جاذبه بین مولکولی: نیروی نامرئی که جهان را سرپا نگه داشته است
مولکولها و نیروهای نامرئی میان آنها
همه مواد از ذرات ریزی به نام مولکول ساخته شدهاند. این مولکولها مانند آجرهای ساختمان جهان هستند. اما سوال اینجاست: چه چیزی این آجرها را کنار هم نگه میدارد؟ پاسخ، جاذبه بین مولکولی است. این نیروها مانند دستهای نامرئی هستند که مولکولها را به سوی یکدیگر میکشند و باعث تشکیل مواد مختلف میشوند. قدرت این دستهای نامرئی در مواد مختلف، متفاوت است و همین تفاوت، حالت فیزیکی مواد (جامد، مایع یا گاز) را تعیین میکند.
به عنوان مثال، در یک قطعه یخ، مولکولهای آب توسط جاذبههای نسبتاً قوی به هم چسبیدهاند و در جای خود ثابت هستند (جامد). وقتی یخ ذوب میشود، این نیروها کمی ضعیفتر میشوند و مولکولها میتوانند روی هم بلغزند (مایع). با جوشیدن آب و تبدیل به بخار، مولکولها انرژی زیادی کسب میکنند و تقریباً از چنگال این نیروهای جاذبه میگریزند و آزادانه در فضا پراکنده میشوند (گاز).
انواع جاذبه بین مولکولی: از ضعیف تا قوی
جاذبه بین مولکولی انواع مختلفی دارد. در جدول زیر سه نوع اصلی آن مقایسه شدهاند:
| نام نیرو | میزان قدرت نسبی | شرح و مثال ساده |
|---|---|---|
| نیروی پراکندگی لاندن (ون در والس)[3] | ضعیفترین | در همه مولکولها (حتی خنثی) وجود دارد. به دلیل حرکت الکترونها، لحظهای قطبیت در مولکول ایجاد میشود و مولکول مجاور را جذب میکند. مثال: چسبیدن مولکولهای گاز نجیب He به هم در دمای بسیار پایین یا چربیهای جامد. |
| برهمکنش دوقطبی-دوقطبی[4] | متوسط | بین مولکولهای دوقطبی دائمی رخ میدهد (مولکولی که یک سر آن کمی مثبت و سر دیگر کمی منفی است). سر مثبت یک مولکول، سر منفی مولکول دیگر را جذب میکند. مثال: رفتار مولکولهای HCl. |
| پیوند هیدروژنی[2] | قویترین نوع (ولی باز هم ضعیفتر از پیوند کووالانسی) | یک مورد خاص و قوی از برهمکنش دوقطبی-دوقطبی. وقتی هیدروژن به اتمی بسیار الکترونگاتیو مانند O، N یا F وصل باشد رخ میدهد. مثال: شبکه منسجم مولکولهای آب ($H_2O$)، ساختار DNA. |
فرمول کلی برای نیروی واندروالسی را میتوان به صورت وابسته به فاصله نشان داد: $F \propto \frac{1}{r^6}$ که در آن $F$ نیرو و $r$ فاصله بین مراکز مولکولها است. این رابطه نشان میدهد با افزایش فاصله، نیرو به شدت کاهش مییابد.
تأثیر جاذبه بین مولکولی بر خواص مواد
قدرت نیروهای بین مولکولی، مستقیماً بر خواص فیزیکی مواد تأثیر میگذارد. هرچه این نیروها قویتر باشند، جداسازی مولکولها از هم سختتر است و ماده خواص متفاوتی نشان میدهد.
مثلاً نقطه جوش و ذوب: برای جوشیدن یک مایع، باید انرژی کافی به مولکولها بدهیم تا بر نیروهای جاذبه بین مولکولی غلبه کنند و از سطح مایع بگریزند. بنابراین، مایعاتی با جاذبه بین مولکولی قویتر (مانند آب با پیوند هیدروژنی)، نقطه جوش بالاتری نسبت به مایعات با جاذبه ضعیفتر (مانند الکل یا بنزین) دارند. برای ذوب یک جامد نیز داستان مشابه است.
خواص دیگر مانند گرانروی (غلظت مایع)، کشش سطحی (تشکیل قطرات) و قابلیت تر شدن نیز به این نیروها وابسته هستند. کشش سطحی بالا در آب که باعث میشود حشرات بتوانند روی آن راه بروند، نتیجه همان پیوندهای هیدروژنی قوی بین مولکولهای سطح آب است.
جاذبه بین مولکولی در کار و زندگی: نمونههای ملموس
این نیروهای نامرئی در اطراف ما و در فعالیتهای روزمره کاملاً حضور دارند:
۱. چسبها و چسبندگی: کار چسب این است که بین دو سطح، پیوندهای بین مولکولی قوی ایجاد کند. چسب مولکولهای خود را به مولکولهای سطح میچسباند و به این ترتیب دو قطعه را به هم متصل میکند. قدرت یک چسب به قدرت جاذبهای که بین مولکولهای آن و سطح مورد نظر برقرار میکند، بستگی دارد.
۲. رنگها: برای اینکه رنگ به دیوار بچسبد و پس از خشک شدن پوسته نشود، مولکولهای رنگ باید با مولکولهای سطح دیوار (گچ، سیمان) نیروهای بین مولکولی مناسبی برقرار کنند.
۳. عمل شستوشو با صابون: مولکول صابون یک سر آبدوست[5] (جذب کننده آب) و یک سر آبگریز[6] (جذب کننده چربی) دارد. سر آبگریز با ایجاد نیروهای واندروالسی با چربی کثیفی پیوند میخورد و سر آبدوست با مولکولهای آب پیوند هیدروژنی برقرار میکند. این کار باعث محاصله چربی و شسته شدن آن میشود.
۴. ساختار DNA و پروتئینها: پیوندهای هیدروژنی نقش حیاتی در حفظ ساختار مارپیچ دوگانه DNA و شکل سهبعدی پروتئینها ایفا میکنند. این شکل خاص برای عملکرد درست آنها ضروری است.
پرسشهای رایج و تصورات نادرست
پاسخ: خیر. نیرویی که ما را روی زمین نگه میدارد، جاذبه گرانشی است که بین اجسام به دلیل جرم آنها ایجاد میشود. جاذبه بین مولکولی نیرویی در مقیاس بسیار کوچک (مقیاس مولکولی) است و از مکانیزم کاملاً متفاوتی ناشی میشود.
پاسخ: بله، وجود دارد اما بسیار ضعیف است. مولکولهای گاز به دلیل داشتن انرژی جنبشی بالا و فاصله زیاد از هم، اغلب بر این نیروهای ضعیف غلبه کردهاند و آزادانه حرکت میکنند. اما در دماهای بسیار پایین یا تحت فشار بالا، همین نیروهای ضعیف باعث مایع یا حتی جامد شدن گازها میشوند.
پاسخ: کاملاً مرتبط است. مولکولهای آب به دلیل قطبی بودن و تشکیل پیوند هیدروژنی، جاذبه قوی به هم دارند. مولکولهای روغن غیرقطبی هستند و تنها نیروهای واندروالسی ضعیف بین آنها برقرار است. نیروی جاذبه بین مولکولهای آب با هم، بسیار قویتر از نیروی جاذبه بین مولکولهای آب و روغن است. بنابراین مولکولهای آب ترجیح میدهند کنار هم بمانند و مولکولهای روغن را به حاشیه برانند.
پاورقی و معادلهای انگلیسی
[1]جاذبه بین مولکولی (Intermolecular Forces - IMFs): نیروهای جاذبهای که بین مولکولهای مجاور یک ماده عمل میکنند.
[2]پیوند هیدروژنی (Hydrogen Bonding): یک برهمکنش جاذبهای قوی بین اتم هیدروژن متصل به یک اتم بسیار الکترونگاتیو (مانند F، O، N) در یک مولکول و یک جفت الکترون تنهای اتم الکترونگاتیو دیگر در مولکول مجاور.
[3]نیروی واندروالسی یا پراکندگی لاندن (van der Waals Forces / London Dispersion Forces): ضعیفترین نوع نیروی بین مولکولی که به دلیل ایجاد لحظهای دوقطبی در ابر الکترونی مولکولها به وجود میآید و در همه مواد وجود دارد.
[4]برهمکنش دوقطبی-دوقطبی (Dipole-Dipole Interactions): نیروی جاذبه بین انتهای مثبت یک مولکول دوقطبی دائمی و انتهای منفی مولکول دوقطبی مجاور.
[5]آبدوست (Hydrophilic): به معنای «آبدوست» است و به موادی گفته میشود که جذب مولکولهای آب میشوند.
[6]آبگریز (Hydrophobic): به معنای «آبگریز» است و به موادی گفته میشود که از آب دوری میکنند و جذب مولکولهای آب نمیشوند.
