فيديو الدرس: المذيبات القطبية وغير القطبية الكيمياء • الصف الأول الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف المذيبات القطبية وغير القطبية. وسنتناول كيف تؤثر القوى بين الجزيئية على الذوبانية، ونحدد معنى عبارة «المذيب يذيب شبيهه». قبل أن نتناول كيفية تفاعل المذيبات القطبية وغير القطبية، دعونا أولًا نراجع بعض المفاهيم الأساسية.

السالبية الكهربية هي ميل الذرة إلى جذب الإلكترونات المشتركة في رابطة ما. وبالنظر إلى الجدول الدوري، نجد أن السالبية الكهربية تزداد بوجه عام مع تحركنا إلى أعلى في أي مجموعة، ومن اليسار إلى اليمين في أي دورة. ومقياس باولنج للسالبية الكهربية، وهو مقياس عديم الوحدات يتراوح بين صفر وأربعة، يمنحنا وسيلة لقياس السالبية الكهربية للذرات كميًّا. الفلور هو الأعلى من حيث السالبية الكهربية بقيمة 3.98، في حين يكون لعناصر مثل البوتاسيوم قيم سالبية كهربية أقل بكثير. يمكن استخدام الفرق في قيم السالبية الكهربية للذرات المترابطة لتحديد ما إذا كانت الروابط لها خواص أيونية أم قطبية أم غير قطبية.

فعندما يكون فرق السالبية الكهربية بين ذرتين مترابطتين أقل من 0.4، تميل هذه الرابطة إلى أن تكون غير قطبية. وعندما يكون فرق السالبية الكهربية بين ذرتين مترابطتين أكبر من 1.8، تميل هذه الرابطة إلى أن تكون أيونية. وعندما يتراوح فرق السالبية الكهربية بين ذرتين مترابطتين بين 0.4 و1.8، تميل هذه الرابطة إلى أن تكون قطبية. في الرابطة الأيونية، يكون فرق السالبية الكهربية كبيرًا للغاية لدرجة أن الذرة ذات السالبية الكهربية الأعلى تصبح أيونًا سالب الشحنة، والذرة ذات السالبية الكهربية الأقل تصبح أيونًا موجب الشحنة. يعد كلوريد الصوديوم مثالًا لمركب يظهر ترابطًا أيونيًّا.

في الرابطة القطبية، تحدث مشاركة إلكترونات الرابطة بشكل غير متساو وتنجذب الإلكترونات نحو الذرة الأكثر سالبية كهربية. وينتج عن ذلك اكتساب الذرة الأكثر سالبية كهربية شحنة سالبة جزئية ممثلة بالرمز ‪𝛿−‬‏، في حين تكتسب الذرة الأقل سالبية كهربية شحنة موجبة جزئية ممثلة بالرمز ‪𝛿+‬‏. ويمكن أيضًا استخدام سهم ثنائي القطب لتمثيل الجانب السالب جزئيًّا والجانب الموجب جزئيًّا من الرابطة. يعد حمض الهيدروكلوريك مثالًا لمركب يتضمن رابطة قطبية.

في الرابطة غير القطبية، تحدث مشاركة الإلكترونات في الرابطة بالتساوي بين الذرتين. فلا تحمل أي ذرة من الذرتين شحنة موجبة جزئية أو شحنة سالبة جزئية. يحتوي جزيء الكلور على رابطة غير قطبية. عندما يحتوي الجزيء على ذرتين فقط، مثل الأمثلة الموضحة هنا، يكون من السهل نوعًا ما تحديد إذا كان هذا الجزيء يميل إلى أن يكون قطبيًّا أم غير قطبي، وذلك باستخدام الفروقات في السالبية الكهربية. لكن عندما يحتوي الجزيء على أكثر من ذرتين، يكون من الصعب تحديد ذلك.

الجزيء القطبي يحتوي على روابط قطبية، وله كثافة إلكترونية غير منتظمة. هذا يعني أن بعض المناطق في الجزيء يكون لها شحنة سالبة جزئية، بينما يكون لمناطق أخرى شحنة موجبة جزئية. تتضمن بعض الأمثلة على الجزيئات القطبية الماء والميثانال الذي يسمى عادة الفورمالدهيد. وقد تحتوي الجزيئات غير القطبية على روابط قطبية أو غير قطبية، لكن لا بد أن تكون لها كثافة إلكترونية منتظمة. بوجه عام، إذا كان الجزيء يتكون من نوع واحد من الذرات، أو يحتوي على ذرات الكربون والهيدروجين فقط، أو كانت الروابط القطبية موزعة بشكل متماثل، فيكون الجزيء غير قطبي.

والآن بعد أن صار بإمكاننا تمييز الجزيئات القطبية وغير القطبية، دعونا نتعرف على ذوبانية هذه المواد بعضها في بعض. الذوبانية هي ميل المادة إلى الذوبان في مذيب لتكوين محلول. لنفكر في وعاءين من الماء. في الوعاء الأول، سنضيف بعض الزيت النباتي. وفي الوعاء الثاني، سنضيف بعض كحول الأيزوبروبيل الذي يشتهر باسم الكحول المطهر. لا يختلط الماء والزيت لتكوين محلول. لذا يمكننا وصفهما بأنهما غير قابلين للامتزاج؛ أي لا يمكن خلطهما لتكوين محلول. أما الكحول المطهر والماء، فيختلطان لتكوين محلول. لذا يمكننا وصفهما بأنهما قابلان للامتزاج، أي يمكن خلطهما لتكوين محلول. لكن لماذا يظهر الزيت والكحول المطهر سلوكًا مختلفًا عند خلطهما بالماء؟

لفهم ما يحدث، علينا إلقاء نظرة سريعة على القوى بين الجزيئية. القوى بين الجزيئية هي قوى كهروستاتيكية توجد بين الجزيئات. وكما ذكرنا من قبل في هذا الفيديو، الجزيئات غير القطبية، مثل جزيء البروم، لا توجد بها مناطق ذات شحنات جزئية. رغم ذلك، فإن أي جزيئين غير قطبيين يظهران تجاذبًا كهروستاتيكيًّا ضعيفًا بعضهما نحو بعض. هذا التجاذب الكهروستاتيكي، الذي يسمى قوة التشتت، يرجع إلى الحركة العشوائية للإلكترونات في الجزيء، وسنتناوله بمزيد من التفصيل في فيديو آخر.

أما الجزيئات القطبية، فتحتوي على مناطق ذات شحنة موجبة جزئية وشحنة سالبة جزئية. عندما يقترب جزيئان قطبيان بعضهما من بعض، يكون هناك تجاذب كهروستاتيكي بين الشحنة الموجبة الجزئية لأحد الجزيئين والشحنة السالبة الجزئية للآخر. وتوجد أيضًا قوة بين جزيئية أقوى بين جزيئات قطبية معينة تحتوي على ذرة هيدروجين مرتبطة بذرة أكسجين أو نيتروجين أو فلور. وثمة فرق كبير جدًّا في السالبية الكهربية بين ذرة الهيدروجين وذرة الأكسجين أو النيتروجين أو الفلور. وينتج عن هذا الفرق الكبير في السالبية الكهربية وجود مناطق أكبر ذات شحنة سالبة جزئية وشحنة موجبة جزئية في الجزيء.

ذرة الهيدروجين في الجزيء الذي به منطقة كبيرة ذات شحنة موجبة جزئية تتعرض لتجاذب كهروستاتيكي قوي مع زوج الإلكترونات الحر لذرة الأكسجين أو النيتروجين أو الفلور في الجزيء الآخر. يسمى هذا التجاذب الكهروستاتيكي شديد القوة بالترابط الهيدروجيني، ويحدث بين مانح للرابطة الهيدروجينية، وهو جزيء يحتوي على ذرة هيدروجين مرتبطة بذرة أكسجين أو نيتروجين أو فلور، ومستقبل للرابطة الهيدروجينية، وهو جزيء يحتوي على ذرة أكسجين أو نيتروجين أو فلور بها زوج حر من الإلكترونات.

بعد أن فهمنا القوى بين الجزيئية، دعونا نعد إلى مثال خلط الزيت والكحول المطهر مع الماء. لقد عرفنا للتو أن جزيئات الماء قطبية وتكون روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء الأخرى. يتألف الزيت النباتي من مركبات ثلاثي الجليسريد. مركبات ثلاثي الجليسريد هي مركبات تحتوي على ثلاث مجموعات إستر ذات سلاسل هيدروكربونية كبيرة، وهي غير قطبية. هذا يعني أن مركبات ثلاثي الجليسريد تظهر قوى كهروستاتيكية ضعيفة بعضها تجاه بعض. ويظهر جزيء من ثلاثي الجليسريد وجزيء من الماء تجاذبات كهروستاتيكية بعضهما تجاه بعض. هذا التجاذب الكهروستاتيكي أقوى من التجاذب بين جزيئين من ثلاثي الجليسريد، لكنه أضعف من التجاذب بين جزيئين من الماء.

وبما أن جزيئات الماء تنجذب بقوة أكبر بعضها إلى بعض مقارنة بانجذابها إلى ثلاثي الجليسريد، فهاتان المادتان لا تختلطان. على غرار الماء، جزيئات كحول الأيزوبروبيل في الكحول المطهر قطبية ويمكنها تكوين روابط هيدروجينية مع جزيئات كحول أيزوبروبيل أخرى. ويمكن لجزيئات الماء وكحول الأيزوبروبيل تكوين روابط هيدروجينية فيما بينها أيضًا. وهذا التجاذب بين الجزيئي يشبه التجاذب الذي يحدث في كل مادة على حدة، ويختلط السائلان معًا.

بوجه عام، المواد المذابة والمذيبات التي تظهر قوى تجاذب بين جزيئية متشابهة وذات قوة متماثلة تميل إلى الذوبان بعضها في بعض. نعبر عن هذا التعميم عادة بعبارة «المذيب يذيب شبيهه»؛ ما يعني أن المواد المذابة غير القطبية تميل إلى الذوبان في المذيبات غير القطبية، والمواد المذابة القطبية تميل إلى الذوبان في المذيبات القطبية. تميل المواد المذابة الأيونية أيضًا إلى الذوبان في المذيبات القطبية. تحتوي أي عينة من كلوريد الصوديوم على كاتيونات صوديوم موجبة الشحنة وأنيونات كلوريد سالبة الشحنة منجذبة معًا كهروستاتيكيًّا. عند إضافة كلوريد الصوديوم إلى الماء، تتفاعل أنيونات الكلوريد سالبة الشحنة مع المناطق ذات الشحنة الموجبة الجزئية في جزيئات الماء. وتتفاعل كاتيونات الصوديوم موجبة الشحنة مع المناطق ذات الشحنة السالبة الجزئية في جزيئات الماء. وتتفكك الأيونات بعضها عن بعض وتصبح محاطة بجزيئات الماء؛ ومن ثم تكون محلولًا.

من المهم أن نلاحظ أنه ليس جميع المواد المذابة الأيونية تذوب في المذيبات القطبية. فالمواد المذابة الأيونية لا تميل إلى الذوبان في المذيبات القطبية إلا إذا تكونت تداخلات كهروستاتيكية جديدة أقوى. والآن بعد أن درسنا ذوبانية المواد في المذيبات القطبية وغير القطبية، دعونا نعد قائمة ببعض المذيبات الشائعة التي يمكننا الاختيار منها.

تتضمن بعض المذيبات غير القطبية الشائعة الهكسان والبنزين ورابع كلوريد الكربون. يمكن أيضًا تصنيف المذيبات القطبية إلى بروتونية أو لابروتونية. جزئيات المذيبات البروتونية تحتوي على ذرة هيدروجين مرتبطة إما بذرة أكسجين أو نيتروجين أو فلور، وتكون روابط هيدروجينية. يشير وصف «بروتوني» إلى أن هذه الجزيئات مانحة للبروتونات أو أيونات الهيدروجين. من أمثلة المذيبات البروتونية الماء، والإيثانول، وحمض الميثانويك الذي يعرف عادة بحمض الفورميك. أما وصف «لابروتوني»، فيعني أن الجزيئات ليست مانحة للبروتونات. والمذيبات اللابروتونية لا تحتوي على ذرة هيدروجين مرتبطة بذرة أكسجين أو نيتروجين أو فلور، ولا تكون روابط هيدروجينية مع جزيئات مذيبات لابروتونية أخرى، ولا تمنح بروتونات. من أمثلة المذيبات اللابروتونية ثنائي كلورو الميثان، والبروبانون الذي يسمى عادة الأسيتون، ورباعي الهيدروفيوران.

من المفيد عادة التفكير في المذيبات غير القطبية والقطبية بوصفها سلسلة متصلة. فبعض المذيبات يمكن اعتبارها قطبية للغاية أو غير قطبية للغاية، لكن معظم المذيبات تقع في مكان ما بين هذين النوعين. بل وبعض المركبات قد تظهر خواص قطبية وغير قطبية في آن واحد. لنتناول، على سبيل المثال، الإيثانول والبنتانول، وهما كحولان. على الرغم من أن هذين الجزيئين لهما بنية متشابهة، فالإيثانول قابل للامتزاج بالماء، بينما البنتانول ليس كذلك. ويمكننا ملاحظة أن كلا الجزيئين يحتوي على ذرة أكسجين مرتبطة بذرة هيدروجين، وهي مجموعة قطبية ويمكنها تكوين روابط هيدروجينية. نرى أيضًا أن كلا الجزيئين يحتوي على جزء هيدروكربوني غير قطبي. وبما أن البنتانول غير قابل للامتزاج بالماء، فالسلسلة الهيدروكربونية غير القطبية الكبيرة لا بد أن تؤثر على ذوبانيته أكثر من مجموعة الهيدروكسيل القطبية.

بوجه عام، نجد أنه في حالة الكحولات والأحماض الكربوكسيلية الصغيرة، يسهم الجزء القطبي من الجزيء بدرجة أكبر في الخواص الكلية للمذاب مقارنة بالجزء غير القطبي. ومن ثم، تميل هذه الجزيئات إلى الذوبان في الماء. لكن عندما يزداد طول سلسلة الكربون، يميل الجزيء إلى إظهار خواص غير قطبية بدرجة أكبر. ومن ثم، تميل الكحولات والأحماض الكربوكسيلية الكبيرة إلى أن تكون غير قابلة للامتزاج بالماء. والآن بعد أن تناولنا ذوبانية المواد في المذيبات القطبية وغير القطبية، دعونا نلق نظرة على سؤال.

أي العبارات الآتية تصف ذوبان البروم في الهكسان؟ (أ) ذوبان مادة غير قطبية في مذيب قطبي. (ب) ذوبان مادة قطبية في مذيب غير قطبي. (ج) ذوبان مادة قطبية في مذيب قطبي. (د) ذوبان مادة غير قطبية في مذيب غير قطبي.

أولًا، دعونا نعرف مصطلحي «قطبي» و«غير قطبي». للجزيء القطبي كثافة إلكترونية غير منتظمة. هذا يعني أن بعض أجزاء الجزيء يكون لها شحنة سالبة جزئية، وأجزاء أخرى لها شحنة موجبة جزئية. أما الجزيئات غير القطبية، فلها كثافة إلكترونية منتظمة. وهي الحالة التي تحدث فيها مشاركة للإلكترونات بالتساوي في جميع الروابط بالجزيء أو عندما تتوزع الروابط القطبية في الجزيء بشكل متماثل. البروم جزيء ثنائي الذرة يتألف من ذرتي بروم بينهما رابطة أحادية. وبما أن الذرتين من النوع نفسه، فلهما السالبية الكهربية نفسها. هذا يعني أن ذرتي البروم تتشاركان إلكترونات الرابطة بالتساوي فيما بينهما. ومن ثم، فإن جزيء البروم غير قطبي.

وبما أن البروم هو المادة المذابة، فيمكننا استبعاد الخيارين (ب) و(ج). الهكسان، وصيغته الكيميائية ‪C6H14‬‏، يحتوي على ذرات كربون وهيدروجين فقط. والسالبية الكهربية لذرة الكربون تساوي تقريبًا السالبية الكهربية لذرة الهيدروجين. ونظرًا لأن قيمتي السالبية الكهربية متشابهتان للغاية، يمكننا اعتبار الإلكترونات في الرابطة بين الهيدروجين والكربون متشاركة بالتساوي. وبما أن جزيء الهكسان يحتوي على روابط غير قطبية بين ذرات الكربون وبين ذرات الكربون والهيدروجين، فإن الهكسان غير قطبي. ولذا، فإن العبارة التي تصف ذوبان البروم في الهكسان هي الخيار (د) ذوبان مادة غير قطبية في مذيب غير قطبي.

والآن، دعونا نلخص هذا الفيديو في بعض النقاط الرئيسية. المذيبات غير القطبية لها كثافة إلكترونية منتظمة، على عكس المذيبات القطبية. تؤدي الكثافة الإلكترونية غير المنتظمة إلى وجود بعض المناطق في الجزيء ذات شحنة موجبة جزئية وأخرى ذات شحنة سالبة جزئية. يمكن استخدام عبارة «المذيب يذيب شبيهه» بوصفها تعميمًا لتحديد المواد المذابة التي تميل إلى الذوبان في مذيبات معينة. بوجه عام، تميل المواد المذابة القطبية إلى الذوبان في المذيبات القطبية، بينما تميل المواد المذابة غير القطبية إلى الذوبان في المذيبات غير القطبية.

المواد، وتحديدًا السوائل، التي تختلط لتكوين محلول تكون قابلة للامتزاج. أما المواد التي لا تختلط لتكوين محلول، فهي غير قابلة للامتزاج. يمكن تصنيف المذيبات إلى مذيبات غير قطبية، أو قطبية بروتونية، أو قطبية لابروتونية. المذيبات القطبية البروتونية يمكنها تكوين روابط هيدروجينية، بينما المذيبات القطبية اللابروتونية لا يمكنها ذلك. وهذا لأن المذيبات القطبية البروتونية بها ذرة هيدروجين مرتبطة بذرة أكسجين أو نيتروجين أو فلور.