خصائص الجزيئات

تعتمد الخواص الفيزيائية للجزيئات على قوى الجذب بين الجزيئات. هذه هي الخصائص التالية:

1. درجات الانصهار والغليان

المركبات الجزيئية مثل السوائل والغازات لها نقطة انصهار وغليان منخفضة لأن ذراتها مرتبطة برابطة تساهمية يمكن أن تنفصل عن بعضها البعض عند تطبيق كمية صغيرة من الطاقة عليها. تعتمد نقطة الانصهار والغليان على قوة القوى بين الجزيئات. تتمتع الجزيئات الكبيرة بقدر أكبر من قوة جذب فان دير فال، لذا فهي تتطلب المزيد من الطاقة لتكسيرها.

2. الذوبان

المركبات الجزيئية غير قابلة للذوبان أو قابلة للذوبان في الماء في بعض الأحيان، وعادة ما تتفاعل وتشكل روابط هيدروجينية معها.

الميثان قابل للذوبان في الماء لأنه غاز وقوى فان دير فال الأضعف، لذلك تنشأ كمية صغيرة من الطاقة نتيجة لذلك. الأمونيا لديها أيضًا القدرة على تكوين روابط هيدروجينية. عندما تتفاعل الأمونيا مع الماء تتشكل أيونات الأمونيوم وأيونات الهيدروكسيد.

المواد التي تذوب بسهولة في الماء هي الإيثانول والسكروز. بعض المركبات الجزيئية قابلة للذوبان في المذيبات العضوية. ينجذب كل من المذاب والمذيب لبعضهما البعض بواسطة قوى فان دير فالس.

3. التوصيل الكهربائي

لا تنفصل المركبات الجزيئية إلى أيونات ولكنها تذوب في جزيئات بحيث لا توصل الكهرباء . يتم تغيير موضع الإلكترونات داخل الجزيء، ولا يوجد اتصال كافٍ بين جزيئات الإلكترون مما يسمح لها بالتحرك بحرية في كامل المادة الصلبة أو السائلة.

هيكل الجزيئات

ترتبط الكيمياء الهيكلية للجزيئات بغلاف التكافؤ للإلكترونات، فهي تحدد كيفية اندماج الذرات معًا بنسب مناسبة. ويرتبط أيضًا بنوع الرابطة واتجاهها وطولها.

ترتبط الخصائص بالبنية مثل أن الماء له رابطة هيدروجينية وله بنية منحنية، لكن ثاني أكسيد الكربون ليس له عزم ثنائي القطب ولهذا السبب له بنية خطية.

لكن بعض الجزيئات مثل الإيثان (H ₃ CCH ₃ ) لها دوران حر حول رابطة الكربون الأحادية، وقد لا تكون صلبة في البنية .

في الجزيء، يتم تحديد موضع النواة من خلال أطياف دوران اهتزاز الموجات الدقيقة أو عن طريق حيود النيوترونات. يتم العثور على البنية الجزيئية نظريا من خلال حل معادلة ميكانيكا الكم لحركة الإلكترونات.

يمكن معرفة ذلك عددياً من خلال معادلة شرودنجر، وهي عملية متطورة للغاية تستخدم فيها أجهزة الكمبيوتر والحواسيب العملاقة.

تحدد نظرية VSPER (تنافر زوج الإلكترون في غلاف فالنسيا) هندسة الجزيئات وأيضًا هندسة مجموعة الإلكترون. تحدد هذه النظرية أن أزواج الإلكترونات تتنافر إما أن تكون في زوج رابط أو زوج وحيد، ولهذا السبب تنتشر أزواج الإلكترونات إلى حالة التنافر.

كما أنها تركز على مجموعة الإلكترونات التي يمكن أن تكون رابطة مزدوجة أو رابطة ثلاثية على الذرة المركزية، زوج إلكترون، زوج واحد. من خلال نظرية زوج الروابط VSPER تتنبأ بشكل الجزيء.

يتم التنبؤ بشكل الجزيء من خلال موقع النواة والإلكترون الخاص بها. إنها تقلل من التنافر وتزيد من الجاذبية. لذا فإن شكل الجزيءيظهر حالة توازنه. كما يتنبأ بتوزيع الإلكترون.

ويعتمد أيضًا على التوجه المكاني للروابط التساهمية للذرات ووجود شريكين أو أكثر في الترابط. تكوين الجزيء ثلاثي الأبعاد. من السهل جدًا تذكر رابطة الكربون O=C=O.

جزيء يحتوي على رابطة تساهمية واحدة أو أكثر تكون قطبية بحيث يكون لها عزم ثنائي القطب بسبب تراكم ثنائيات أقطاب الرابطة. في OH تكون الرابطة التساهمية قطبية بسبب اختلاف السالبية الكهربية للأكسجين والهيدروجين.

أنواع الجزيئات

من الناحية الهيكلية، يتكون الجزيء من ذرات متماسكة معًا من خلال قوة التكافؤ. هناك أنواع مختلفة من الجزيئات:

1-جزيء ثنائي الذرة: هي الجزيئات التي تحتوي على ذرتين ومترابطة كيميائيا مع بعضها البعض. إذا كانت الذرتان متماثلتين أو متطابقتين مثل الأكسجين O ₂ فإنهما يعرفان بجزيء ثنائي الذرة متجانس النواة،

أما إذا كانت الذرات غير متطابقة مثل أول أكسيد الكربون CO فيطلق عليهما اسم جزيء ثنائي الذرة غير متجانس النواة.

2-جزيء متعدد الذرات تسمى الجزيئات التي تحتوي على أكثر من ذرتين بالجزيئات متعددة الذرات. على سبيل المثال ثاني أكسيد الكربون CO ₂ .

3-جزيء كبير وهو جزيء كبير مثل البروتين، يتم تصنيعه عن طريق بلمرة وحدات فرعية أصغر. وهي تتكون من آلاف الذرات أو أكثر.

أمثلة لجزيئات مختلفة وفريدةفي هيكلها :

1-اليود 

وهو عبارة عن مادة صلبة بلورية ذات لون رمادي غامق. درجة انصهاره هي 114 درجة مئوية ونقطة الغليان هي 184 درجة مئوية. اليود قابل للذوبان بشكل طفيف في الماء ولكن يذوب بسهولة في المذيبات العضوية.

يتم تعريف هيكلها على أنها مكعبة متمركزة الوجه، وفي وسط كل وجه يتم ربط جزيء يود آخر. من الصعب جدًا رسم الاتجاه مع الهيكل. تظهر المسافة بين مراكز الذرة في البلورة قيمتين مختلفتين، الذرات الموجودة على مسافة أقصر لها رابطة تساهمية وتلك الموجودة على مسافة أكبر لها قوة جذب فان دير فال، وهي أضعف بكثير مقارنة بقوى الجذب الأخرى.

2-الثلج

يمكن ترتيب جزيئات الثلج بطرق مختلفة، وهو مثال جيد على المادة الصلبة المرتبطة بالهيدروجين. يتم ترتيب عدد كبير من الجزيئات في ثلاثة أبعاد. في الرسم البياني، يتم تمثيل الروابط الهيدروجينية بخطوط مستقيمة ويتم ربط أزواج وحيدة على الجانب الأيسر.

الثلج المكعب ثابت عند درجة حرارة أقل من -80 درجة مئوية. الثلج ذو بنية سداسية يسمى ““ice lh”.

توجد كمية كبيرة من المساحة الفارغة بين الجزيئات في البنية، لذلك عندما يذوب الجليد، تتناسب الجزيئات مع المساحات الفارغة.

سيزداد حجم معظم المواد الصلبة عند الذوبان، لكن الجليد له سلوك غير عادي للغاية في هذا الصدد. حدث الوضع المعاكس عندما يتجمد الماء ويتمدد الهيكل المرتبط بالهيدروجين ولكن السائل ينكمش عند التجمد.

تزداد كثافة الماء من 0 درجة مئوية إلى 4 درجات مئوية، وتتحرر الجزيئات من البنية المفتوحة وتشغل مساحة أقل. ولكن بعد 4 درجات مئوية تنخفض الكثافة بسبب حركة الجزيئات.

من خلال دراسة خصائص الجزيئات، يمكن للعلماء والباحثين تصميم مواد جديدة بخصائص محددة، تطوير أدوية لعلاج الأمراض المعقدة، وابتكار حلول مستدامة للتحديات البيئية.

الكيمياء، كعلم دراسة الجزيئات وتفاعلاتها، تعتبر بوابة لفهم العالم الذي نعيش فيه وتشكيل مستقبلنا بطرق تخدم البشرية والكوكب على حد سواء.