قطبية الجزيء والشكل الفراغي
يستنتج الطالب أن قطبية الجزيء تعتمد على قطبية روابطه وشكله الفراغي معًا، ويميّز الجزيء القطبي من سلوكه في مجال كهربائي.
المحاكاة التفاعلية
محاكاة تفاعلية: قطبية الجزيئة — من PhET
لا تُحمَّل المحاكاة إلا بطلبك. اضغط لبدء التشغيل — قد تستغرق لحظات على الاتصال البطيء.
في كتابك
- نشاط (٧): قطبية الجزيء — الجزء الأول، ص ١٩
- نشاط (٨): التمييز بين الجزيئات القطبية وغير القطبية عمليًا — الجزء الأول، ص ٢٠
- نشاط تعزيزي: نشاط تعزيزي: قطبية الجزيئات الحقيقية بمحاكاة PhET (Molecule Polarity ← Real Molecules) — الجزء الأول، ص ٢٠
خطوات التجربة
افتح شاشة «Three Atoms» (ثلاث ذرات)، وفعّل «قطبية الروابط» و«جزيئة قطبية» (عزم الجزيء).
اجعل كهروسالبية A وC متساويتين وأعلى من B، ثم اسحب ذرة طرفية حتى يصير الجزيء خطيًا. سجّل: هل الروابط قطبية؟ هل يظهر سهم عزم الجزيء؟
اسحب ذرة طرفية لتثني الجزيء، ولاحظ ظهور سهم عزم الجزيء وتغيّر طوله كلما زاد الانحناء.
فعّل «مجال كهربائي» وجرّب الجزيء الخطي ثم المنحني. سجّل أيهما يدور ويصطف مع المجال.
افتح شاشة «Real Molecules» (جزيئات حقيقية)، واختر «ثنائي أوكسيد الكربون» ثم «أمونياك» من قائمة الجزيئات. حدد في كل منهما الذرة الأعلى كهروسالبية من «كهرسلبية الذرات»، وسجّل هل للجزيء عزم.
اختر «ماء» ثم «ميثان»، وفعّل «مجال كهربائي»، وسجّل في جدول: الجزيء، الشكل، قطبية الروابط، عزم الجزيء، سلوكه في المجال.
الفكرة العلمية
عزم الازدواج القطبي للجزيء هو المحصلة المتجهة لعزوم روابطه، لذا يحدده أمران: قطبية الروابط والشكل الفراغي. ففي CO2 الخطي رابطتان قطبيتان متساويتان باتجاهين متعاكسين، فتلغي إحداهما الأخرى وتكون المحصلة صفرًا، والجزيء غير قطبي. أما في NH3 ذي الشكل الهرمي فلا تتقابل العزوم، فتظهر محصلة ويكون الجزيء قطبيًا، وكذلك الماء المنحني. والجزيء القطبي في مجال كهربائي يدور فيتجه طرفه السالب نحو اللوح الموجب، أما غير القطبي فلا يتأثر اتجاهه. وهذا ما يفسّر نشاط الكتاب العملي: خيط الماء القطبي ينحرف نحو القضيب المدلوك، وخيط الهكسان غير القطبي لا ينحرف. والمحاكاة تعرض جزيئًا واحدًا بين لوحين مشحونين بدل السحاحة والقضيب المدلوك، وتسمي برمجيتها المجال «مجال كهربائي».
قوّم نفسك
جرّب المحاكاة أولًا ثم أجب. لا درجات ولا تسجيل — الإجابات لك وحدك، وتختفي بإغلاق الصفحة.
في الجزيء الخطي الذي طرفاه متماثلان، الروابط قطبية. ماذا تعرض المحاكاة لعزم الجزيء؟
- عزم كبير لأن الروابط قطبية
- عزم يتجه نحو الذرة المركزية
- لا عزم، لأن عزمي الرابطتين متساويان ومتعاكسان
- عزم يساوي مجموع العزمين
اعرض الإجابة
ج) لا عزم، لأن عزمي الرابطتين متساويان ومتعاكسان
عزم الجزيء محصلة متجهة لا مجموع عددي، والمتجهان المتساويان المتعاكسان محصلتهما صفر، كما في CO2. وأشيع خطأ هو الحكم بقطبية الجزيء من قطبية روابطه وحدها.
شغّلت «مجال كهربائي». أي الجزيئين يدور ويصطف مع المجال؟
- ثنائي أوكسيد الكربون لأن روابطه قطبية
- الماء لأن له عزم ازدواج قطبي محصّل
- الميثان لأنه يحوي أربع روابط
- كلاهما بالقدر نفسه
اعرض الإجابة
ب) الماء لأن له عزم ازدواج قطبي محصّل
يدور الجزيء في المجال إذا كان له عزم محصّل، والماء منحنٍ فلا تلغي عزوم روابطه بعضها. أما CO2 فخطي محصلته صفر، فلا يصطف رغم قطبية روابطه، وهذا يقابل عدم انحراف خيط الهكسان في النشاط.
ثنيت الجزيء الخطي تدريجيًا مع إبقاء الكهروسالبية كما هي. ماذا حدث؟
- ظهر عزم للجزيء وزاد كلما زاد الانحناء
- بقي العزم صفرًا لأن الروابط لم تتغير
- انعدمت قطبية الروابط
- انقلبت الشحنات الجزئية على الذرات
اعرض الإجابة
أ) ظهر عزم للجزيء وزاد كلما زاد الانحناء
الانحناء يجعل عزمي الرابطتين غير متقابلين فتظهر محصلة تكبر كلما ابتعدت الزاوية عن 180°. ومن يختار بقاء العزم صفرًا ينسى أن الشكل جزء من الحكم على قطبية الجزيء.
قارنت CO2 وNH3 في شاشة «Real Molecules». لماذا يكون أحدهما قطبيًا والآخر غير قطبي مع أن روابط كليهما قطبية؟
اعرض الإجابة
الأكسجين أعلى كهروسالبية من الكربون، والنيتروجين أعلى كهروسالبية من الهيدروجين، فروابط الجزيئين قطبية. لكن CO2 خطي فيلغي عزما رابطتيه أحدهما الآخر وتكون المحصلة صفرًا. أما NH3 فهرمي فلا تتقابل العزوم وتظهر محصلة، فيكون قطبيًا.
في النشاط العملي ينحرف خيط الماء نحو قضيب بلاستيكي مدلوك، ولا ينحرف خيط الهكسان. فسّر ذلك بما رأيته في المجال الكهربائي.
اعرض الإجابة
جزيئات الماء قطبية لها عزم محصّل، فتدور في المجال الكهربائي ويتجه طرفها المخالف نحو الشحنة فتنجذب، فينحرف الخيط. أما الهكسان فجزيئاته غير قطبية، فلا تصطف ولا تنجذب، كما لم يتأثر الجزيء غير القطبي في المحاكاة.