فيديو الدرس: الرابطة الهيدروجينية الكيمياء • الصف الثاني الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف ونوضح الرابطة الهيدروجينية، وتأثيرها على الخواص الفيزيائية للجزيئات.

في الكيمياء، نتحدث كثيرًا عن التجاذبات وقوى الجذب التي تنشأ على نطاق صغير جدًّا. بعض قوى الجذب تسمى القوى بين الجزيئية. والقوى بين الجزيئية هي القوى التي تنشأ بين جزيئات مختلفة. وهذا ما تشير إليه البادئة «بين» التي توضح أن هذه القوى موجودة بين جزيئين أو أكثر. السبب وراء تشكيل الماء قطرات مكونة من عدة جزيئات، بدلًا من التشتت مثلًا في صورة جزيئات فردية، يعزى إلى القوى بين الجزيئية التي تربط جزيئات الماء معًا.

والمقابل للقوة بين الجزيئية هو القوى الضمنية داخل الجزيئات. القوى الضمنية داخل الجزيئات تنشأ داخل الجزيء الواحد. على سبيل المثال، الروابط التساهمية التي تجمع ذرة الأكسجين مع ذرتي الهيدروجين في جزيء الماء هي قوى ضمنية داخل الجزيئات. وهي القوى الموجودة داخل الجزيء، وتحافظ على ترابطه.

من الفئات الأخرى للقوى، القوى الكهروستاتيكية. القوى الكهروستاتيكية هي القوى التي تنشأ بسبب الشحنات الكهربية للجسيمات ذات الصلة. نظرًا لأننا نتحدث عن قوى الجذب، فسنركز على التجاذب الكهروستاتيكي بين جسيم موجب الشحنة وجسيم سالب الشحنة. لكن من الجدير بالذكر أن التنافر الكهروستاتيكي يمكن أن ينشأ عندما تكون الشحنات متماثلة. والتجاذب الكهروستاتيكي يمكن أن ينشأ على المستوى الضمني داخل الجزيئات والمستوى بين الجزيئي على حد سواء. على سبيل المثال، الرابطة الأيونية بين أيون موجب وأيون سالب هي قوة ضمنية داخل الجزيئات تعد أيضًا قوة كهروستاتيكية.

من أمثلة القوى الكهروستاتيكية بين الجزيئية القوة التي تنشأ بين الجزيئات القطبية. الجزيئات القطبية، مثل بروميد الهيدروجين الموضح هنا، لها طرف موجب بعض الشيء وطرف سالب بعض الشيء. وتوجد قوة كهروستاتيكية بين جزيئية تجذب الطرف ذا الشحنة الموجبة الجزئية بأحد الجزيئات القطبية إلى الطرف ذي الشحنة السالبة الجزئية بجزيء آخر. وبما أن الجزيئات القطبية تسمى أيضًا ثنائيات الأقطاب، فإننا نطلق على هذا التجاذب قوى جذب ثنائيات الأقطاب. موضوع هذا الفيديو هو الرابطة الهيدروجينية. الرابطة الهيدروجينية هي قوة جذب بين جزيئية، وكذلك قوة كهروستاتيكية تنشأ في حالة خاصة جدًّا. الآن وبعد أن تعرفنا على قوى الجذب بوجه عام، دعونا نلق نظرة على الرابطة الهيدروجينية على وجه التحديد.

ثمة شرطان أساسيان يلزم توفرهما لتكون الرابطة الهيدروجينية. الشرط الأول هو أنه لا بد أن تتوفر ذرة عالية السالبية الكهربية. الفلور الذي تبلغ قيمة سالبيته الكهربية 4.0، والأكسجين الذي تبلغ قيمة سالبيته 3.5، والنيتروجين الذي تبلغ قيمة سالبيته 3.0، جميعها تفي بهذا الشرط. جدير بالذكر أنه في بعض الجزيئات الاستثنائية، يمكن لذرات أخرى، مثل الكبريت والكلور، تكوين روابط هيدروجينية أيضًا. فللكلور سالبية كهربية عالية تبلغ 3.2، ولكنه لا يكون روابط هيدروجينية إلا في حالات خاصة. والسبب الدقيق وراء ذلك خارج نطاق هذا الفيديو، إلا أنه يتعلق بحقيقة أن نصف قطر ذرة الكلور الكبير ينشر شحنته على نطاق أوسع.

الشرط الأساسي الثاني لتكوين الرابطة الهيدروجينية هو أن الذرة ذات السالبية الكهربية يجب أن ترتبط بذرة هيدروجين. فتشارك ذرة الهيدروجين بإلكترونها الحر مع الذرة الأخرى في رابطة تساهمية. يمكن لذرتين متجاورتين تفيان بهذين الشرطين تكوين رابطة هيدروجينية بين ذرة الهيدروجين بأحد الجزيئات والذرة ذات السالبية الكهربية بالجزيء الآخر. وفي محلول يحوي العديد من هذه الجزيئات معًا، يمكن لكل جزيء تكوين رابطة هيدروجينية واحدة أو أكثر مع الجزيئات المحيطة به.

من الجدير بالذكر أنه لا يشترط أن تكون الذرة ذات السالبية الكهربية وذرة الهيدروجين الذرتين الوحيدتين الموجودتين في الجزيء. على سبيل المثال، الكحولات مثل الميثانول تفي بكلا الشرطين. فتوجد بها ذرة ذات سالبية كهربية، وهي الأكسجين، مرتبطة بذرة هيدروجين. إذن يمكن أن تتكون رابطة هيدروجينية بين ذرة الهيدروجين بأحد الجزيئات وذرة الأكسجين بجزيء مجاور.

من الجدير بالذكر أيضًا أنه لا يشترط أن تكون كل الجزيئات متماثلة كي تتكون الروابط الهيدروجينية. على سبيل المثال، إذا خلطنا محلولي المركبين الموضحين بالرسم هنا، فسنلاحظ تكون روابط هيدروجينية بين الذرة ذات السالبية الكهربية بأحد أنواع الجزيئات وذرات الهيدروجين بالنوع الآخر من الجزيئات. وهكذا صرنا نعلم ما هو مطلوب لتكون الرابطة الهيدروجينية. لكن يبقى السؤال، لماذا تتكون الرابطة الهيدروجينية؟ ما الذي يميز هذا النسق تحديدًا؟ للإجابة عن هذا السؤال، علينا إلقاء نظرة على الإلكترونات المشاركة. تمثل الرابطة التساهمية بين الفلور والهيدروجين زوجًا من الإلكترونات المشتركة. ونظرًا لأن الفلور أعلى سالبية كهربية من الهيدروجين، تقترب الإلكترونات المشتركة من ذرة الفلور بينما تبتعد عن ذرة الهيدروجين.

نظرًا لأن ذرة الهيدروجين تبدأ بإلكترون واحد فقط، فإن مشاركة هذا الإلكترون تمنح ذرة الهيدروجين كثافة إلكترونية منخفضة للغاية. نتيجة لذلك، يصبح لديها شحنة موجبة جزئية قوية جدًّا. على النقيض من ذلك، يكون لطرف الفلور بالجزيء شحنة سالبة جزئية قوية بسبب المشاركة غير المتساوية للإلكترونات. والتجاذب بين الطرف الموجب لأحد الجزيئات والطرف السالب لجزيء مجاور في هذه الحالة الخاصة يسمى الرابطة الهيدروجينية. على وجه التحديد، تنجذب ذرة الهيدروجين الموجبة الشحنة إلى زوج إلكترونات حر على ذرة الفلور. علينا أيضًا إدراك أن الروابط الهيدروجينية أطول بمرتين تقريبًا من الروابط التساهمية التي تحافظ على ترابط الجزيء، على الرغم من أن كلا نوعي الروابط قد يختلف في الحجم.

في هذا المثال وغيره، لا نرى دائمًا هذه الروابط مرسومة بشكل تناسبي. ولكن إذا حدث ذلك، فستبدو هكذا تقريبًا؛ إذ تكون الرابطة الهيدروجينية أطول بمرتين تقريبًا من الروابط التساهمية. يمكننا تلخيص هذه الحالة بتعريف. الرابطة الهيدروجينية هي تجاذب كهروستاتيكي بين جزيئي بين ذرة هيدروجين ذات شحنة موجبة جزئية قوية وذرة ذات سالبية كهربية عالية في جزيء آخر. الرابطة الهيدروجينية هي تجاذب كهروستاتيكي بين جزيئي قوي للغاية. وترجع قوة هذا التجاذب إلى أن الشحنات الجزئية عند طرفي الرابطة الهيدروجينية قوية للغاية أيضًا.

لنلق الآن نظرة أقرب على شدة قوة الروابط الهيدروجينية مقارنة بالقوى الأخرى. عند ترتيب قوى الجذب حسب شدتها، فإن المقارنة الأولى التي يمكننا إجراؤها هي أن القوى الضمنية داخل الجزيئات أشد من القوى بين الجزيئية. من المنطقي أن تكون القوى التي تربط مكونات الجزيء الواحد معًا أقوى من تلك التي تربط جزيئين منفردين؛ إذ يفترض أن يكون من الأسهل فصل جزيئين منفردين مقارنة بفصل مكونات جزيء واحد. داخل هاتين الفئتين، يمكننا ترتيب القوى الفردية وفقًا لشدتها بناء على مبدأ بسيط.

في كل من هاتين الفئتين، كلما زاد الاختلاف في الشحنة، زاد التجاذب بين الجسيمات. وتتمثل اثنتان من أشد القوى الضمنية داخل الجزيئات في الروابط الفلزية والروابط الأيونية. تتضمن هذه الروابط أيونات موجبة وسالبة أو أيونات موجبة وإلكترونات ذات شحنات كاملة، ومن ثم قوى جذب قوية جدًّا. بالنزول في الترتيب من حيث الشدة، نجد الروابط التساهمية القطبية التي تتضمن ذرات ذات شحنات جزئية فقط بسبب المشاركة غير المتكافئة للإلكترونات. والروابط التساهمية غير القطبية تعد قوة جذب أضعف نظرًا لعدم وجود اختلاف بين شحنات الجسيمات المشاركة في الرابطة.

بالنظر إلى القوى بين الجزيئية المتعددة، يمكننا ترتيبها وفقًا لشدتها باتباع النمط نفسه. كل من الروابط الهيدروجينية وقوى جذب الثنائيات الأقطاب تتضمن شحنات جزئية. ومع ذلك، فإن الفرق الكبير في السالبية الكهربية بالرابطة الهيدروجينية يجعل الشحنات الجزئية قوية للغاية، ما ينتج عنه قوة جذب أشد من قوة جذب الثنائيات الأقطاب العادية. وقوة الجذب بين الثنائيات الأقطاب والثنائيات الأقطاب المستحثة أضعف من قوى جذب الثنائيات الأقطاب لأنها بدلًا من أن تكون بين جسيمين لهما شحنات جزئية متضادة، تنشأ هذه القوى بين جسيم ذي شحنة جزئية وجزيء آخر غير قطبي. ولا ينشئ الجزيء غير القطبي سوى منطقة مشحونة ضعيفة مؤقتة في وجود الجزيء الآخر.

أضعف القوى بين الجزيئية هي قوى تشتت لندن التي تتكون بين أي زوج من الجزيئات، بما في ذلك الجزيئات التي ليس بينها أي اختلاف في الشحنات. يمكن معرفة المزيد من التفاصيل حول هذه القوى المختلفة في فيديوهات أخرى. بوجه عام، يمكننا ملاحظة أن الرابطة الهيدروجينية هي قوة جذب بين جزيئية قوية. يمكن أن يؤثر وجود الرابطة الهيدروجينية على الخصائص الفيزيائية للمادة، وبالأخص درجة الغليان. على سبيل المثال، تكون جزيئات الماء روابط هيدروجينية بين ذرة أكسجين بأحد الجزيئات وذرة هيدروجين بجزيء مجاور. من ناحية أخرى، لا يحتوي كبريتيد الهيدروجين على روابط هيدروجينية، وإن كان يتضمن قوى جذب الثنائيات الأقطاب الأضعف.

عندما نغلي مادة مثل الماء، فإننا نضيف طاقة إلى الجزيئات حتى تصبح غازًا. ونظرًا لوجود قوة جذب قوية بين جزيء الماء وجزيئات الماء المحيطة به، فإن هذا الجزيء يحتاج إلى مزيد من الطاقة للانتقال إلى الحالة الغازية. وهذه الطاقة اللازمة ترفع درجة غليان المادة. على النقيض من ذلك، عندما نغلي كبريتيد الهيدروجين، وهو جزيء لا يكون روابط هيدروجينية، فلا يوجد سوى تداخلات الثنائيات الأقطاب الأضعف التي يجب التغلب عليها. ومن ثم، فإنه يحتاج طاقة أقل للانتقال إلى الحالة الغازية. وتكون درجة غليانه أقل مقارنة بالمواد المماثلة التي تكون روابط هيدروجينية. بوجه عام، يمكننا ملاحظة أن وجود الروابط الهيدروجينية يرفع درجة غليان المادة.

عدد الروابط الهيدروجينية التي يكونها الجزيء يرفع أيضًا درجة الغليان. فيحتوي كل جزيء ماء على اثنين من الأزواج الحرة؛ على ذرة الأكسجين وذرتي الهيدروجين. لذا يمكن لكل جزيء تكوين أربعة روابط هيدروجينية إجمالًا. ويمكن لفلوريد الهيدروجين أيضًا تكوين روابط هيدروجينية. فمع وجود رابطة هيدروجينية واحدة في كل طرف، يكون كل جزيء رابطتين هيدروجينيتين. تتكون كل رابطة بين ذرة هيدروجين بأحد الجزيئات وزوج حر بجزيء آخر. على الرغم من وجود ثلاثة أزواج حرة إجمالًا على ذرة الفلور، فعدد ذرات الهيدروجين لا يكفي إلا لتكوين رابطة هيدروجينية مع زوج حر واحد لكل جزيء. لذا، فإن عدد الروابط الهيدروجينية يقتصر على رابطتين فقط لكل جزيء.

لكن كيف يؤثر عدد الروابط الهيدروجينية على درجة الغليان؟ يحتوي الماء على روابط هيدروجينية لكل جزيء أكثر من فلوريد الهيدروجين. وفي وجود تجاذب أقوى بين الجزيئات، يلزم المزيد من الطاقة كي تنتقل الجزيئات إلى الحالة الغازية. ومن ثم، تكون درجة الغليان أعلى. بالمقارنة، يحتوي فلوريد الهيدروجين على عدد أقل من الروابط الهيدروجينية لكل جزيء. إذن تلزم طاقة أقل لانتقال الجزيئات إلى الحالة الغازية. ومن ثم تكون درجة غليانه أقل من الماء، وإن تظل أعلى من درجة غليان الجزيئات المماثلة التي لا تتضمن أي روابط هيدروجينية.

يمكننا ملاحظة شدة تأثير الرابطة الهيدروجينية على درجة الغليان من خلال إلقاء نظرة على هذا الشكل الذي يوضح درجات غليان الهيدريدات المختلفة التي تتكون نتيجة اتحاد الهيدروجين مع عنصر آخر. كما هو موضح بمفتاح الرسم البياني، يمثل كل خط ملون إحدى مجموعات الجدول الدوري. على سبيل المثال، يمثل الخط الأخضر هيدريدات عناصر المجموعة 16. بالانتقال يمينًا في الرسم البياني، ننزل إلى أسفل المجموعة، من الأكسجين إلى الكبريت إلى السيلينيوم إلى التيلوريوم. إذا نظرنا إلى الدرجات الثانية والثالثة والرابعة على امتداد كل خط، نلاحظ أنه كلما زادت الكتلة الجزيئية للهيدريد، زادت درجة غليانه.

على سبيل المثال، إذا أخذنا كبريتيد الهيدروجين، ووضعنا بدلًا من الكبريت السيلينيوم أو التيلوريوم، وهما عنصران يقعان أسفل الكبريت بدورة أو دورتين في الجدول الدوري، فإن بنية الجزيء ستكون متشابهة للغاية. لكن الكتلة الجزيئية ستكون أعلى، وكذلك درجة الغليان. في حين أن الآليات الدقيقة لهذا التدرج خارج سياق هذا الفيديو، يمكننا القول باختصار إن المركب ذا الكتلة الجزيئية الأعلى يتضمن قوى تشتت لندن أشد بين جزيئاته. وقوى الجذب الأشد تعني درجة غليان أعلى. لكن إذا نظرنا إلى أقصى يسار الرسم البياني، يمكننا ملاحظة بعض درجات الغليان التي تنحرف بوضوح عن هذا النمط. من بين الهيدريدات الموجودة في هذا الرسم البياني، هذه الهيدريدات الثلاثة هي التي تكون روابط هيدروجينية.

كما ذكرنا سابقًا، فرق السالبية الكهربية في هذه الروابط الثلاثة كبير بقدر كاف للسماح بتكوين رابطة هيدروجينية بين الجزيئات. وعلى الرغم من أن هذه الجزيئات الثلاثة ذات كتلة جزيئية أقل من الهيدريدات الأخرى الموضحة في الرسم، فإن وجود روابط هيدروجينية يرفع درجة غليانها. وحقيقة أن ‪CH4‬‏ أو الميثان، الذي لا يكون روابط هيدروجينية، يتبع التدرج القائم على الكتلة، تدعم فكرة أن هذه القيم الثلاث المرتفعة بشكل غير طبيعي، التي تعلو الميثان في الرسم البياني، ترجع إلى وجود روابط هيدروجينية بين تلك الجزيئات. بالإضافة إلى ذلك، فإن الماء، الذي يكون أربع روابط هيدروجينية لكل جزيء، له درجة غليان أعلى من أي هيدريد على الرسم.

من ناحية أخرى، يحتوي كل من فلوريد الهيدروجين والأمونيا على رابطتين هيدروجينيتين لكل جزيء. ومع وجود عدد أقل من الروابط الهيدروجينية لكل جزيء، تكون قوة الجذب أضعف بين أي جزيئين. ومن ثم يكون للمركب درجة غليان أقل. بوجه عام، يمكننا أن نرى من الناحية الكمية في هذا الرسم البياني أن وجود الروابط الهيدروجينية، وكذلك عدد هذه الروابط لكل جزيء، يمكن أن يرفع درجة غليان المركب.

تؤدي الروابط الهيدروجينية أيضًا دورًا مهمًّا في علم الأحياء. لعلك على دراية بشكل اللولب المزدوج لشريط الحمض النووي ‪(DNA)‬‏. ما قد لا يكون واضحًا بناء على الشكل وحده هو أن بنية اللولب المزدوج للحمض النووي تربطها روابط هيدروجينية. كل درجة من السلم هي في الحقيقة قاعدتان منفصلتان ملتصقتان من الداخل ومرتبطتان من المنتصف برابطتين أو ثلاث روابط هيدروجينية. ويضمن عدد هذه الروابط الهيدروجينية ومحاذاتها أن يكون الأدينين مقابلًا دائمًا للثايمين، والسيتوزين مقابلًا دائمًا للجوانين، والعكس بالعكس. تختصر عادة هذه القواعد الأربع إلى الحروف الأولى من أسمائها باللغة الإنجليزية: ‪A‬‏ و‪C‬‏ و‪T‬‏ و‪G‬‏. والأوامر الموجودة في شفرتنا الوراثية مكتوبة بهذه الحروف الأربعة.

الروابط الهيدروجينية بين الجانبين المتقابلين للولب المزدوج متممة بعضها لبعض، ما يسمح بفصل الشريطين ونسخهما وإعادة ربطهما. ويحتوي الحمض النووي على أوامر للخلايا لصنع البروتينات عن طريق ترتيب الأحماض الأمينية في سلسلة. يمكن لهذه البروتينات أن تؤدي وظائف مختلفة داخل الخلية وحولها. ولكن وظيفة البروتين لا تعتمد فقط على ترتيب الأحماض الأمينية في السلسلة، وإنما أيضًا على كيفية التفاف هذه السلسلة وطيها حسب قوى الجذب والتنافر بين مناطق مختلفة منها. والالتفافات والصفائح التي تتكون في أي بروتين مطوي تعزى جزئيًّا إلى الروابط الهيدروجينية بين الأحماض الأمينية المختلفة على طول السلسلة. ودون روابط هيدروجينية، لن تتمكن البروتينات من تكوين شكلها الخاص لإتمام وظيفتها المحددة. فالرابطة الهيدروجينية لها أهمية بالغة للحياة على مستوى أصغر النطاقات.

لنراجع الآن النقاط الرئيسية الواردة في هذا الفيديو. الرابطة الهيدروجينية هي قوة جذب بين جزيئية شديدة. تتكون الرابطة الهيدروجينية بين ذرة عالية السالبية الكهربية في أحد الجزيئات وذرة هيدروجين ذات شحنة موجبة جزئية قوية في جزيء آخر. هذا يعني عادة أن الروابط الهيدروجينية تتكون في المركبات ذات الروابط ‪FH‬‏ أو ‪NH‬‏ أو ‪OH‬‏، وإن كانت هناك ترتيبات أخرى تتكون فيها الروابط الهيدروجينية أيضًا. المواد ذات الروابط الهيدروجينية لها درجات غليان أعلى من الجزيئات الأخرى المماثلة في الحجم. وأخيرًا، الروابط الهيدروجينية تلعب دورًا شديد الأهمية في بنية الحمض النووي والبروتينات.