جزيء

الجزيء هو مجموعة من ذرتين أو أكثر مترابطة بقوى تجاذب تُعرف بالروابط الكيميائية ؛ وتبعًا للسياق، قد يشمل المصطلح الأيونات التي تستوفي هذا المعيار أو لا يشملها. [ ^{4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] في} فيزياء الكم ، والكيمياء العضوية ، والكيمياء الحيوية ، يُلغى التمييز بين الجزيء والأيونات، ويُستخدم مصطلح "الجزيء" غالبًا عند الإشارة إلى الأيونات متعددة الذرات .

قد يكون الجزيء متجانس النوى ، أي أنه يتكون من ذرات عنصر كيميائي واحد ، مثل ذرتين في جزيء الأكسجين (O₂ ₎ ؛ أو قد يكون غير متجانس النوى ، وهو مركب كيميائي يتكون من أكثر من عنصر، مثل الماء (ذرتان من الهيدروجين وذرة واحدة من الأكسجين؛ H₂O ₎ . في النظرية الحركية للغازات ، يُستخدم مصطلح " جزيء" غالبًا لأي جسيم غازي بغض النظر عن تركيبه. وهذا يُخفف من شرط احتواء الجزيء على ذرتين أو أكثر، لأن الغازات النبيلة هي ذرات منفردة. ^{[ 9 ]} الذرات والمعقدات المرتبطة بروابط غير تساهمية ، مثل الروابط الهيدروجينية أو الروابط الأيونية ، لا تُعتبر عادةً جزيئات منفردة. ^{[ 10 ]}

لقد نوقشت مفاهيم مشابهة للجزيئات منذ العصور القديمة، لكن البحث الحديث في طبيعة الجزيئات وروابطها بدأ في القرن السابع عشر. وقد تم تطوير دراسة الجزيئات بمرور الوقت على يد علماء مثل روبرت بويل ، وأميديو أفوجادرو ، وجان بيرين ، ولينوس باولينج ، وهي تُعرف اليوم باسم الفيزياء الجزيئية أو الكيمياء الجزيئية.

بحسب قاموس ميريام-ويبستر وقاموس أصل الكلمات على الإنترنت ، فإن كلمة "جزيء" مشتقة من الكلمة اللاتينية " moles " التي تعني وحدة صغيرة للكتلة. والكلمة مشتقة من الكلمة الفرنسية molécule (1678)، من اللاتينية الحديثة molecula ، وهي تصغير للكلمة اللاتينية moles التي تعني "كتلة، حاجز". وقد شاعت هذه الكلمة، التي كانت تُستخدم بصيغتها اللاتينية فقط حتى أواخر القرن الثامن عشر، بعد استخدامها في مناقشات الفلسفة الطبيعية لرينيه ديكارت . ^{[ 11 ] [ 12 ]}

تطور تعريف الجزيء مع ازدياد معرفتنا ببنية الجزيئات. كانت التعريفات السابقة أقل دقة، إذ عرّفت الجزيئات بأنها أصغر جسيمات المواد الكيميائية النقية التي لا تزال تحتفظ بتركيبها وخواصها الكيميائية. ^{[ 13 ]} غالبًا ما يفشل هذا التعريف لأن العديد من المواد في حياتنا اليومية، مثل الصخور والأملاح والمعادن ، تتكون من شبكات بلورية كبيرة من الذرات أو الأيونات المرتبطة كيميائيًا ، ولكنها لا تتكون من جزيئات منفصلة.

يمكن تتبع المفهوم الحديث للجزيئات إلى فلاسفة ما قبل العلم والفلاسفة اليونانيين مثل ليوكيبوس وديموقريطس ، الذين جادلوا بأن الكون بأكمله يتكون من ذرات وفراغات . وفي حوالي عام 450 قبل الميلاد ، تخيل إمبيدوكليس العناصر الأساسية ( النار ، والأرض ، والهواء ، والماء ) و"قوى " التجاذب والتنافر التي تسمح لهذه العناصر بالتفاعل.

كان يُعتقد أن العنصر الخامس، وهو جوهر الأثير غير القابل للفساد ، هو اللبنة الأساسية للأجرام السماوية. وقد تبنى أرسطو وجهة نظر ليوكيبوس وإمبيدوكليس، إلى جانب الأثير، وانتقلت هذه الفكرة إلى أوروبا في العصور الوسطى وعصر النهضة.

بصورة أكثر تحديدًا، يعود مفهوم التجمعات أو وحدات الذرات المترابطة، أي "الجزيئات"، إلى فرضية روبرت بويل عام 1661، في كتابه الشهير "الكيميائي المتشكك" ، والتي تنص على أن المادة تتكون من تجمعات من الجسيمات وأن التغير الكيميائي ينتج عن إعادة ترتيب هذه التجمعات. جادل بويل بأن العناصر الأساسية للمادة تتكون من أنواع وأحجام مختلفة من الجسيمات، تُسمى "الجسيمات"، والتي لديها القدرة على ترتيب نفسها في مجموعات. في عام 1789، نشر ويليام هيغنز آراءً حول ما أسماه تركيبات الجسيمات "النهائية"، والتي مهدت لمفهوم روابط التكافؤ . فإذا كانت القوة، على سبيل المثال، وفقًا لهيغنز، بين جسيم الأكسجين النهائي وجسيم النيتروجين النهائي تساوي 6، فإن قوة هذه الرابطة ستُقسم وفقًا لذلك، وينطبق الأمر نفسه على تركيبات الجسيمات النهائية الأخرى.

ابتكر أميديو أفوجادرو كلمة "جزيء". ^{[ 14 ]} في بحثه المنشور عام 1811 بعنوان "مقال عن تحديد الكتل النسبية للجزيئات الأولية للأجسام"، ذكر بشكل أساسي، أي وفقًا لكتاب بارتينغتون " تاريخ موجز للكيمياء" ، ما يلي: ^{[ 15 ]}

أصغر جزيئات الغازات ليست بالضرورة ذرات بسيطة، ولكنها تتكون من عدد معين من هذه الذرات المرتبطة بالتجاذب لتشكيل جزيء واحد .

بالتنسيق مع هذه المفاهيم، قدم الكيميائي الفرنسي مارك أنطوان أوغست غودان في عام 1833 شرحًا واضحًا لفرضية أفوجادرو، ^{[ 16 ]} فيما يتعلق بالأوزان الذرية، وذلك باستخدام "مخططات الحجم"، والتي توضح بوضوح كلًا من الأشكال الهندسية الجزيئية شبه الصحيحة، مثل جزيء الماء الخطي، والصيغ الجزيئية الصحيحة، مثل _H2O :

في عام ١٩١٧، كان لينوس باولينغ، وهو طالب هندسة كيميائية أمريكي غير معروف آنذاك، يتعلم طريقة دالتون للترابط الذري ، والتي كانت الوصف السائد للروابط بين الذرات في ذلك الوقت. إلا أن باولينغ لم يكن راضيًا عن هذه الطريقة، فاتجه إلى مجال الفيزياء الكمية الناشئ حديثًا بحثًا عن طريقة جديدة. وفي عام ١٩٢٦، حصل الفيزيائي الفرنسي جان بيرين على جائزة نوبل في الفيزياء لإثباته، بشكل قاطع، وجود الجزيئات. وقد حقق ذلك من خلال حساب ثابت أفوجادرو باستخدام ثلاث طرق مختلفة، جميعها تتضمن أنظمة الطور السائل. أولًا، استخدم مستحلبًا شبيهًا بصابون الغامبوج ، ثانيًا من خلال إجراء تجارب على الحركة البراونية ، وثالثًا من خلال تأكيد نظرية أينشتاين لدوران الجسيمات في الطور السائل. ^{[ ١٧ ]}

في عام ١٩٢٧، طبّق الفيزيائيان فريتز لندن ووالتر هايتلر ميكانيكا الكم الجديدة لمعالجة قوى التجاذب والتنافر غير الديناميكية القابلة للإشباع، أي قوى التبادل، لجزيء الهيدروجين. وكانت معالجتهما لهذه المشكلة، في بحثهما المشترك ^{[ ١٨ ]} ، علامة فارقة، إذ أدخلت الكيمياء ضمن إطار ميكانيكا الكم. وقد أثّر عملهما على باولينغ، الذي كان قد حصل لتوه على الدكتوراه، وزار هايتلر ولندن في زيورخ بمنحة غوغنهايم .

لاحقًا، في عام 1931، استنادًا إلى أعمال هيتلر ولندن والنظريات الواردة في مقالة لويس الشهيرة، نشر باولينغ مقالته الرائدة "طبيعة الرابطة الكيميائية" ^{[ 19 ]} ، حيث استخدم ميكانيكا الكم لحساب خصائص وبنية الجزيئات، مثل الزوايا بين الروابط والدوران حولها. وبناءً على هذه المفاهيم، طور باولينغ نظرية التهجين لتفسير الروابط في جزيئات مثل CH4 _، حيث تتداخل أربعة مدارات مهجنة sp³ مع مدار 1s للهيدروجين، مما ينتج عنه أربع روابط سيجما (σ) . تتميز الروابط الأربع بنفس الطول والقوة، مما ينتج عنه بنية جزيئية كما هو موضح أدناه:

يُطلق على علم الجزيئات اسم الكيمياء الجزيئية أو الفيزياء الجزيئية ، وذلك بحسب ما إذا كان التركيز على الكيمياء أو الفيزياء. تهتم الكيمياء الجزيئية بالقوانين التي تحكم التفاعل بين الجزيئات والذي ينتج عنه تكوين الروابط الكيميائية وكسرها، بينما تهتم الفيزياء الجزيئية بالقوانين التي تحكم بنيتها وخصائصها. مع ذلك، فإن هذا التمييز غير دقيق عمليًا. في العلوم الجزيئية، يتكون الجزيء من نظام مستقر ( حالة ارتباط ) مؤلف من ذرتين أو أكثر. ويمكن أحيانًا اعتبار الأيونات متعددة الذرات جزيئات مشحونة كهربائيًا. يُستخدم مصطلح "الجزيء غير المستقر" للإشارة إلى الأنواع شديدة التفاعل ، أي التجمعات قصيرة العمر ( الرنين ) للإلكترونات والنوى ، مثل الجذور الحرة ، والأيونات الجزيئية ، وجزيئات ريدبيرغ ، والحالات الانتقالية ، ومعقدات فان دير فالس ، أو أنظمة الذرات المتصادمة كما في مكثف بوز-أينشتاين .

تُعدّ الجزيئات مكونات شائعة للمادة، كما أنها تُشكّل معظم المحيطات والغلاف الجوي. ومعظم المواد العضوية جزيئات. مواد الحياة جزيئات أيضاً، مثل البروتينات والأحماض الأمينية التي تتكون منها، والأحماض النووية (DNA وRNA)، والسكريات، والكربوهيدرات، والدهون، والفيتامينات. أما المعادن المغذية فهي مركبات أيونية في الغالب، وبالتالي فهي ليست جزيئات، مثل كبريتات الحديد.

مع ذلك، فإن غالبية المواد الصلبة المألوفة على الأرض تتكون جزئيًا أو كليًا من بلورات أو مركبات أيونية، وهي ليست جزيئات. وتشمل هذه المواد جميع المعادن التي تُكوّن مادة الأرض، والرمل، والطين، والحصى، والصخور، والجلاميد، والصخور الأساسية ، والباطن المنصهر ، ولب الأرض . تحتوي جميع هذه المواد على العديد من الروابط الكيميائية، ولكنها لا تتكون من جزيئات محددة.

لا يمكن تعريف جزيء نموذجي للأملاح أو البلورات التساهمية ، على الرغم من أن هذه الأخيرة غالبًا ما تتكون من خلايا وحدة متكررة تمتد إما في مستوى واحد ، مثل الجرافين ، أو في ثلاثة أبعاد، مثل الماس والكوارتز وكلوريد الصوديوم . وينطبق نمط بنية خلايا الوحدة المتكررة أيضًا على معظم المعادن التي تُعد أطوارًا مكثفة بروابط معدنية . وبالتالي ، فإن المعادن الصلبة لا تتكون من جزيئات. أما في الزجاج ، وهو مادة صلبة توجد في حالة زجاجية غير منتظمة، فإن الذرات ترتبط معًا بروابط كيميائية دون وجود أي جزيء محدد، ولا أي انتظام في بنية خلايا الوحدة المتكررة التي تميز الأملاح والبلورات التساهمية والمعادن.

ترتبط الجزيئات عمومًا بروابط تساهمية . توجد العديد من العناصر غير المعدنية فقط كجزيئات في البيئة إما في مركبات أو كجزيئات متجانسة النوى، وليس كذرات حرة: على سبيل المثال، الهيدروجين.

بينما يقول البعض إن البلورة المعدنية يمكن اعتبارها جزيئًا عملاقًا واحدًا مترابطًا بروابط معدنية ، ^{[ 20 ]} يشير آخرون إلى أن المعادن تتصرف بشكل مختلف تمامًا عن الجزيئات. ^{[ 21 ]}

تساهمي

الرابطة التساهمية هي رابطة كيميائية تتضمن مشاركة أزواج الإلكترونات بين الذرات. تُسمى هذه الأزواج الإلكترونية بالأزواج المشتركة أو أزواج الترابط ، ويُطلق على التوازن المستقر بين قوى التجاذب والتنافر بين الذرات، عند مشاركتها للإلكترونات، اسم الرابطة التساهمية . ^{[ 22 ]}

أيوني

الرابطة الأيونية نوع من الروابط الكيميائية التي تتضمن التجاذب الكهروستاتيكي بين أيونات ذات شحنات متضادة، وهي التفاعل الأساسي في المركبات الأيونية . الأيونات هي ذرات فقدت إلكترونًا واحدًا أو أكثر (تُسمى كاتيونات ) وذرات اكتسبت إلكترونًا واحدًا أو أكثر (تُسمى أنيونات ). ^{[ 23 ]} يُطلق على انتقال الإلكترونات هذا اسم التكافؤ الكهربائي ، تمييزًا له عن الرابطة التساهمية . في أبسط الحالات، يكون الكاتيون ذرة فلز والأنيون ذرة لا فلز ، ولكن قد تكون هذه الأيونات أكثر تعقيدًا، مثل الأيونات الجزيئية كـ NH₄⁺ ^أو _SO₄²⁻ . _{في درجات الحرارة والضغوط العادية، تُنتج الرابطة الأيونية في الغالب مواد صلبة (أو سوائل} ^{أحيانًا} ) دون جزيئات منفصلة يمكن تمييزها، ولكن تبخر/تسامي هذه المواد يُنتج جزيئات منفصلة حيث لا تزال الإلكترونات تنتقل بشكل كامل بما يكفي لاعتبار الروابط أيونية وليست تساهمية.

معظم الجزيئات أصغر من أن تُرى بالعين المجردة، مع أن جزيئات العديد من البوليمرات قد تصل إلى أحجامٍ كبيرة ، بما في ذلك البوليمرات الحيوية كالحمض النووي DNA . يبلغ حجم الجزيئات الشائعة الاستخدام كوحدات بناء في التخليق العضوي بضعة أنغسترومات (Å) إلى عشرات الأنغسترومات، أي ما يعادل جزءًا من مليار من المتر. لا يمكن عادةً رصد الجزيئات المفردة بالضوء (كما ذُكر سابقًا)، ولكن يمكن تتبع الجزيئات الصغيرة، بل وحتى حدود الذرات المفردة في بعض الحالات، باستخدام مجهر القوة الذرية . بعض أكبر الجزيئات هي جزيئات ضخمة أو جزيئات فائقة .

أصغر جزيء هو الهيدروجين ثنائي الذرة (H2 ₎ ، بطول رابطة يبلغ 0.74 أنغستروم. ^{[ 24 ]}

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

تتمتع الجزيئات بأشكال هندسية ثابتة عند الاتزان - أطوال الروابط والزوايا - تتذبذب حولها باستمرار من خلال حركات اهتزازية ودورانية. تتكون المادة النقية من جزيئات لها نفس البنية الهندسية المتوسطة. الصيغة الكيميائية وبنية الجزيء هما العاملان المهمان اللذان يحددان خصائصه، وخاصة تفاعليته . تشترك المتصاوغات في الصيغة الكيميائية، ولكنها عادةً ما تمتلك خصائص مختلفة تمامًا بسبب اختلاف بنيتها. قد تمتلك المتصاوغات الفراغية ، وهي نوع خاص من المتصاوغات، خصائص فيزيائية وكيميائية متشابهة جدًا، وفي الوقت نفسه أنشطة كيميائية حيوية مختلفة.

يهتم علم الأطياف الجزيئية بدراسة استجابة ( طيف ) الجزيئات عند تفاعلها مع إشارات ذات طاقة (أو تردد ، وفقًا لعلاقة بلانك ) معروفة. تمتلك الجزيئات مستويات طاقة كمية يمكن تحليلها عن طريق رصد تبادل الطاقة في الجزيء من خلال الامتصاص أو الانبعاث . ^{[ 31 ]} لا يشير مصطلح الأطياف عمومًا إلى دراسات الحيود حيث تتفاعل جسيمات مثل النيوترونات أو الإلكترونات أو الأشعة السينية عالية الطاقة مع ترتيب منتظم للجزيئات (كما في البلورة).

يقيس التحليل الطيفي بالموجات الميكروية عادةً التغيرات في دوران الجزيئات، ويمكن استخدامه لتحديد الجزيئات في الفضاء الخارجي. أما التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء فيقيس اهتزاز الجزيئات، بما في ذلك حركات التمدد والانحناء والالتواء. ويُستخدم عادةً لتحديد أنواع الروابط أو المجموعات الوظيفية في الجزيئات. وتُنتج التغيرات في ترتيب الإلكترونات خطوط امتصاص أو انبعاث في نطاق الأشعة فوق البنفسجية أو المرئية أو القريبة من الأشعة تحت الحمراء ، مما يؤدي إلى ظهور اللون. ويقيس التحليل الطيفي بالرنين النووي بيئة نوى معينة في الجزيء، ويمكن استخدامه لتحديد عدد الذرات في مواقع مختلفة داخل الجزيء.

تعتمد دراسة الجزيئات في الفيزياء الجزيئية والكيمياء النظرية بشكل كبير على ميكانيكا الكم ، وهي أساسية لفهم الرابطة الكيميائية. أبسط الجزيئات هو أيون الهيدروجين ₍ H₂⁺ ⁾ ، وأبسط الروابط الكيميائية هي الرابطة أحادية الإلكترون . يتكون أيون الهيدروجين (H₂⁺) من بروتونين موجبين الشحنة _{وإلكترون} ^واحد سالب الشحنة ، مما يُسهّل حل معادلة شرودنغر لهذا النظام نظرًا لغياب التنافر بين الإلكترونات. مع تطور الحواسيب الرقمية فائقة السرعة، أصبح من الممكن إيجاد حلول تقريبية لجزيئات أكثر تعقيدًا، وهو ما يُعدّ أحد الجوانب الرئيسية للكيمياء الحاسوبية .

عند محاولة تحديد ما إذا كان ترتيب الذرات مستقرًا بما يكفي لاعتباره جزيئًا، يقترح الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) أنه "يجب أن يتوافق مع انخفاض في سطح طاقة الوضع يكون عميقًا بما يكفي لحصر حالة اهتزازية واحدة على الأقل". ^{[ 4 ]} لا يعتمد هذا التعريف على طبيعة التفاعل بين الذرات، بل على قوة هذا التفاعل فقط. في الواقع، يشمل هذا التعريف أنواعًا ضعيفة الارتباط لا تُعتبر تقليديًا جزيئات، مثل ثنائي الهيليوم ، He2 _، الذي يمتلك حالة اهتزازية واحدة مرتبطة ^{[ 32 ]} وهو ضعيف الارتباط لدرجة أنه من غير المرجح ملاحظته إلا في درجات حرارة منخفضة جدًا.

إن تحديد ما إذا كان ترتيب الذرات مستقرًا بما يكفي لاعتباره جزيئًا هو تعريف عملي في جوهره. ومن الناحية الفلسفية، لا يُعد الجزيء كيانًا أساسيًا (على عكس الجسيم الأولي ، على سبيل المثال )؛ بل إن مفهوم الجزيء هو طريقة الكيميائي للتعبير عن قوة التفاعلات على المستوى الذري في العالم الذي نراه.

• جزيء الشهر – كلية الكيمياء، جامعة بريستول