القطبية الكيميائية

يمكن أن تقع الروابط بين طرفين متناقضين : غير قطبية تمامًا أو قطبية تمامًا. تحدث الرابطة غير القطبية تمامًا عندما تكون السالبية الكهربية للذرتين متطابقة، وبالتالي يكون الفرق بينهما صفرًا. أما الرابطة القطبية تمامًا، والتي تُسمى بشكل أدق بالرابطة الأيونية ، فتحدث عندما يكون الفرق بين السالبية الكهربية كبيرًا بما يكفي لكي تكتسب إحدى الذرات إلكترونًا من الأخرى. يُستخدم مصطلحا "قطبي" و"غير قطبي" عادةً لوصف الروابط التساهمية ، أي الروابط التي لا تكون قطبيتها كاملة. ولتحديد قطبية الرابطة التساهمية حسابيًا، يُستخدم الفرق بين السالبية الكهربية للذرتين. 

تُقسّم قطبية الرابطة عادةً إلى ثلاث مجموعات، تستند بشكل عام إلى الفرق في السالبية الكهربية بين الذرتين المرتبطتين. وفقًا لمقياس باولينغ :

• تحدث الروابط غير القطبية عمومًا عندما يكون الفرق في السالبية الكهربية بين الذرتين أقل من 0.5
• تتشكل الروابط القطبية عمومًا عندما يكون الفرق في السالبية الكهربية بين الذرتين تقريبًا بين 0.5 و 2.0
• تتكون الروابط الأيونية عمومًا عندما يكون الفرق في السالبية الكهربية بين الذرتين أكبر من 2.0

استند باولينغ في تصنيفه هذا إلى الطابع الأيوني الجزئي للرابطة، وهو دالة تقريبية لفرق الكهرسلبية بين الذرتين المرتبطتين. وقدّر أن فرقًا مقداره 1.7 يُقابل طابعًا أيونيًا بنسبة 50%، وبالتالي فإن الفرق الأكبر يُقابل رابطة ذات طابع أيوني سائد. ^{[ 3 ]}

كوصفٍ ميكانيكي كمي ، اقترح باولينغ أن الدالة الموجية لجزيء قطبي AB هي توليفة خطية من الدوال الموجية للجزيئات التساهمية والأيونية: ψ = aψ(A:B) + bψ(A ⁺ B ⁻ ). وتعتمد درجة الطابع التساهمي والأيوني على قيم مربعي المعاملين ^a² و ^b² . ^{[ 4 ]}

يستخدم عزم ثنائي القطب للرابطة [ ^{5 ] فكرة} عزم ثنائي القطب الكهربائي لقياس قطبية الرابطة الكيميائية داخل الجزيء . ويحدث ذلك كلما كان هناك فصل بين الشحنات الموجبة والسالبة.

يُعطى عزم ثنائي القطب للرابطة μ بالعلاقة التالية:

${\displaystyle \mu =\delta \,d}$.

يتم نمذجة ثنائي القطب الرابط على أنه δ ⁺ — δ ^– بمسافة d بين الشحنات الجزئية δ ⁺ و δ ^– . وهو متجه موازٍ لمحور الرابطة، يشير من السالب إلى الموجب، ^{[ 6 ]} كما هو متعارف عليه بالنسبة لمتجهات عزم ثنائي القطب الكهربائي .  

غالباً ما يرسم الكيميائيون المتجه متجهاً يشير من الموجب إلى السالب. ^{[ 7 ]} يمكن تفسير هذا المتجه فيزيائياً على أنه الحركة التي تخضع لها الإلكترونات عندما توضع ذرتان على مسافة d وتسمح لهما بالتفاعل، ستنتقل الإلكترونات من مواقعها الحرة لتتمركز بشكل أكبر حول الذرة الأكثر كهرسلبية .

وحدة قياس عزم ثنائي القطب الكهربائي في النظام الدولي للوحدات هي الكولوم متر. هذه القيمة كبيرة جدًا بحيث لا يمكن استخدامها عمليًا على المستوى الجزيئي. تُقاس عزوم ثنائيات أقطاب الروابط عادةً بالديباي ، ويرمز لها بالرمز D، والتي تُحسب بقياس الشحنة.${\displaystyle \delta }$بوحدات 10⁻¹⁰ ^{ستاتكولوم} والمسافة d بوحدة أنغستروم . بناءً على معامل التحويل 10⁻¹⁰ ستاتكولوم الذي يساوي 0.208 وحدة من الشحنة الأولية ، ينتج 1.0 ديباي عن إلكترون وبروتون يفصل بينهما 0.208 ^{أنغستروم}  . معامل التحويل المفيد هو 1  ديباي  =  3.33564 ×  10⁻¹⁰^-30  درجة مئوية ^{[ 8 ]}

بالنسبة للجزيئات ثنائية الذرة، توجد رابطة واحدة فقط (أحادية أو متعددة)، لذا فإن عزم ثنائي القطب للرابطة هو عزم ثنائي القطب الجزيئي، وتتراوح قيمه النموذجية بين 0 و11  ديباي. في أحد أقصى الحالات، جزيء متناظر مثل البروم ، Br₂ ، له عزم ثنائي قطب صفري، بينما بالقرب من الطرف الآخر،فإن بروميد البوتاسيوم، KBr، وهو أيوني للغاية، له عزم ثنائي قطب يبلغ 10.41 ديباي. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

بالنسبة للجزيئات متعددة الذرات، يوجد أكثر من رابطة. يمكن تقريب عزم ثنائي القطب الجزيئي الكلي كمجموع متجهي لعزوم ثنائيات أقطاب الروابط الفردية. غالبًا ما تُحسب عزوم ثنائيات أقطاب الروابط بعملية عكسية: حيث يُحلل عزم ثنائي القطب الكلي المعروف للجزيء إلى عزوم ثنائيات أقطاب الروابط. يُجرى ذلك لنقل عزوم ثنائيات أقطاب الروابط إلى جزيئات لها نفس الروابط، ولكن عزم ثنائي القطب الكلي لها غير معروف بعد. يُعطي المجموع المتجهي لعزوم ثنائيات أقطاب الروابط المنقولة تقديرًا لعزم ثنائي القطب الكلي (غير المعروف) للجزيء.

عند مقارنة جزيء قطبي وآخر غير قطبي لهما كتلتان موليتان متقاربتان، يكون للجزيء القطبي عمومًا درجة غليان أعلى، لأن التفاعل ثنائي القطب بين الجزيئات القطبية ينتج عنه قوى تجاذب بين الجزيئات أقوى. أحد الأشكال الشائعة للتفاعل القطبي هو الرابطة الهيدروجينية. على سبيل المثال، يُكوّن الماء روابط هيدروجينية، وكتلته المولية M = 18، ودرجة غليانه +100  درجة مئوية، مقارنةً بالميثان غير القطبي الذي كتلته المولية M = 16، ودرجة غليانه -161  درجة مئوية.

بسبب الطبيعة القطبية لجزيء الماء نفسه، فإن الجزيئات القطبية الأخرى قادرة عمومًا على الذوبان في الماء. أما معظم الجزيئات غير القطبية فهي غير قابلة للذوبان في الماء ( كارهة للماء ) عند درجة حرارة الغرفة. وتستطيع العديد من المذيبات العضوية غير القطبية ، مثل زيت التربنتين ، إذابة المواد غير القطبية.

تميل المركبات القطبية إلى امتلاك توتر سطحي أعلى من المركبات غير القطبية.

تميل السوائل القطبية إلى الارتفاع عكس الجاذبية في أنبوب ذي قطر صغير.

تميل السوائل القطبية إلى أن تكون أكثر لزوجة من السوائل غير القطبية. على سبيل المثال، الهكسان غير القطبي أقل لزوجة بكثير من الماء القطبي. ومع ذلك، يُعد حجم الجزيء عاملاً أقوى بكثير في تحديد اللزوجة من القطبية، حيث تكون المركبات ذات الجزيئات الأكبر حجماً أكثر لزوجة من المركبات ذات الجزيئات الأصغر حجماً. وبالتالي، فإن الماء (جزيئات قطبية صغيرة) أقل لزوجة من الهيكساديكان (جزيئات غير قطبية كبيرة).

تمتلك الجزيئات القطبية عزم ثنائي قطب صافٍ نتيجةً للشحنات المتعاكسة (أي وجود شحنات موجبة جزئية وسالبة جزئية) الناتجة عن الروابط القطبية المرتبة بشكل غير متماثل. يُعد الماء (H₂O ₎ مثالًا على الجزيئات القطبية، إذ يحمل شحنة موجبة طفيفة على أحد جانبيه وشحنة سالبة طفيفة على الجانب الآخر. لا تلغي ثنائيات الأقطاب بعضها بعضًا، مما ينتج عنه عزم ثنائي قطب صافٍ. يعتمد عزم ثنائي القطب للماء على حالته. في الحالة الغازية، يبلغ عزم ثنائي القطب حوالي 1.86 ديباي (D)، ^{[ 11 ]} بينما يكون أعلى في الماء السائل (حوالي 2.95 ديباي) ^{[ 12 ]} والجليد (حوالي 3.09 ديباي) ^{[ 13 ]} نظرًا لاختلاف بيئات الروابط الهيدروجينية. ومن الأمثلة الأخرى السكريات (مثل السكروز )، التي تحتوي على العديد من مجموعات الأكسجين-الهيدروجين القطبية (-OH) وتتميز عمومًا بقطبية عالية.

إذا لم تلغِ عزوم ثنائيات الأقطاب للرابطة في الجزيء، يكون الجزيء قطبيًا. على سبيل المثال، يحتوي جزيء الماء (H₂O ₎ على رابطتين قطبيتين O-H في شكل هندسي منحني (غير خطي). لا تلغي عزوم ثنائيات الأقطاب للرابطة، لذا يُشكّل الجزيء ثنائي قطب جزيئي ، قطبه السالب عند ذرة الأكسجين وقطبه الموجب في منتصف المسافة بين ذرتي الهيدروجين. في الشكل، تربط كل رابطة ذرة الأكسجين المركزية ذات الشحنة السالبة (باللون الأحمر) بذرة هيدروجين ذات شحنة موجبة (باللون الأزرق).

إن جزيء فلوريد الهيدروجين ، HF، قطبي بفضل الروابط التساهمية القطبية - في الرابطة التساهمية يتم إزاحة الإلكترونات نحو ذرة الفلور الأكثر كهرسلبية. 

الأمونيا ، NH₃ _، جزيءٌ روابطه الثلاثة N-H ذات قطبية ضعيفة (باتجاه ذرة النيتروجين الأكثر كهرسلبية). يحتوي الجزيء على إلكترونين منفردين في مدارٍ يتجه نحو الرأس الرابع لهرم رباعي الأوجه منتظم تقريبًا، كما تنبأت به نظرية تنافر أزواج إلكترونات غلاف التكافؤ (VSEPR ) . لا يشارك هذا المدار في الروابط التساهمية؛ فهو غنيٌّ بالإلكترونات، مما ينتج عنه ثنائي قطب قوي عبر جزيء الأمونيا بأكمله.

في جزيئات الأوزون (O₃ ₎ ، تكون الرابطتان O−O غير قطبيتين (لا يوجد فرق في السالبية الكهربية بين ذرات العنصر نفسه). مع ذلك، فإن توزيع الإلكترونات الأخرى غير متساوٍ ؛ فبما أن الذرة المركزية تشارك إلكتروناتها مع ذرتين أخريين، بينما تشارك كل ذرة من الذرات الخارجية إلكتروناتها مع ذرة واحدة فقط، فإن الذرة المركزية تكون أقل وفرة بالإلكترونات من غيرها (تبلغ شحنة الذرة المركزية الرسمية +1، بينما تبلغ شحنة كل ذرة من الذرات الخارجية الرسمية -½ ) . ولأن الجزيء ذو شكل هندسي منحني ، ينتج عن ذلك ثنائي قطب عبر جزيء الأوزون بأكمله. 

قد يكون الجزيء غير قطبي إما عند وجود تقاسم متساوٍ للإلكترونات بين ذرتي جزيء ثنائي الذرة، أو بسبب الترتيب المتناظر للروابط القطبية في جزيء أكثر تعقيدًا. على سبيل المثال، يحتوي ثلاثي فلوريد البورون (BF₃ ₎ على ترتيب مثلث مستوٍ لثلاث روابط قطبية بزاوية 120 درجة. ينتج عن ذلك انعدام العزم ثنائي القطب الكلي في الجزيء.

يحتوي ثاني أكسيد الكربون (CO2 ₎ على رابطتين قطبيتين C=O، لكن هندسة CO2 _خطية بحيث يتم إلغاء عزمي ثنائي القطب للرابطتين ولا يوجد عزم ثنائي قطب جزيئي صافٍ؛ الجزيء غير قطبي.

في جزيء الميثان (CH₄ ₎ ، تترتب روابط C-H الأربع بشكل رباعي الأوجه حول ذرة الكربون. لكل رابطة قطبية (وإن كانت ضعيفة). تترتب الروابط بشكل متناظر، لذا لا يوجد ثنائي قطب إجمالي في الجزيء. أما جزيء الأكسجين ثنائي الذرة (O₂ ₎ ، فلا توجد قطبية في الرابطة التساهمية بسبب تساوي السالبية الكهربية، وبالتالي لا توجد قطبية في الجزيء.

تتميز جزيئات الألكانات الأخرى بتناظر أقل من الميثان، ولكنها تمتلك قطبية ثنائية ضعيفة لأن روابط CH فيها ضعيفة القطبية. كما أن بعض الخلطات المنزلية، مثل الزيت المعدني والكيروسين ، ضعيفة القطبية (وتوصف غالبًا بأنها "غير قطبية") لأنها تتكون من هذه الألكانات.

تُعرف الجزيئات الكبيرة التي تحمل في أحد طرفيها مجموعات قطبية وفي الطرف الآخر مجموعات غير قطبية باسم الجزيئات الأمفيبية . وهي مواد فعالة سطحياً ، وتساعد في تكوين مستحلبات مستقرة من الماء والدهون. تعمل هذه المواد على تقليل التوتر السطحي بين الزيت والماء عن طريق امتصاصها على السطح الفاصل بين السائلين.

• 
  يحتوي هذا الجزيء الأمفيباتي على عدة مجموعات قطبية ( محبة للماء ) على الجانب الأيمن وسلسلة طويلة غير قطبية ( محبة للدهون ) على الجانب الأيسر. وهذا ما يمنحه خصائص المواد الفعالة سطحياً.
• 
  تتكون المذيلات من أطراف محبة للدهون لجزيئات المادة الفعالة سطحياً تذوب في الزيت، بينما تبقى الأطراف المحبة للماء المشحونة خارج المذيلات في الطور المائي، لتحجب باقي المذيلات الكارهة للماء . وبهذه الطريقة، تصبح قطرة الزيت الصغيرة قابلة للذوبان في الماء. 
• 
  الفوسفوليبيدات هي مواد فعالة سطحية طبيعية لها وظائف بيولوجية مهمة
• 
  صورة مقطعية للهياكل التي يمكن أن تُشكّلها الفوسفوليبيدات . يمكنها تكوين المذيلات ، وهي ضرورية لتكوين أغشية الخلايا.