هم‌چسبی: نیروی جاذبه بین مولکول‌های یک ماده

هم‌چسبی: نیروی جاذبه بین مولکول‌های یک ماده

هم‌چسبی چیست و چرا مهم است؟

همه‌ی مواد از ذرات ریزی به نام مولکول^[2] ساخته شده‌اند. این مولکول‌ها ثابت نیستند؛ آن‌ها دائماً در حال جنبش و لرزش هستند. اما سؤال اینجاست: اگر مولکول‌ها از هم فاصله بگیرند، چه چیزی مانع از متلاشی شدن کامل مواد می‌شود؟ پاسخ در نیروهای جاذبه‌ای نهفته است که مانند چسب نامرئی عمل می‌کنند. به نیروی جاذبه‌ای که بین مولکول‌های یکسان یک ماده وجود دارد، هم‌چسبی می‌گوییم. این نیرو مقابل نیروی ناهم‌چسبی^[3] (جاذبه بین مولکول‌های ناهمسان) قرار می‌گیرد.

به عنوان یک مثال ساده، قطره‌های آب روی یک برگ را در نظر بگیرید. مولکول‌های آب به شدت به یکدیگر جذب می‌شوند (هم‌چسبی قوی) و ترجیح می‌دهند کنار هم بمانند و قطره‌ای گرد تشکیل دهند، تا اینکه بر روی سطح برگ پخش شوند (که نشان‌دهنده‌ی ناهم‌چسبی ضعیف بین آب و برگ است).

انواع نیروهای بین مولکولی و شدت هم‌چسبی

نیروی هم‌چسبی خود به چند نیروی بنیادی‌تر تقسیم می‌شود. نوع و قدرت این نیروها، حالت فیزیکی ماده (جامد، مایع، گاز) و خواصی مانند نقطه جوش و انجماد را تعیین می‌کند.

فرمول ساده‌ای برای محاسبه‌ی انرژی این نیروها وجود ندارد، اما به طور کلی می‌توان گفت هرچه جرم مولی^[7] ماده بیشتر باشد یا مولکول‌ها قطبی‌تر باشند، نیروهای هم‌چسبی قوی‌تر خواهند بود. برای مثال، نقطه جوش آب ($100^{\circ}C$) به دلیل پیوند هیدروژنی قوی بسیار بالاتر از نقطه جوش سولفید هیدروژن ($H_2S$) با جرم مولی بیشتر اما بدون پیوند هیدروژنی قوی ($-60^{\circ}C$) است.

هم‌چسبی در سه حالت ماده: جامد، مایع و گاز

قدرت نسبی نیروهای هم‌چسبی در مقایسه با انرژی جنبشی مولکول‌ها، حالت فیزیکی ماده را تعیین می‌کند.

در جامدات: نیروهای هم‌چسبی بسیار قوی هستند. مولکول‌ها به‌طور منظم و نزدیک به هم چیده شده‌اند و فقط می‌توانند در جای خود بلرزند (حرکت ارتعاشی). به همین دلیل جامدات شکل و حجم معینی دارند. مثال: یک میله آهنی.

در مایعات: نیروهای هم‌چسبی قوی هستند، اما نه به اندازه‌ی جامدات. مولکول‌ها می‌توانند روی هم بلغزند و جریان پیدا کنند (حرکت انتقالی)، اما هنوز هم به اندازه‌ی کافی به هم نزدیک هستند که حجم ماده ثابت بماند. مایعات شکل ظرف خود را می‌گیرند اما حجمشان تغییر نمی‌کند. مثال: آب در یک لیوان.

در گازها: نیروهای هم‌چسبی بسیار ضعیف هستند. مولکول‌ها انرژی جنبشی بالایی دارند و به سرعت و به طور تصادفی در همه‌ی جهت‌ها حرکت می‌کنند و از هم فاصله زیادی می‌گیرند. گازها نه شکل معینی دارند و نه حجم معین؛ آن‌ها کاملاً پراکنده می‌شوند و ظرف خود را پر می‌کنند. مثال: هوای داخل یک بادکنک.

نمایش عینی هم‌چسبی: از کشش سطحی تا لوله‌های مویین

هم‌چسبی تنها یک مفهوم تئوری نیست؛ پدیده‌های جذاب و قابل مشاهده‌ای در اطراف ما وجود دارند که مستقیماً ناشی از آن هستند.

کشش سطحی یکی از واضح‌ترین مثال‌هاست. مولکول‌های درون یک مایع از همه طرف توسط مولکول‌های دیگر احاطه شده‌اند و نیروهای جاذبه برآیند صفر دارند. اما مولکول‌های سطحی فقط از پایین و اطراف جذب می‌شوند. این عدم تقارن، یک نیروی خالص به سمت درون مایع ایجاد می‌کند که باعث می‌شود سطح مایع مانند یک پوستۀ کشیده رفتار کند. حشره‌ی پا‌لغز می‌تواند روی آب راه برود یا یک سوزن با احتیاط روی آب شناور بماند، همه به دلیل کشش سطحی ناشی از هم‌چسبی قوی بین مولکول‌های آب است.

پدیده‌ی لوله‌های مویین^[8] نیز ترکیبی از هم‌چسبی و ناهم‌چسبی است. وقتی یک لوله‌ی بسیار باریک (مویینه) را در یک مایع قرار می‌دهیم، اگر نیروی ناهم‌چسبی بین مایع و جداره لوله قوی باشد (مانند آب و شیشه)، مایع در لوله بالا می‌آید. هم‌چسبی بین مولکول‌های مایع باعث می‌شود ستون مایع به صورت یکپارچه بالا کشیده شود. این پدیده عامل بالا آمدن آب از ریشه به سمت برگ‌های درختان بلند است.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

^[1] هم‌چسبی (Cohesion): نیروی جاذبه بین مولکول‌های مشابه.
^[2] مولکول (Molecule): کوچک‌ترین ذره‌ی یک ماده خالص که خواص آن ماده را دارد.
^[3] ناهم‌چسبی (Adhesion): نیروی جاذبه بین مولکول‌های ناهمسان یا متفاوت.
^[4] پیوند هیدروژنی (Hydrogen Bond): نوعی نیروی جاذبه‌ی بین‌مولکولی قوی.
^[5] برهم‌کنش دوقطبی-دوقطبی (Dipole-Dipole Interaction): جاذبه بین مولکول‌های قطبی.
^[6] نیروهای لاندن (London Dispersion Forces): نیروهای جاذبه‌ی ضعیف و لحظه‌ای بین همه‌ی مولکول‌ها.
^[7] جرم مولی (Molar Mass): جرم یک مول از یک ماده (بر حسب گرم بر مول).
^[8] لوله‌های مویین (Capillary Tubes): لوله‌های بسیار باریک.
^[9] گرانروی (Viscosity): اصطلاح علمی برای غلظت یا مقاومت مایع در برابر جریان.
^[10] گرمای نهان تبخیر (Latent Heat of Vaporization): انرژی لازم برای تبخیر یک واحد جرم از مایع در نقطه جوش.