الرابط الذي يربط الكيماويات التي تترابط
إن العلاقات الحميمة في مكان مثل لندن لهي أسطورة شخصية؛ فهي عميقة عمق الصلة الكيميائية. يمر آلاف من الناس وينعزل أحدهم عن هذه الجموع الغفيرة ليُلصِق نفسَه بآخر، وهكذا رويدًا رويدًا تتكوَّن الجماعة.
نحن نُقابل القطبية أو الفعل ورد الفعل في كل جزء من الطبيعة، نُقابلها في الظلام والضوء، في الحرارة والبرودة، في المد والجزر، في الذكورة والأنوثة، في شهيق وزفير النباتات والحيوانات، في انقباض وانبساط القلب، وفي موجات السوائل والأصوات، وفي الطَّرد المركزي والجذب المركزي، وفي الكهرباء، والجلفانية، وفي الأُلفة الكيميائية.
لقد كان المثال الذي استخدمناه لهذه التجرِبة، الذي استهللنا به هذه المناقشةَ هو كأس من شراب المارتيني مع زيتونتين، لكن على عكس خلة الأسنان التي تربط الزيتونتين معًا، فإن الرابطة ليست كيانًا ماديًّا. وينبغي أن نُدرِك أن الرابطة قوة بنفس إدراكنا أن المغناطيسية والجاذبية هما قوة. ومنشأ القوة في الرابطة الكيميائية هو منشأ كهربائي، ولكنها تلك القوة التي يَشوبها تعقيدات التجاذب والتنافر، ويُوجَد فيها الكثير من الإلكترونات والبروتونات والشحنات التي تتحرك بأنماطٍ معقَّدة. تُشبه محاولة تصنيف المواد طبقًا لنوع الرابطة، محاولة طبيب التجميل تصنيف الناس طبقًا لدرجة لون البشرة. بالطبع فإن هناك أناسًا ذَوي بشَرة سوداء وآخرين ذوي بشرة بيضاء، لكن هناك الكثير جدًّا من التنويعات ضمن نطاق بشرة الإنسان. وعلى نفس المنوال يُمكننا القول إنه ثمة ثلاثة تصنيفات أساسية للرابطة الكيميائية؛ الأيونية، والتساهمية، والفلزية، لكن هذه جميعها مجرد متغيرات داخل موضوع واحد وهو أن الأنوية ترتبط معًا عندما يكون هناك انجذابٌ متبادَل، وأن أساس هذا الانجذاب المتبادل كهربي. ولدى كل رابطة القليل من خصائص الروابط الأخرى — التساهمية والأيونية والفلزية — لكن بدرجات أكبر أو أقل، ولا يُعتبَر هذا الغموض مفيدًا بصورة مباشرة، إلا أننا سوف نستمرُّ في هذه الدراسة كما لو كان من الممكن أن نضع كل جزيء بشكل قاطع في فئة أو أخرى، ثم نستخدم التصنيف كي ننسب خواصَّ للمواد المختلفة.
أولًا: نحن نملك أداة رائعة للتنبُّؤ بالضبط من أن أي نوع أيون لعنصر ما يميل غالبًا إلى الدخول في التفاعل، وهاك أقرَب صديق للكيميائي، الجدول الدوري، الذي نعرضه هنا مرة أخرى للتيسير.
وتميل عادةً اللافلزات التي تقع عن يمين السلم إلى أن تُكوِّن أيوناتٍ سالبةً عندما تُكوِّن أيونات. أما الفلزات التي تقع عن يسار السلم فتميل عادة إلى تكوين أيونات موجبة عند تكوين الأيونات. والشحنات المختلفة تتجاذب؛ فعندما تكون هناك أيونات ذات شحنات مختلفة على مَقرُبة من بعضها البعض، فإنه ينجذب بعضها إلى بعض. وإذا تكونَت رابطةٌ بِناءً على هذا الانجذاب بين الأيونات، تُوصَف الرابطة بأنها أيونية. فعلى سبيل المثال تُعتبَر الرابطة بين الصوديوم والكلور في ملح الطعام، كلوريد الصوديوم، خيرَ مثال على ما يُعتبَر رابطة أيونية؛ تنشأ الرابطة الأيونية عن الانجذاب بين الأيونات الموجبة والسالبة، كما هو مُتضمَّن في الاسم، وفي الرابطة الأيونية يمكن التنبؤ بما سيحدث بشكل دقيق وقابل للتعليل، لدرجة أن الفرد غالبًا ما يرغب في أن تكون جميع الروابط روابطَ أيونية سهلة، لكن في ذلك الحين لن يكون لدينا تلك التشكيلةُ الفعلية التي لا حصر لها من المواد والتي تكون ضرورية لعالمنا؛ فدائمًا ما يكون التنوع عاملًا شيقًا لكن معقدًا.
وكما أشرنا من قبل، تتكوَّن الأيونات لأن الذرات تميل إلى أن تكتسب أو تفقد إلكترونات إلى أن تحصل على غلاف مشبع التكافؤ. ولأسباب في الماضي سُمِّيَت الأغلفة التامة الامتلاء ثُمانيات، مع حقيقة أنه ليست كل الأغلفة الممتلئة تَحوي ثمانية إلكترونات. ونحن نتحدث عن أيونات تتكوَّن عندما تكتسب الذرة إلكتروناتٍ أو تفقدها لتُشبع ثمانيتها، لكن ثمَّة بعض الطرق التي يُمكن أن تملأ الذرة بها ثُمانياتها دون أن تتخلى عن إلكترونات أو تَسرقها، فمن الممكن أن تكتمل الثمانيات عن طريق مشاركة الإلكترونات أيضًا.
تُؤدِّي مشاركة الإلكترون إلى نوع من الروابط عادةً ما يحدث بين فلزَّين (أي عُنصرَين يقع كلٌّ منهما في اليمين الأقصى من الجدول الدوري. ويُطلَق على هذا النوع من الروابط «الروابط التساهمية». وكما شاهدنا، إلكترونات التكافؤ هي تلك الإلكترونات التي تقع في الطبقة الخارجية من الذرة، فعلى سبيل المثال، كل ما يحويه الكربون، الذي يقع في الدورة الرابعة من الصف الثاني، هو ستة إلكترونات (لكونه سادسَ عنصر مدرَجٍ في الجدول الدوري))، لكن أربعة فقط من هذه الإلكترونات هي إلكترونات تكافؤ، أي إلكترونات الغلاف الخارجي. وتعني تَساهمية أنه تشارك الإلكترونات على نحوٍ تعاوني وتتصرف الإلكترونات كأنها إلكترونات تكافؤ العنصرَين في الرابطة.
ويُعتبَر المنطق النظري لمشاركة الإلكترونات هو أن كِلا العنصرَين في الرابطة التساهمية يملك تقريبًا نفس مقدار الجاذبية للإلكترونات. وما من طريقة لتحديد أي العنصرَين سيأخذ الإلكترونات وأيهما سيتخلى عنها؛ نظرًا إلى أن العنصرَين يقعان في الجانب نفسِه من الجدول الدوري، ويتشابهان في السالبية الكهربية. ويقع الأوكسجين في الجانب الأيمن من الجدول الدوري، وكما ذكرنا من قبلُ يحوي الهيدروجين سالبية كهربية مشابهة لعناصر الجانب الأيمن من الجدول؛ من ثَم تكون الرابطة بين الأوكسجين والهيدروجين في الماء رابطة تساهمية. وعندما تنتهي إلكترونات تكافؤ كل من الأوكسجين والهيدروجين من تنظيم نفسها حول الأنوية، يصبح لكل عنصر ثمانيةٌ مكتملة. (تذكر أن ثمانية الهيدروجين مشبعة بإلكترونَين). تمتلئ ثمانية كل ذرة هيدروجين بإلكترونَين، أما ثمانية الأوكسجين فتمتلئ بثمانية إلكترونات؛ أربعة منها مُشاركة مع أنوية الهيدروجين.
إلا أن ثمة تناقضًا جوهريًّا؛ فقد ذكرنا أن الشحنات المختلفةَ تتجاذب والمتشابهة تتنافر، وأن للإلكترونات كافةً شحنةً سالبة. إذا كان هذا صحيحًا، فلماذا لا تنفجر إذن مجموعات إلكترونات التكافؤ في وبائل متطايرة من الإلكترونات بدلًا من الاستقرار في روابط كيميائية قوية؟
هذا سؤال جيد جدًّا، ونحن مسرورون أنك سألته، وقد اتضح أن هذا السؤال لطالما حير علماء الكيمياء النظريين أيضًا، وقد أطلَقوا على التجاذب المُلاحَظ بين العناصر «الصلة الكيميائية» لإعطائه اسمًا فقط، لكنهم لم يفهموا طبيعة هذا التجاذب، لكن بفهم التركيب الذري وُجِدَ مبررٌ لمثل هذا التجاذب؛ فيمكن النظر إلى طبيعة التجاذب على أنها إلكترونات سالبة تعمل وسيطًا بين الأنوية المشحونة بشحنات موجبة.
وبالرغم أن الصورة الكاملة أكثر تعقيدًا بكثير، فيُمكننا أن نجد تشبيهًا منطقيًّا في المغناطيس؛ إذا قرَّبنا مِغناطيسَين معًا بحيث يتقارب قُطباهما المتشابهان، فإنهما سيَتنافران. يُشبِه هذا الموقف إحضار نواتَين عاريتَين مشحونتَين بشحنات موجبة معًا، حيث نجد أنهما لا يرتبطان بسبب التنافر بينهما، لكن بالرجوع إلى المغناطيس نجد أنه إذا وُضع قضيب مغناطيسي ثالث بين المغناطيسَين اللذَين أحضرناهما أولًا بحيث يكون القطب الجنوبي موضوعًا إلى جانب القطبَين الشماليَّين، عندئذٍ يجذب المغناطيس الواقع في الوسط بينهما المغناطيسَين الآخَرَين ويبقى الثلاثة معًا. وفي الرابطة تقوم الإلكترونات السالبة الموجودة بين الأنوية المشحونة بشحنات موجبة بجذب الأنوية الموجبة وتتصرَّف كأنها غِراء تُلصِق الأنوية معًا.
وعادة ما تكون طاقة المدارات غير الرابطة أكبر كثيرًا من طاقة مدارات الترابط، لكن إذا اصطدمت الكمية المضبوطة من الطاقة بمدارات الترابط، ربما في شكل طاقة ضوئية، تُثار الإلكترونات من أحد المدارات إلى آخر. وإذا أُثيرَت الإلكترونات فانتقلت من أحد مدارات الترابط إلى أحد المدارات غير الرابطة، فقد تنكسر الرابطة. وتُخزن الكثير من المواد مثل بعض الجِعَة (البيرة) في زجاجات بنية اللون حتى تمنع الضوء من أن يُفتِّت المادة التي بالداخل بنفس هذه الآلية.
ويُمكن أن يُوجَد في المواد الصلبة إلكترونات في نظام الترابط بين أزواج الأنوية تُسمَّى «حُزمة التكافؤ»، كما يُوجد أيضًا مدارات عملاقة تمتد حول كل النواة تُسمَّى «حُزمة التوصيل»، ويُمكن تخيُّل حُزمة التوصيل على أنها مدار إلكتروني هائل، وفي حُزمة التكافؤ تظل الإلكترونات مرتبطة بنواتها. أما في حُزمة التوصيل فتحظى الإلكترونات بحرية التحرك من نواة إلى أخرى، والتنقُّل من أحد طرَفَي الفلز إلى الطرف الآخر. ويُمكننا تشبيه الأمر بشبكة بنكية. يُوجَد على المستوى المحلي بنوك داخل المدينة يعمل بها صيارفة محليون يعيشون ويعملون في المكان نفسِه، وهؤلاء الصيارفة هم إلكترونات حُزمة التكافؤ، وظيفتهم الحفاظ على أسس البنك معًا. أما المديرون الأعلى فهم إلكترونات حزمة التوصيل، ووظيفتهم تجعلهم يتنقلون من بنك إلى آخر عبر كل الشبكة.
والمواد التي لديها وفرة من الإلكترونات في حزمة التوصيل تُسمَّى بشكل منطقي جدًّا «الموصِّلات»، والطاقة التي تُزوِّدها البطاريات تجعل هذه الإلكترونات تنتقل فيما يُعرَف عامة «بالتيار الكهربي». بعض المواد الصلبة الأخرى لا تملك إلكترونات في حزمة التوصيل ولا توصل الكهرباء، وتُسمَّى بالمواد العازلة، والمواد التي تتوسط الموصلات والعوازل تُسمَّى «أشباه الموصِّلات»، وهو اسم له صدًى رنان باعتباره مادة ثورية.
على سبيل المثال: أشباه الموصلات
لقد غيَّر ابتكار الترانزستور الذي يقوم على أشباه الموصلات العالمَ بأثره. ما أشباهُ الموصلات إذن؟ كما يتضمن الاسم، موادُّ لها خواصُّ كهربية تتوسط تلك التي للموصلات والعوازل، وأشباهُ الموصلات هي المواد التي تُوصل التيار أحيانًا.
وعادةً يكون في أشباه الموصلات القليلُ جدًّا من الإلكترونات في رابطة التوصيل لنقل التيار، إلا أن الفجوة في الطاقة بين حُزمة التوصيل وحزمة التكافؤ صغيرة بما يكفي حتى إن الإلكترونات تستطيع، بالقليل من الإثارة، أن تعبر الفجوة، وتجعل المادة موصلة، وتكون هذه الإثارة في شكل الجُهد الكهربي المستخدَم أو الحرارة أو الضوء. وتُعتبَر بعض المواد الصلبة أشباهَ موصلات طبيعية. إلا أنه من الممكن جعلُ البعض الآخر قادرًا على عبور الفجوة عن طريق عملية تُسمَّى «الحقن» مع أن الأمر ليس له أية علاقة بالرِّياضيين أو المنشطات.
عادةً ما يكون السليكون أول مادة تأتي بأذهاننا عندما نتحدث عن أشباه الموصلات، لكن في حقيقة الأمر لا يُعتبَر السليكون مادةً شبهَ موصِّلة بالطبيعة، فالسليكون الصلب يجب أن يُحقَن ليُصبح مادة شبه موصلة، والحقن هو عملية إضافة كمية قليلة جدًّا من الشوائب للمادة الصلبة مثل السليكون. وهناك اثنان من الشوائب المفضلة للسليكون في الجدول الدوري. فهما لديهما تقريبًا نفس الحجم والسالبية الكهربية؛ ومن ثَم يسهل أن يتناسبا مع السليكون في الحالة الصلبة، فهما يُغيِّران خصائص التوصيل للسليكون حيث إن لديهما إلكترونًا مزيدًا وإلكترونًا منقوصًا على التوالي عن السليكون.
إذن ما هو الهدف الذي يُمكن الوصولُ إليه من وراءِ هذا؟ يستطيع الآن تيارٌ صغير أن يتحكم في تيار كبير، وأن يُطفئه ويُشغله بالقليل من الإلكترونات المتدفقة، ولكي تَعِيَ أهمية الموقف، هيا نُلقِي نظرة على الماضي لبرهة. كان الأوروبيون في أوائل العصور الوسطى مُعوِزين على الصعيد التكنولوجي، ومعتمدين على العمالة اليدوية، وكانوا إذا احتاجوا إلى دقيق مطحون، قاموا بربط العديد من عبيد الأرض في طاحونة، ثم جعلوهم يبدءُون الدفع، إلا أن الطاعون الأسود قضى على طبقات العمال، ووجد الناس الباقون أنفسَهم أكثر إبداعًا عند استخدام العتلة والتروس والماكينات البسيطة الأخرى. واكتشفوا أن عاملًا واحدًا برافعة ونظام من التروس يستطيع أن يرفع السد مما يسمح للمياه بالتدفق عبر ساقية، وهذه الساقية تُدير الطاحونة وتقوم بالعمل الذي يقوم به الكثير من العبيد.
وقد حدث التغيير في العصور الوسطى في أوروبا تدريجيًّا بصورة أكثرَ من التغيير الذي شهدناه نحن، ويرجع ذلك إلى أشباه الموصلات، إلا أن الأثر الاجتماعي مُشابِه؛ فبدلًا من عامل يعمل على عتلة تُشغل السد، لدينا الآن بطارية بداخل لوحة تشغيل تُشغل التيار وتفصله. وتُسمَّى مفاتيح أشباه الموصلات «ترانزستور» التي تُستخدَم للتشغيل والفصل، أو النظام الثنائي الذي يُشكل أساس الحاسوب.
كيف يتسنَّى للمحوِّلات أن تُستخدَم للقيام بكافة الوظائف المعقدة في الحواسيب؟ أولًا عن طريق العد أو الإحصاء. يُمكن للحواسيب أن تُحصي باستخدام الأصفار ورقم ١ الذي يُقابل التشغيل والفصل، ومع أننا اعتدنا العد باستخدام النظام العشري، ربما لأننا خُلِقنا بعشَرة أصابع، فإن الأنظمة الأخرى للعد مُمكنة. فالساعات تُحسَب بمجموعات ستينيَّة (٦٠ ثانية تكون دقيقة، و٦٠ دقيقة تكون ساعة) ويوضع البيض في مجموعات عددُ كلٍّ منها اثنتا عشْرةَ بيضة، أي بالدستة. وتحسب الحواسيب بمجموعات ثنائية وتستخدم الصفر ورقم ١ (تشغيل وفصل) للأرقام العشرية. وتستخدم الحواسيب أيضًا «و، لا، أو» وهي عين الكلمات المستخدمة للربط بين الكلمات الرئيسية في البحث على الإنترنت (نظام يُسمَّى قواعد المنطق البوليني) وأيضًا منطق السبب والنتيجة. فعلى سبيل المثال إذا كان المفتاح مُشغلًا على الحرف أ، وكان الحرف و على الطابعة تُنتج الطابعة في هذه الحالة الحرف أ.
لكن إذا كانت المفاتيح هي كلَّ ما يحتاج إليه الحاسوب، لماذا إذن لا يُمكنك أن تعمل بدون محولات؟ الإجابة هي أن هذا ممكن وقد كان بالفعل، فلا تُعتبَر المفاتيح شيئًا جديدًا ولا حتى المفاتيح الكهربية. لقد كانت الصمامات المفرغة تُستخدَم في القديم لمفاتيح التشغيل والفصل (صفر و١) بدلًا من الترانزستور، ومع المزايا الأخرى التي تتمتع بها صمامات التشغيل ومع استخدامها في الكثير من التطبيقات، فإن المشكلة في استخدامها هي أن لها حجمًا كبيرًا، وتُولِّد الكثير من الحرارة، وعليه كانت تتطلب الحواسيب القديمة الكثير من الفراغ والتبريد، وكان الأمر يحتاج إلى عدد هائل من المفاتيح لأي مهمة متوسطة التعقيد، لكن بوجود المحولات يُمكن وضع عدد كبير من المفاتيح في منطقة صغيرة جدًّا دون توليد كمٍّ هائل من الحرارة.
وبمجرد استنباط المبادئ الرئيسية لأشباه الموصلات، وجَّه العلماء جهودهم نحو ابتكار أنواع مختلفة من أشباه الموصلات، وفي هذه الأيام ثمة أشباه موصلات تستشعر الحرارة أو الألوان الضوئية المختلفة؛ فثمة أجهزة تقوم على المنطق الذي تقوم عليه أشباه الموصلات التي تقوم بكل شيء؛ ابتداءً من ضبط المصباح إلى قيادة المركبات الفضائية. ولتكوين العديد من المواد يتطلَّب الأمر فهمًا كاملًا لمبادئ الروابط الكيميائية والمبادئ الرئيسية للتفاعلات الكيميائية، حيث إن اثنَين من هذه المفاهيم الأساسية — حفظ الكتلة وقانون النسب الثابتة — سيُناقَش فيما يلي.
