جزيء

تتضمن هذه المقالة قائمة بالمراجع العامة ، لكنها تفتقر إلى الاستشهادات المضمنة الكافية . يُرجى المساعدة في تحسين هذه المقالة من خلال تقديم استشهادات أكثر دقة. ( مارس 2023 ) ( تعرف على كيفية ومتى يمكنك إزالة هذه الرسالة )

الجزيء هو مجموعة من ذرتين أو أكثر مرتبطة ببعضها البعض بواسطة قوى جذب تُعرف باسم الروابط الكيميائية ؛ اعتمادًا على السياق ، قد يشمل المصطلح أو لا يشمل الأيونات التي تلبي هذا المعيار. ^{[4] [5] [6] [7] [8]} في الفيزياء الكمومية والكيمياء العضوية والكيمياء الحيوية ، يتم إسقاط التمييز بين الأيونات وغالبًا ما يتم استخدام الجزيء عند الإشارة إلى الأيونات متعددة الذرات .

قد يكون الجزيء متجانسًا ، أي أنه يتكون من ذرات عنصر كيميائي واحد ، مثل ذرتين في جزيء الأكسجين (O2 ₎ ؛ أو قد يكون غير متجانس ، وهو مركب كيميائي يتكون من أكثر من عنصر، مثل الماء (ذرتان من الهيدروجين وذرة أكسجين واحدة؛ H2O ₎ . في النظرية الحركية للغازات ، غالبًا ما يستخدم مصطلح الجزيء لأي جسيم غازي بغض النظر عن تركيبه. وهذا يخفف من شرط احتواء الجزيء على ذرتين أو أكثر، لأن الغازات النبيلة هي ذرات فردية. ^[9] الذرات والمجمعات المرتبطة بتفاعلات غير تساهمية ، مثل الروابط الهيدروجينية أو الروابط الأيونية ، لا تعتبر عادةً جزيئات مفردة. ^[10]

لقد تمت مناقشة مفاهيم مشابهة للجزيئات منذ العصور القديمة، ولكن البحث الحديث في طبيعة الجزيئات وروابطها بدأ في القرن السابع عشر. بعد أن تم تحسينها بمرور الوقت من قبل علماء مثل روبرت بويل ، وأميديو أفوجادرو ، وجان بيرين ، ولينوس بولينج ، تُعرف دراسة الجزيئات اليوم بالفيزياء الجزيئية أو الكيمياء الجزيئية.

وفقًا لقاموس ميريام وبستر وقاموس علم أصول الكلمات على الإنترنت ، فإن كلمة "جزيء" مشتقة من الكلمة اللاتينية " moles " أو وحدة صغيرة للكتلة. اشتُقت الكلمة من الكلمة الفرنسية molécule (1678)، من الكلمة اللاتينية الجديدة molecula ، وهي تصغير للكلمة اللاتينية moles وتعني كتلة أو حاجز. أصبحت الكلمة، التي كانت تُستخدم حتى أواخر القرن الثامن عشر فقط في الشكل اللاتيني، شائعة بعد استخدامها في أعمال الفلسفة من قبل ديكارت . ^{[11] [12]}

لقد تطور تعريف الجزيء مع زيادة المعرفة ببنية الجزيئات. كانت التعريفات السابقة أقل دقة، حيث عرفت الجزيئات بأنها أصغر جزيئات المواد الكيميائية النقية التي لا تزال تحتفظ بتركيبها وخصائصها الكيميائية. [ ^13] غالبًا ما ينهار هذا التعريف لأن العديد من المواد في التجربة العادية، مثل الصخور والأملاح والمعادن ، تتكون من شبكات بلورية كبيرة من الذرات أو الأيونات المرتبطة كيميائيًا ، ولكنها ليست مصنوعة من جزيئات منفصلة.

يمكن إرجاع المفهوم الحديث للجزيئات إلى الفلاسفة اليونانيين ما قبل العلميين مثل ليوكيبوس وديمقريطس الذين زعموا أن الكون كله يتكون من ذرات وفراغات . حوالي عام 450 قبل الميلاد، تخيل إمبيدوكليس العناصر الأساسية ( النار ()، أرض ()، هواء ()، والماء ()) و"قوى" الجذب والتنافر التي تسمح للعناصر بالتفاعل.

كان العنصر الخامس، وهو الجوهر غير القابل للفساد الأثير ، يعتبر اللبنة الأساسية للأجرام السماوية. وقد قبل أرسطو وجهة نظر ليوكيبوس وإمبيدوكليس، إلى جانب الأثير، وانتقلت إلى أوروبا في العصور الوسطى وعصر النهضة.

ولكن بطريقة أكثر تحديدًا، يعود مفهوم التجمعات أو وحدات الذرات المرتبطة، أي "الجزيئات"، إلى فرضية روبرت بويل عام 1661، في أطروحته الشهيرة "الكيميائي المتشكك" ، والتي مفادها أن المادة تتكون من مجموعات من الجسيمات وأن التغير الكيميائي ينتج عن إعادة ترتيب المجموعات. وزعم بويل أن العناصر الأساسية للمادة تتكون من أنواع وأحجام مختلفة من الجسيمات، تسمى "الجسيمات"، والتي كانت قادرة على ترتيب نفسها في مجموعات. وفي عام 1789، نشر ويليام هيجينز آراء حول ما أسماه مجموعات من الجسيمات "النهائية"، والتي أنبأت بمفهوم روابط التكافؤ . على سبيل المثال، وفقًا لهيجينز، إذا كانت القوة بين الجسيم النهائي للأكسجين والجسيم النهائي للنيتروجين 6، فإن قوة القوة ستقسم وفقًا لذلك، وعلى نحو مماثل بالنسبة للمجموعات الأخرى من الجسيمات النهائية.

ابتكر أميديو أفوجادرو كلمة "جزيء". ^[14] وفي ورقته البحثية التي كتبها عام 1811 بعنوان "مقال عن تحديد الكتل النسبية للجزيئات الأولية للأجسام"، ذكر بشكل أساسي، وفقًا لكتاب بارتينجتون " تاريخ موجز للكيمياء" ، أن: ^[15]

إن أصغر جسيمات الغازات ليست بالضرورة ذرات بسيطة، بل تتكون من عدد معين من هذه الذرات متحدة بالجاذبية لتكوين جزيء واحد .

وبالتوافق مع هذه المفاهيم، قدم الكيميائي الفرنسي مارك أنطوان أوغست جودين في عام 1833 شرحًا واضحًا لفرضية أفوجادرو، ^[16] فيما يتعلق بالأوزان الذرية، من خلال الاستفادة من "مخططات الحجم"، والتي تُظهر بوضوح كل من الهندسة الجزيئية شبه الصحيحة، مثل جزيء الماء الخطي، والصيغ الجزيئية الصحيحة، مثل H ₂ O:

في عام 1917، كان مهندس كيميائي أمريكي غير معروف يدعى لينوس بولينج يتعلم طريقة دالتون للترابط الخطافي والعين ، والتي كانت الوصف السائد للروابط بين الذرات في ذلك الوقت. ومع ذلك، لم يكن بولينج راضيًا عن هذه الطريقة وتطلع إلى مجال الفيزياء الكمومية الناشئ حديثًا بحثًا عن طريقة جديدة. في عام 1926، حصل الفيزيائي الفرنسي جان بيران على جائزة نوبل في الفيزياء لإثباته بشكل قاطع وجود الجزيئات. لقد فعل ذلك من خلال حساب ثابت أفوجادرو باستخدام ثلاث طرق مختلفة، تتضمن جميعها أنظمة الطور السائل. أولاً، استخدم مستحلب غامبوج يشبه الصابون، وثانيًا من خلال إجراء عمل تجريبي على الحركة البراونية ، وثالثًا من خلال تأكيد نظرية أينشتاين لدوران الجسيمات في الطور السائل. ^[17]

في عام 1927، طبق الفيزيائيان فريتز لندن وفالتر هايتلر ميكانيكا الكم الجديدة للتعامل مع قوى الجذب والتنافر غير الديناميكية القابلة للتشبع، أي قوى التبادل، لجزيء الهيدروجين. كان علاجهم لرابطة التكافؤ لهذه المشكلة، في ورقتهم المشتركة، ^[18] علامة فارقة في أنها وضعت الكيمياء تحت ميكانيكا الكم. كان عملهم مؤثرًا على بولينج، الذي حصل للتو على الدكتوراه وزار هايتلر ولندن في زيورخ في زمالة جوجنهايم .

لاحقًا، في عام 1931، بناءً على عمل هايتلر ولندن وعلى النظريات الموجودة في مقال لويس الشهير، نشر بولينج مقالته الرائدة "طبيعة الرابطة الكيميائية" ^[19] حيث استخدم ميكانيكا الكم لحساب خصائص وبنية الجزيئات، مثل الزوايا بين الروابط والدوران حول الروابط. بناءً على هذه المفاهيم، طور بولينج نظرية التهجين لتفسير الروابط في جزيئات مثل CH ₄ ، حيث تتداخل أربعة مدارات مهجنة sp³ مع مدار 1s للهيدروجين ، مما ينتج عنه أربع روابط سيجما (σ) . الروابط الأربعة لها نفس الطول والقوة، مما ينتج عنه بنية جزيئية كما هو موضح أدناه:

يُطلق على علم الجزيئات اسم الكيمياء الجزيئية أو الفيزياء الجزيئية ، وذلك اعتمادًا على ما إذا كان التركيز على الكيمياء أو الفيزياء. تتعامل الكيمياء الجزيئية مع القوانين التي تحكم التفاعل بين الجزيئات التي تؤدي إلى تكوين وكسر الروابط الكيميائية، بينما تتعامل الفيزياء الجزيئية مع القوانين التي تحكم بنيتها وخصائصها. ومع ذلك، في الممارسة العملية، هذا التمييز غامض. في العلوم الجزيئية، يتكون الجزيء من نظام مستقر ( حالة مرتبطة ) يتكون من ذرتين أو أكثر. قد يكون من المفيد أحيانًا التفكير في الأيونات متعددة الذرات على أنها جزيئات مشحونة كهربائيًا. يُستخدم مصطلح الجزيء غير المستقر للأنواع شديدة التفاعل ، أي التجمعات قصيرة العمر ( الرنينات ) للإلكترونات والنوى ، مثل الجذور الحرة ، والأيونات الجزيئية ، وجزيئات ريدبرج ، وحالات الانتقال ، ومجمعات فان دير فالس ، أو أنظمة الذرات المتصادمة كما في تكاثف بوز-أينشتاين .

لا يستشهد هذا القسم بأي مصادر . يُرجى المساعدة في تحسين هذا القسم من خلال إضافة الاستشهادات إلى مصادر موثوقة . قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها . ( أغسطس 2022 ) ( تعرف على كيفية ومتى يمكنك إزالة هذه الرسالة )

الجزيئات كمكونات للمادة شائعة. وهي تشكل أيضًا معظم المحيطات والغلاف الجوي. معظم المواد العضوية عبارة عن جزيئات. مواد الحياة عبارة عن جزيئات، مثل البروتينات والأحماض الأمينية التي تتكون منها والأحماض النووية (DNA وRNA) والسكريات والكربوهيدرات والدهون والفيتامينات. المعادن المغذية هي مركبات أيونية بشكل عام، وبالتالي فهي ليست جزيئات، مثل كبريتات الحديد.

ومع ذلك، فإن غالبية المواد الصلبة المألوفة على الأرض تتكون جزئيًا أو كليًا من بلورات أو مركبات أيونية، والتي لا تتكون من جزيئات. وتشمل هذه جميع المعادن التي تتكون منها مادة الأرض، والرمل والطين والحصى والصخور والصخور الكبيرة والصخور الأساسية والجزء الداخلي المنصهر ونواة الأرض . تحتوي كل هذه على العديد من الروابط الكيميائية، ولكنها ليست مكونة من جزيئات يمكن التعرف عليها.

لا يمكن تعريف جزيء نموذجي للأملاح ولا للبلورات التساهمية ، على الرغم من أنها غالبًا ما تتكون من خلايا وحدة متكررة تمتد إما في مستوى ، مثل الجرافين ؛ أو ثلاثية الأبعاد مثل الماس والكوارتز وكلوريد الصوديوم . ينطبق موضوع البنية الخلوية الوحدوية المتكررة أيضًا على معظم المعادن التي تكون عبارة عن أطوار مكثفة ذات رابطة معدنية . وبالتالي فإن المعادن الصلبة لا تتكون من جزيئات. في الزجاج ، وهي مواد صلبة موجودة في حالة زجاجية غير منظمة، يتم ربط الذرات معًا بواسطة روابط كيميائية دون وجود أي جزيء يمكن تعريفه، ولا أي من انتظام البنية الخلوية الوحدوية المتكررة التي تميز الأملاح والبلورات التساهمية والمعادن.

ترتبط الجزيئات عمومًا ببعضها البعض عن طريق الرابطة التساهمية . توجد العديد من العناصر غير المعدنية فقط كجزيئات في البيئة إما في مركبات أو كجزيئات متجانسة النواة، وليس كذرات حرة: على سبيل المثال، الهيدروجين.

في حين يقول بعض الناس أن البلورة المعدنية يمكن اعتبارها جزيئًا عملاقًا واحدًا مترابطًا بواسطة رابطة معدنية ، ^[20] يشير آخرون إلى أن المعادن تتصرف بشكل مختلف تمامًا عن الجزيئات. ^[21]

الرابطة التساهمية هي رابطة كيميائية تتضمن مشاركة أزواج الإلكترونات بين الذرات. تسمى أزواج الإلكترونات هذه بالأزواج المشتركة أو أزواج الرابطة ، ويسمى التوازن المستقر للقوى الجاذبة والطاردة بين الذرات، عندما تتشارك الإلكترونات، بالرابطة التساهمية . ^[22]

الرابطة الأيونية هي نوع من الروابط الكيميائية التي تنطوي على الجذب الكهروستاتيكي بين الأيونات المشحونة بشكل معاكس، وهي التفاعل الأساسي الذي يحدث في المركبات الأيونية . الأيونات هي ذرات فقدت إلكترونًا واحدًا أو أكثر (تسمى كاتيونات ) وذرات اكتسبت إلكترونًا واحدًا أو أكثر (تسمى أنيونات ). ^[23] يُطلق على نقل الإلكترونات هذا اسم التكافؤ الكهربائي على عكس التكافؤ . في أبسط الحالات، يكون الكاتيون ذرة معدنية والأنيون ذرة لا معدنية ، ولكن يمكن أن تكون هذه الأيونات ذات طبيعة أكثر تعقيدًا، مثل الأيونات الجزيئية مثل NH ₄ ⁺ أو SO ₄ ²⁻ . في درجات الحرارة والضغوط العادية، تخلق الرابطة الأيونية في الغالب مواد صلبة (أو أحيانًا سوائل) بدون جزيئات منفصلة يمكن التعرف عليها، ولكن تبخر/تسامى مثل هذه المواد ينتج جزيئات منفصلة حيث لا تزال الإلكترونات تنتقل بشكل كامل بما يكفي لاعتبار الروابط أيونية وليست تساهمية.

معظم الجزيئات صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة، على الرغم من أن جزيئات العديد من البوليمرات يمكن أن تصل إلى أحجام كبيرة ، بما في ذلك البوليمرات الحيوية مثل الحمض النووي . الجزيئات المستخدمة عادةً كلبنات بناء للتخليق العضوي لها أبعاد تتراوح من بضعة أنجستروم (Å) إلى عدة عشرات من أنجستروم، أو حوالي جزء من مليار من المتر. لا يمكن عادةً ملاحظة الجزيئات الفردية بالضوء ( كما هو مذكور أعلاه)، ولكن يمكن تتبع الجزيئات الصغيرة وحتى الخطوط العريضة للذرات الفردية في بعض الظروف باستخدام مجهر القوة الذرية . بعض أكبر الجزيئات هي جزيئات كبيرة أو جزيئات فائقة .

أصغر جزيء هو الهيدروجين ثنائي الذرة (H ₂ )، بطول رابطة 0.74 Å. ^[24]

نصف القطر الجزيئي الفعال هو الحجم الذي يظهره الجزيء في المحلول. ^{[25] [26]} يحتوي جدول الانتقائية النفاذية للمواد المختلفة على أمثلة.

تستخدم الصيغة الكيميائية للجزيء سطرًا واحدًا من رموز العناصر الكيميائية والأرقام، وأحيانًا رموزًا أخرى أيضًا، مثل الأقواس والشرطات والأقواس المعقوفة وعلامتي الجمع (+) والطرح ( -). وتقتصر هذه الرموز على سطر طباعي واحد، قد يتضمن رموزًا سفلية وعلوية.

الصيغة التجريبية للمركب هي نوع بسيط للغاية من الصيغة الكيميائية. ^[27] إنها أبسط نسبة صحيحة للعناصر الكيميائية التي تشكله. ^[28] على سبيل المثال، يتكون الماء دائمًا من نسبة 2:1 من ذرات الهيدروجين إلى الأكسجين، ويتكون الإيثانول (الكحول الإيثيلي) دائمًا من الكربون والهيدروجين والأكسجين بنسبة 2:6:1. ومع ذلك، فإن هذا لا يحدد نوع الجزيء بشكل فريد - فلدي ميثيل الأثير نفس نسب الإيثانول، على سبيل المثال. تسمى الجزيئات التي لها نفس الذرات في ترتيبات مختلفة متزامرات . أيضًا الكربوهيدرات، على سبيل المثال، لها نفس النسبة (الكربون: الهيدروجين: الأكسجين = 1:2:1) (وبالتالي نفس الصيغة التجريبية) ولكن بأعداد إجمالية مختلفة من الذرات في الجزيء.

تعكس الصيغة الجزيئية العدد الدقيق للذرات التي يتكون منها الجزيء وبالتالي تميز الجزيئات المختلفة. ومع ذلك، يمكن أن يكون للمتماثلات المختلفة نفس التركيب الذري مع كونها جزيئات مختلفة.

الصيغة التجريبية غالبًا ما تكون هي نفسها الصيغة الجزيئية ولكن ليس دائمًا. على سبيل المثال، جزيء الأسيتيلين له الصيغة الجزيئية C ₂ H ₂ ، ولكن أبسط نسبة عددية صحيحة للعناصر هي CH.

يمكن حساب الكتلة الجزيئية من الصيغة الكيميائية ويتم التعبير عنها بوحدات الكتلة الذرية التقليدية التي تساوي 1/12 من كتلة ذرة الكربون-12 المحايدة ( نظير الكربون ^-12 ). بالنسبة للمواد الصلبة الشبكية ، يتم استخدام مصطلح وحدة الصيغة في الحسابات المتكافئة .

بالنسبة للجزيئات ذات البنية المعقدة ثلاثية الأبعاد، وخاصة تلك التي تتضمن ذرات مرتبطة بأربعة بدائل مختلفة، قد لا تكون الصيغة الجزيئية البسيطة أو حتى الصيغة الكيميائية شبه البنيوية كافية لتحديد الجزيء بالكامل. في هذه الحالة، قد تكون هناك حاجة إلى صيغة بيانية تسمى الصيغة البنيوية . يمكن تمثيل الصيغ البنيوية بدورها باسم كيميائي أحادي البعد، لكن مثل هذه التسمية الكيميائية تتطلب العديد من الكلمات والمصطلحات التي لا تشكل جزءًا من الصيغ الكيميائية.

تمتلك الجزيئات أشكالاً هندسية ثابتة للتوازن - أطوال الروابط وزواياها - تتذبذب حولها باستمرار من خلال الحركات الاهتزازية والدورانية. تتكون المادة النقية من جزيئات لها نفس البنية الهندسية المتوسطة. الصيغة الكيميائية وبنية الجزيء هما العاملان المهمان اللذان يحددان خصائصه، وخاصة تفاعليته . تشترك المتزامرات في الصيغة الكيميائية ولكنها عادةً ما يكون لها خصائص مختلفة جدًا بسبب هياكلها المختلفة. المتزامرات الفراغية ، وهو نوع معين من المتزامرات، قد يكون لها خصائص فيزيائية كيميائية متشابهة جدًا وفي نفس الوقت أنشطة كيميائية حيوية مختلفة.

يتعامل علم الطيف الجزيئي مع استجابة ( الطيف ) الجزيئات المتفاعلة مع إشارات السبر للطاقة المعروفة (أو التردد ، وفقًا لعلاقة بلانك ). تحتوي الجزيئات على مستويات طاقة كمية يمكن تحليلها عن طريق اكتشاف تبادل الطاقة للجزيء من خلال الامتصاص أو الانبعاث . ^[31] لا يشير علم الطيف عمومًا إلى دراسات الحيود حيث تتفاعل الجسيمات مثل النيوترونات أو الإلكترونات أو الأشعة السينية عالية الطاقة مع ترتيب منتظم من الجزيئات (كما هو الحال في البلورة).

تقيس مطيافية الموجات الدقيقة عادة التغيرات في دوران الجزيئات، ويمكن استخدامها لتحديد الجزيئات في الفضاء الخارجي. تقيس مطيافية الأشعة تحت الحمراء اهتزاز الجزيئات، بما في ذلك حركات التمدد أو الانحناء أو الالتواء. تُستخدم عادةً لتحديد أنواع الروابط أو المجموعات الوظيفية في الجزيئات. تؤدي التغيرات في ترتيبات الإلكترونات إلى خطوط امتصاص أو انبعاث في الضوء فوق البنفسجي أو المرئي أو القريب من الأشعة تحت الحمراء ، وتؤدي إلى اللون. تقيس مطيافية الرنين النووي بيئة نوى معينة في الجزيء، ويمكن استخدامها لتوصيف أعداد الذرات في مواضع مختلفة في الجزيء.

تعتمد دراسة الجزيئات بواسطة الفيزياء الجزيئية والكيمياء النظرية إلى حد كبير على ميكانيكا الكم وهي ضرورية لفهم الرابطة الكيميائية. أبسط الجزيئات هي جزيء الهيدروجين-أيون ، H ₂ ⁺ ، وأبسط الروابط الكيميائية على الإطلاق هي الرابطة أحادية الإلكترون . يتكون H ₂ ^{+ من} بروتونين مشحونين إيجابيا وإلكترون واحد مشحون سلبًا ، مما يعني أنه يمكن حل معادلة شرودنجر للنظام بسهولة أكبر بسبب عدم وجود تنافر بين الإلكترونات. مع تطور أجهزة الكمبيوتر الرقمية السريعة، أصبحت الحلول التقريبية للجزيئات الأكثر تعقيدًا ممكنة وهي أحد الجوانب الرئيسية للكيمياء الحسابية .

عند محاولة تحديد ما إذا كان ترتيب الذرات مستقرًا بدرجة كافية لاعتباره جزيئًا، يقترح الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية أنه "يجب أن يتوافق مع انخفاض على سطح الطاقة الكامنة عميق بما يكفي لحصر حالة اهتزازية واحدة على الأقل". ^[4] لا يعتمد هذا التعريف على طبيعة التفاعل بين الذرات، بل يعتمد فقط على قوة التفاعل. في الواقع، يشمل الأنواع المرتبطة بشكل ضعيف والتي لا تعتبر جزيئات تقليديًا، مثل ثنائي الهيليوم ، He ₂ ، الذي له حالة ارتباط اهتزازي واحدة ^[32] ومرتبط بشكل فضفاض لدرجة أنه من المرجح أن يتم ملاحظته فقط في درجات حرارة منخفضة للغاية.

إن تحديد ما إذا كان ترتيب الذرات مستقرًا بدرجة كافية لاعتباره جزيئًا أم لا هو تعريف عملي بطبيعته. وبالتالي، من الناحية الفلسفية، فإن الجزيء ليس كيانًا أساسيًا (على النقيض من الجسيم الأولي على سبيل المثال )؛ بل إن مفهوم الجزيء هو طريقة الكيميائي في تقديم بيان مفيد حول نقاط القوة في التفاعلات على المستوى الذري في العالم الذي نلاحظه.

• جزيء الشهر – كلية الكيمياء، جامعة بريستول