نیروی واندروالسی: چسب نامرئی طبیعت
دنیای مولکولها و نیروهای نامرئی
همهی مواد از ذرات ریزی به نام مولکول2 یا اتم3 ساخته شدهاند. این ذرات به ظاهر ساکن نیستند و با یکدیگر در تعاملند. دو نوع اصلی نیرو بین مولکولی وجود دارد: پیوندهای شیمیایی قوی (مانند پیوند کووالانسی که اتمها را در یک مولکول به هم میچسباند) و برهمکنشهای بین مولکولی ضعیفتر. نیروی واندروالسی جزو دسته دوم است. این نیرو همان چیزی است که مولکولهای مجاور را - حتی اگر با پیوند قوی به هم وصل نباشند - به اندازهی کافی به یکدیگر نزدیک نگه میدارد تا مواد به صورت مایع یا جامد درآیند.
منشأ نیروی واندروالسی: دوقطبیهای موقتی و دائمی
ریشهی این نیرو به توزیع نامتوازن بار الکتریکی در مولکولها برمیگردد. یک مولکول خنثی از نظر کلی دارای بار مثبت (پروتونها) و منفی (الکترونها) است. اگر در یک لحظه، الکترونها بیشتر در یک سمت مولکول جمع شوند، آن سمت کمی منفی و سمت مقابل کمی مثبت میشود. به این پدیده دوقطبی لحظهای4 میگویند.
در برخی مولکولها مانند آب ($H_2O$)، به دلیل اختلاف الکترونگاتیوی5 بین اتمها، دوقطبی دائمی وجود دارد. برهمکنش بین دوقطبیهای دائمی (که به آن نیروی دوقطبی-دوقطبی میگویند) قویتر از برهمکنش دوقطبیهای لحظهای است، اما هر دو در دستهی کلی نیروهای واندروالسی قرار میگیرند.
| نوع برهمکنش | شرح | مثال | قدرت نسبی |
|---|---|---|---|
|
نیروی لاندن (پراکندگی) همهی مولکولها |
ناشی از ایجاد دوقطبیهای لحظهای و القای آن در مولکولهای مجاور. تنها نیروی بین مولکولی در مولکولهای کاملاً غیرقطبی. | گازهای نجیب، $O_2$, $N_2$, $CH_4$ | ضعیفترین |
|
نیروی دوقطبی-دوقطبی مولکولهای قطبی |
ناشی از جذب انتهای مثبت یک مولکول قطبی به انتهای منفی مولکول قطبی دیگر. | آب ($H_2O$)، کلرید هیدروژن ($HCl$) | متوسط |
|
پیوند هیدروژنی6 نوع خاص و قوی |
نوع ویژهای از نیروی دوقطبی-دوقطبی قوی که وقتی رخ میدهد که هیدروژن به اتمهای بسیار الکترونگاتیو (مانند F، O، N) متصل باشد. | آب، DNA، پروتئینها، آمونیاک ($NH_3$) | قویترین در این دسته |
چرا نیروی واندروالسی در نقطه جوش و انجماد مهم است؟
برای تغییر حالت یک ماده (مثلاً از مایع به گاز)، باید نیروهای بین مولکولی غلبه کنند. هرچه این نیروها قویتر باشند، انرژی بیشتری (گرمای بیشتری) برای جدا کردن مولکولها از هم نیاز است. به همین دلیل است که نقطه جوش آب (100 درجه سانتیگراد) به دلیل پیوند هیدروژنی قوی، بسیار بالاتر از نقطه جوش متان (-161 درجه) با نیروهای لاندن ضعیف است. حتی در یک خانواده از مولکولهای غیرقطبی مانند آلکانها، با افزایش اندازه مولکول و تعداد الکترونها، نیروهای لاندن قویتر شده و نقطه جوش و انجماد بالا میرود. مثلاً پروپان ($C_3H_8$) در دمای اتاق گاز است، اما اکتان ($C_8H_{18}$) مایع است.
نیروی واندروالسی در عمل: از خانه تا زیستشناسی
این نیرو تنها یک مفهوم تئوری نیست، بلکه در اطراف ما حضور فعال دارد. هنگامی که یک حشرهی آبرو7 روی سطح آب راه میرود، وزن آن به دلیل کشش سطحی (حاصل از نیروهای واندروالسی بین مولکولهای آب) تحمل میشود. چسبندگی بین مولکولهای آب و دیوارهی باریک یک لوله مویین باعث میشود آب در مقابل جاذبه زمین بالا بیاید (پدیدهی مویینگی). این همان نیرویی است که آب و مواد معدنی را از ریشه به بالاترین برگهای درختان غولپیکر میرساند.
در زندگی روزمره، وقتی یک نوار چسب را از روی سطح میکنید، نیروهای واندروالسی بین مولکولهای چسب و سطح، عامل چسبیدن است. حتی توانایی مارمولکها برای راه رفتن روی سطوح عمودی و سقف نیز به برهمکنشهای واندروالسی بین موهای ریز پای آنها و سطح نسبت داده میشود.
در سطح مولکولی، ساختار مارپیچ دوگانه DNA و شکل سهبعدی پروتئینها که برای عملکرد آنها حیاتی است، توسط پیوندهای هیدروژنی (نوعی نیروی واندروالسی قوی) تثبیت میشوند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. این یک اشتباه رایج است. پیوندهای شیمیایی (مانند کووالانسی یا یونی) بسیار قویتر هستند و ساختار داخلی مولکولها را میسازند. نیروی واندروالسی ضعیفتر است و مولکولهای مجاور و مستقل را در حالتهای مایع و جامد کنار هم نگه میدارد. برای شکستن یک پیوند شیمیایی انرژی بسیار بیشتری نسبت به غلبه بر نیروی واندروالسی نیاز است.
پاسخ: ضعیف بودن به معنای بیاهمیت بودن نیست. این نیروها جمعپذیر هستند. در یک قطره آب کوچک، میلیاردها میلیارد مولکول وجود دارد و هر مولکول با چندین مولکول مجاور برهمکنش ضعیف دارد. جمع این برهمکنشهای ضعیف، نیروی کلی بسیار مؤثری ایجاد میکند که توانایی نگه داشتن قطرات آب، تحمل وزن حشره آبرو و بالا بردن آب در درختان را دارد.
پاسخ: دقیقاً. مولکولهای آب قطبی هستند و با پیوند هیدروژنی قوی به یکدیگر جذب میشوند. مولکولهای روغن (مانند هگزان) معمولاً غیرقطبی هستند و با نیروهای لاندن ضعیفتر به هم جذب میشوند. هنگامی که این دو مایع با هم تماس پیدا میکنند، مولکولهای آب ترجیح میدهند با یکدیگر بمانند (چون برهمکنش قویتری دارند) و مولکولهای روغن را بیرون میرانند. به این پدیده جدایی فاز8 میگویند که نتیجهی تفاوت در قدرت و نوع نیروهای واندروالسی است.
پاورقی
۱. نیروی واندروالسی (van der Waals force): به افتخار فیزیکدان هلندی، یوهانس دیدریک واندروالس.
۲. مولکول (Molecule): کوچکترین واحد یک ماده شیمیایی خالص که تمام خواص آن ماده را حفظ میکند.
۳. اتم (Atom): کوچکترین واحد تشکیلدهنده یک عنصر شیمیایی.
۴. دوقطبی لحظهای (Instantaneous dipole): توزیع نابرابر لحظهای بار الکتریکی در یک اتم یا مولکول خنثی.
۵. الکترونگاتیوی (Electronegativity): معیاری از توانایی یک اتم برای جذب الکترونهای پیوندی به سوی خود.
۶. پیوند هیدروژنی (Hydrogen bond): برهمکنش جاذبهای قوی بین یک اتم هیدروژن متصل به اتم الکترونگاتیو (مانند F، O، N) و یک جفت الکترون تنها بر روی یک اتم الکترونگاتیو دیگر.
۷. حشره آبرو (Water strider): حشرهای که به دلیل کشش سطحی آب میتواند روی سطح آن راه برود.
۸. جدایی فاز (Phase separation): جداشدن یک مخلوط ناهمگن به فازهای مجزا، مانند جدا شدن روغن و آب.
