القطبية وغير القطبية الشائعة.

يوضِّح الجدول الآتي بعض المذيبات القطبية وغير القطبية الأكثر شيوعًا. يوضِّح العمود الأول المذيبات غير القطبية الشائعة، ويوضِّح العمود الثاني المذيبات القطبية الشائعة. تتكوَّن المواد الموجودة في العمود الأيسر كلها تقريبًا من ذرات لها قيمُ سالبية كهربية مُتقارِبة، وتتكوَّن المواد الموجودة في العمود الأيمن من ذرات لها قيمُ سالبية كهربية مختلفة بدرجة كبيرة.

يميل الكيميائيون إلى تقسيم المذيبات القطبية بشكل أكبر إلى فئتين: مذيبات قطبية بروتونية، ومذيبات قطبية لا بروتونية. يمكن أن تُكوِّن جزيئات المذيب القطبي البروتوني روابط هيدروجينية؛ لأنها تحتوي عادة على ذرة هيدروجين واحدة على الأقل مرتبطة تساهميًّا بذرة نيتروجين أو أكسجين أو فلور. تحمل ذرة الهيدروجين شحنة كهروستاتيكية موجبة جزئية، ويمكن أن تُكوِّن روابط هيدروجينية مع ذرة أخرى سالبة كهربيًّا تحمل زوجًا واحدًا من الإلكترونات الحرة.

المذيبات القطبية اللابروتونية مذيبات قطبية لا تحتوي على أيِّ ذرات هيدروجين يمكن أن تُكوِّن روابط هيدروجينية مع أزواج الإلكترونات الحرة. لا يوجد أيُّ ترابط هيدروجيني بين الجزيئات المتجاورة من المذيب القطبي اللابروتوني؛ لأن الجزيء القطبي اللابروتوني الواحد لا يمكن أن يُكوِّن رابطة هيدروجينية مع جزيء قطبي لا بروتوني آخَر.

يقارن الشكل الآتي بين تركيب جزيء مذيب قطبي بروتوني، وجزيء مذيب قطبي لا بروتوني. يحتوي جزيء حمض الأسيتيك على ذرة هيدروجين واحدة مرتبطة تساهميًّا بذرة أكسجين ذات سالبية كهربية عالية. ولا يحتوي جزيء ثنائي كلورو الميثان على أيِّ ذرات هيدروجين مرتبطة بالمثل مع ذرةٍ ذات سالبية كهربية عالية. ومن ثمَّ، يمكن أن يُكوِّن حمض الأسيتيك روابط هيدروجينية، ولا يمكن أن تُكوِّن جزيئات ثنائي كلورو الميثان روابط هيدروجينية.