موسوعة الكيمياء : القطبية الكيميائية

القطبية الكيميائية

تشير القطبية الكيميائية عادةً إلى فصل الشحنات الكهربائية جزئيا في الجزيئ مؤدية إلى أكتسابه لعزم ثنائي القطب أو عزم متعدد القطبية. تترابط الجزئيئات القطبية من خلال قوى بين جزيئية قطبية والرابطة الهيدروجينية. تعتمد القطبية الجزيئة على اختلاف السالبية الكهربائية للذرات المختلفة المكونة للجزيئ. فعلى سبيل المثال يعتبر الماء مركب قطبي بسبب عدم التوازن في التوزيع الإلكتروني في ترابط الهيدروجين مع الأكسجين ، بينما يعتبر الميثان مركب غير قطبي بسبب التوازن في التقاسم الإلكتروني بين الكربون والهيدروجين. تؤثر القطبية الكهربائية على العديد من الخصائص مثل التوتر السطحي والانحلالية إضافة إلى نقطتي الغليان والانصهار.

النظرية

عندما تترابط ذرتين فقد ينجم هذا الترابط عن رابطة لا يكون تقاسم الإلكترونات بشكل متوازن بين الذرتين. حيث تجذب إحدى الذريتن السحابة الإلكترونية باتجاها أكثر من الأخرى ويطلق ذلك اسم الكهرسلبية. وبالتالي عدم توازن توزع الإلكترونات ضمن الروابط يؤدي إلى كهربائية قطبية وبالتالي يمكن يمكن أن ينقسم إلى شوارد موجبة أو سالبة وترمز الشوارد الموجبة بـ δ+ في حين السالبة δ− وكان أول من أدخل هذا الترميز كريستوفر إينغولد وزوجته في سنة 1962.

تسحب الذرات ذات الكهرسلبية عالية مثل الأوكسجين والفلور والنتروجين الإلكترونات إليها من الذرات ذات الكهرسلبية الأقل. وفي حال الترابط بين هذه الذرات فإن الإلكترونات ستقترب من الذرات ذات الكهرسلبية العالية.

وبالتالي يمكن أن تكون الروابط إما روابط بقطبية عالية أو روابط بدون قطبية. وتنتج الروابط بدون القطبية عندما يكون فرق الكهرسلبية بين الذرتين صفر. في حين الروابط القطبية تحدث عندما يكون فرق الكهرسلبية كبير بحيث تأخذ الذرة ذات الكهرسلبية العالية الإلكترون . لتحديد القطبية رياضياً يتم حساب فرق الكهرسلبية بين الذرتين فإذا كان هذا الفرق بين 0.4 و 1.7 فإن الرابطة تعتبر قطبية.

القطبية في الجزيئات

يمكن وصف جزيئات بأنها ذات "روابط قطبية" أو "روابط لاقطبية" .إلا أن هذا التعتيم هو أمر نسبي في كثير من الأحيان، فيمكن لجزيء واحد أن يكون ببساطة أكثر قطبية من جزيء آخر. ومع ذلك ، فإن الخصائص التالية هي نموذجية لمثل هذه الجزيئات.

الجزيئات القطبية

من الأمثلة الشائعة على الجزيئات القطبية المنزلية مركب السكر ، يتنوع سكروز السكر. ويحوي السكروز على العديد من الروابط القطبية بين الاوكسجين والهيدروجين (- OH) .

ونظرا لطبيعة القطبية للجزيء الماء (H2O) نفسه، فالجزيئات القطبية عادة تستطيع الذوبان في الماء.

• 
  يملك السكروز العديد من قطبيات -OH
• 
  الماء محل قطبي

• مثال 2 مركب فلوريد الهيدروجين HF هو جزيء قطبي حيث إلكترونات الرابط نميل باتجاه ذرة الفلور
• مثال 3 مركب الأمونيا يملك ثلاث روابط بين ثلاث ذرات هيدروجين وذرة نتروجين ويعتبر قليل القطبية حيث تتجه الإلكترونات قليلاً باتجاه النتروجين، لكن يحوي هذا الجزيء على إلكترونيين وحيدين يدوران في مدار وتقع هذه النقطة في قمة رباعي الوجوه، وهذه السحابة الإلكترونية لا تشارك في رابطة المركب مما ينتج عنه قطبية قوية لمركب الأمونيا.
• مثال 4 مركب الأوزون يتركب من رابطتين أكسجينتين O-O لاقطبيتين لكن عند إضافة ذرة ثالثة إلى المركب لتشكيل الأوزون نحصل على لا تجانس في الإلكترونات حيث تشارك الذرة المركزية إلكتروناتها مع ذرتين أخرتين، في حين أن كل من الذرتين الطرفيتين تشارك إلكتروناتها مع ذرة واحدة مما يؤدي إلى أن الذرة المركزية تكون شحنتها +1 في حين كل من الطرفيتين -1/2

• 
  يظهر في الشكل ذرة الفلوريد ذات الكهرسلبية الأعلى باللون الأصفر في مركب فلوريد الهيدروجين
• 
  تبين المنطقة الحمراء في مركب الفوريد الهيدروجين المنطقة المشحونة بشحنة سالبة
• 
  الإلكترونين الوحيدين يظهران باللون الأصفر في قمة تركيب رباعي الوجوه في الأمونيا
• 
  يبين اللون الأحمر الشحنة السالبة في الأمونيا
• 
  الأوزون

الجزيئات الغير قطبية

يبين المخطط التأثير الشبكي للتوزيع المتناظر للروابط القطبية ويبين السهم الأصفر اتجاه تحرك الإلكترونات وهذا الترتيب الشكبي يؤدي إلى زيادة الشحنة السالبة مع زيادة الشحنة الموجبة.

قد يكون جزيء ما غير قطبي لوجود راوبط لا قطبية (عندما يكون هناك تقاسم متساو للإلكترونات بين الذرات أو بسبب الترتيب المتناظر للروابط القطبية(كل رابطتيين تفنيان بعضهما البعض)

من الأمثلة على المركبات الغير قطبية المنزلية الدهون والزيوت والبنزين. ولذلك معطم الجزيئات الغير قطبية هي مركبات غير قابلة للذوبان في الماء عند درجة حرارة الغرفة. لكن العديد من المذيبات العضوية غير القطبية، مثل التربنتين، قادرين على حل المواد القطبية. عند المقارنة بين جزيء قطبي وغير قطبي لهما نفس الكتلة المولية، يكون للجزيء القطبي عموما نقطة الغليان أعلى ، بسبب التفاعل بين ثنائي القطب،. الشكل الأكثر شيوعا من هذا النوع من التفاعل هو الرابطة الهيدروجينية .

• مثال 4 في مركب الميثان تتوزع الروابط الهيدروجينية لأربع ذرات هيدروجين حول ذرة الكربون على شكل رباعي وجوه، وبما أن كل رابطة تملك قطبية قليلة والتوزيع متناظر فإن مجمل روابط المركب يشكل لاقطبية
• مثال 5 في مركب ثلاثي فلوريد البورون توجد ثلاث روابط قطبية موزعة هذه الروابط على 120 درجة وبالتالي مجمل هذه الروابط لا يشكل ثنائية قطبية.
• مثال 6 مركب جزيء الأكسجين لا يحوي قطبية بسبب تجانس التوزيع الإلكتروني بين الذرتين

• 
  تتوزع الروابط القطبية في الميثان بشكل متناظر لذلك فإن المحصلة ستكون صفر
• 
  التوزيع الهرمي لذرات مركب ثلاثي فلوريد البورون ستكون محصلته لا قطبية ثنائية

الجزيئات الهجينة

هي عبارة عن جزيئات كبيرة لها نهاية واحدة برابطة قطبية ترتبط مع مجموعة أخرى لها نهاية أخرى غير قطبية وهي مؤثر سطحي جيد. يمكن أن تساعد هذه المركبات في تشكيل المستحلبات المستقرة ، أو مزيج من الماء والدهون. كما تؤدي إلى خفض التوتر السطحي بين الزيت والماء بواسطة الامتزاز في السطح التماسي للسائل-سائل.

• 
  يوجد لهذا المركب المعقد العديد من الروابط القطبية في الجهة اليمنى وروابط غير قطبية في الجهة اليسرى مما يعطي خصائص المؤثر السطحي
• 
  نهايات إيون غروي-محب للدهن تحل في الزيت بينما النهايات المحبة للماء تبقى
• 
  الدهون الفوسفوليدية الطبيعية الفعالة التي لها وظائف بيولوجية مهمة
• 
  مقطع عرضي التي يمكن أن يشكلها الفوسفوليد والتي يمكن أن تشكل إيونات غروية وهي هامة في تشكيل أغشية الخلايا