نیروی بین مولکولی : نیروی جاذبه یا دافعه بین مولکولهای مواد
مقدمه: جهان نامرئی بین مولکولها
اگر به یک لیوان آب، یک قطعه یخ یا هوایی که تنفس میکنیم نگاه کنید، همه آنها از ذرات ریزی به نام مولکول ساخته شدهاند. این مولکولها به طور دائم در حال حرکت و لرزش هستند. اما چه چیزی آنها را در کنار هم نگه میدارد یا برعکس، به آنها اجازه میدهد از هم فاصله بگیرند؟ پاسخ در نیروهای بین مولکولی نهفته است. این نیروها، برهمکنشهای الکتریکی ضعیفتری نسبت به پیوندهای شیمیایی قوی درون خود مولکولها (مانند پیوند کووالانسی10) هستند، اما تأثیر آنها بر خواص مواد بسیار شگفتانگیز است.
انواع نیروهای بین مولکولی از ضعیف تا قوی
نیروهای بین مولکولی را میتوان بر اساس ماهیت مولکولها به سه دستهی اصلی تقسیم کرد. این نیروها از ضعیف به قوی مرتب شدهاند و قدرت آنها مستقیماً بر خواص فیزیکی ماده تأثیر میگذارد.
| نام نیرو | نوع مولکولهای درگیر | منشأ نیرو | مثال ساده | قدرت نسبی |
|---|---|---|---|---|
| نیروهای لاندن (پراکندگی) | همهی مولکولها (غیرقطبی11 و قطبی12) | ایجاد لحظهای دوقطبی ناشی از حرکت الکترونها | مایع شدن گازهای نجیب مثل نئون، چسبندگی تکههای پلاستیک فوم | ضعیف |
| برهمکنش دوقطبی-دوقطبی | مولکولهای قطبی دائمی | جاذبه بین سر مثبت یک مولکول و سر منفی مولکول مجاور | خواص کلرید هیدروژن (HCl) مایع | متوسط |
| پیوند هیدروژنی | مولکولهای دارای H متصل به اتمهای بسیار الکترونگاتیو13 (F, O, N) | جاذبه قوی بین اتم H با بار جزئی مثبت و اتم الکترونگاتیو با بار جزئی منفی | ساختار منحصر به فرد یخ، نقطه جوش بالای آب، ساختار DNA | قوی (در میان نیروهای بین مولکولی) |
برای درک نیروهای لاندن، یک مولکول غیرقطبی مانند نئون (Ne) را در نظر بگیرید. در یک لحظه، ابر الکترونی ممکن است به یک سمت مولکول متمایل شود و یک دوقطبی لحظهای ایجاد کند. این دوقطبی میتواند در مولکول مجاور خود یک دوقطبی القایی ایجاد کند و یک جاذبه ضعیف و زودگذر بین آنها پدید آید. هرچه مولکول بزرگتر و الکترونهای آن آزادتر باشد، نیروهای لاندن قویترند.
$ \text{پیوند کووالانسی قوی} (100-1000 \, \text{kJ/mol}) \gg \text{پیوند هیدروژنی} (10-40 \, \text{kJ/mol}) > \text{دوقطبی-دوقطبی} (5-20 \, \text{kJ/mol}) > \text{نیروهای لاندن} (0.1-10 \, \text{kJ/mol}) $
تأثیر نیروهای بین مولکولی بر حالتهای ماده
تفاوت بین جامد، مایع و گاز را میتوان با ترازوی انرژی جنبشی مولکولها (میل به حرکت و پراکندگی) و انرژی پتانسیل ناشی از نیروهای بین مولکولی (میل به جذب و نزدیکی) توضیح داد.
• گازها: انرژی جنبشی مولکولها بسیار بیشتر از انرژی جاذبهی بین مولکولی است. بنابراین مولکولها آزادانه حرکت کرده و فضای موجود را پر میکنند. نیروهای بین مولکولی در گازهای ایدهآل ناچیز در نظر گرفته میشوند.
• مایعات: انرژی جنبشی و انرژی جاذبه بین مولکولی قابل مقایسه هستند. مولکولها میتوانند بر کنار هم بلغزند، اما نمیتوانند از هم جدا شوند. این همان چیزی است که به مایع حجم معین میدهد اما شکل معین نمیدهد.
• جامدات: انرژی جاذبه بین مولکولی غالب است و انرژی جنبشی فقط به لرزش مولکولها در مکان ثابت خود (حول نقطهی تعادل) محدود میشود. این امر شبکهای منظم و سخت را ایجاد میکند.
مثال: آب. در حالت یخ (جامد)، پیوندهای هیدروژنی قوی مولکولهای آب را در یک ساختار کریستالی باز و منظم قرار میدهند (به همین دلیل یخ چگالی کمتری از آب مایع دارد). با دریافت گرما (افزایش انرژی جنبشی)، برخی از این پیوندها شکسته میشوند و مولکولها میتوانند بلغزند و وارد فاز مایع شوند. با گرمایش بیشتر، انرژی جنبشی آن قدر زیاد میشود که بر تمام نیروهای جاذبه غلبه کرده و مولکولها به صورت بخار آب (گاز) آزاد میشوند.
نمایش قدرت این نیروها در پدیدههای روزمره
این نیروهای نامرئی را میتوان در آزمایشهای ساده مشاهده و لمس کرد:
۱. کشش سطحی و شکل قطرهها: مولکولهای درون یک مایع از همه طرف توسط مولکولهای دیگر احاطه شدهاند و نیروهای جاذبه بر آنها از همه جهات وارد میشود. اما مولکولهای سطحی فقط از پایین و کنار همسایه دارند. این عدم تقارن، یک نیروی خالص به سمت درون ایجاد میکند که سطح مایع مانند یک پردهی کشیده رفتار میکند. این همان کشش سطحی است. به همین دلیل است که سوزن فولادی روی آب شناور میماند یا حشرات آبزی میتوانند روی آب راه بروند. قطره آب نیز به دلیل کشش سطحی و تلاش برای کمینه کردن سطح خود، شکلی کروی به خود میگیرد.
۲. مویینگی14: پدیدهای که در آن مایع در لولههای بسیار باریک (مویرگ) بالا میرود یا پایین میرود. این اتفاق به دلیل برهمکنش نیروهای چسبندگی (جاذبه بین مولکولهای مایع و دیوارهی جامد) و نیروهای پیوستگی15 (جاذبه بین مولکولهای خود مایع) رخ میدهد. جذب آب توسط دستمال کاغذی یا بالا آمدن آب در ساقهی گیاهان نمونههای بارز مویینگی هستند.
۳. نقطه جوش و ذوب: هرچه نیروهای بین مولکولی در یک ماده قویتر باشد، برای جدا کردن مولکولها از هم (تبدیل مایع به گاز) یا غلبه بر نظم جامد (تبدیل جامد به مایع) به انرژی گرمایی بیشتری نیاز است. به همین دلیل است که آب (H₂O) با پیوند هیدروژنی قوی در دمای ۱۰۰ درجه سلسیوس میجوشد، در حالی که سولفید هیدروژن (H₂S) که پیوند هیدروژنی ضعیفتری دارد، در دمای -۶۰ درجه سلسیوس میجوشد.
پرسشهای متداول و باورهای نادرست
پاورقی
1 Intermolecular Forces (IMFs) – 2 State of Matter – 3 Boiling Point – 4 Melting Point – 5 Adhesion – 6 Surface Tension – 7 London Dispersion Forces – 8 Hydrogen Bonding – 9 Dipole-Dipole Interaction – 10 Covalent Bond – 11 Nonpolar Molecule – 12 Polar Molecule – 13 Electronegative – 14 Capillary Action – 15 Cohesion
