نیروهای وان‌در والس: نیروهای نامرئی در دنیای مولکول‌ها
نیروهای بین مولکولی: از پیوندهای قوی تا جاذبه‌های ضعیف
برای درک نیروهای وان‌در والس، ابتدا باید بدانیم که مولکول‌ها چگونه به یکدیگر متصل می‌شوند. پیوندهای شیمیایی قوی مانند پیوند کووالانسی۲، اتم‌ها را برای تشکیل مولکول‌ها به هم متصل می‌کنند. اما بین خود مولکول‌ها نیز نیروهای جاذبه‌ای وجود دارد که اگرچه ضعیف‌تر هستند، اما تأثیر بسیار مهمی بر خواص مواد دارند. این نیروهای بین مولکولی، نیروهای وان‌در والس نامیده می‌شوند.
یک مثال ساده: فرض کنید می‌خواهید یک تکه یخ را آب کنید. برای شکستن پیوندهای کووالانسی بین اتم‌های اکسیژن و هیدروژن در مولکول آب، به انرژی بسیار زیادی نیاز است. اما برای ذوب کردن یخ (تغییر حالت از جامد به مایع)، فقط باید نیروهای بین مولکولی ضعیف‌تری که مولکول‌های آب را در کنار هم نگه می‌دارند، شکسته شوند. این نیروهای ضعیف‌تر، همان نیروهای وان‌در والس هستند.
انواع نیروهای وان‌در والس و منشأ آن‌ها
نیروهای وان‌در والس خود به چند نوع تقسیم می‌شوند که همه آن‌ها ناشی از پدیده‌ای به نام دوقطبی۳ هستند. دوقطبی زمانی به وجود می‌آید که در یک مولکول یا ابر الکترونی، مرکز بار مثبت و مرکز بار منفی بر هم منطبق نباشند و مولکول یک سر کمی مثبت و سر دیگر کمی منفی پیدا کند.
| نوع نیرو | شرح | مثال |
|---|---|---|
| نیروهای دوقطبی-دوقطبی۴ | این نیرو بین مولکول‌های دوقطبی دائمی ایجاد می‌شود. سر مثبت یک مولکول، سر منفی مولکول مجاور را جذب می‌کند. | مولکول آب (H2O) یک دوقطبی دائمی است. نیروی بین مولکول‌های آب از این نوع است. |
| نیروهای دوقطبی القایی۵ | یک مولکول با دوقطبی دائمی می‌تواند در ابر الکترونی یک مولکول غیرقطبی مجاور، یک دوقطبی موقت القا کند و آن را جذب نماید. | حلال‌های قطبی مانند استون می‌توانند مولکول‌های غیرقطبی مانند چربی را در خود حل کنند. |
| نیروهای پراکندگی لاندن۶ | مهم‌ترین و جهانی‌ترین نوع. در تمام مولکول‌ها، حتی غیرقطبی‌ها، به دلیل حرکت دائمی الکترون‌ها، دوقطبی‌های لحظه‌ای ایجاد می‌شود که می‌توانند مولکول‌های مجاور را القا کنند. | گازهای نجیب مانند نئون یا مولکول‌های متقارن مانند N2 و CH4 تنها به این نیروها متراکم می‌شوند. |
برای درک پراکندگی لاندن، یک کلاس درس شلوغ را تصور کنید. اگر از بالا نگاه کنید، دانش‌آموزان به طور یکنواخت در کلاس پخش شده‌اند (مثل ابر الکترونی در یک مولکول غیرقطبی). اما اگر لحظه‌ای خاص را در نظر بگیرید، ممکن است چند دانش‌آموز در یک گوشه جمع شوند و در گوشه‌ای دیگر فضای خالی ایجاد شود (ایجاد دوقطبی لحظه‌ای). این "به هم خوردن تراکم" در یک نقطه، به طور لحظه‌ای روی نقطه کناری اثر می‌گذارد (القای دوقطبی) و یک جاذبه موقت ایجاد می‌کند.
نیروهای وان‌در والس در عمل: از پایه‌های حیات تا فناوری‌های نوین
این نیروهای به ظاهر ضعیف، در پدیده‌های بیشماری در اطراف ما نقش دارند. ساختار سه‌بعدی پروتئین‌ها و DNA که پایه‌های حیات هستند، تا حد زیادی توسط برهمکنش‌های وان‌در والس بین بخش‌های مختلف مولکول‌های بزرگ تثبیت می‌شود. در دنیای جانوران، پای گکو۷ یک شاهکار مهندسی طبیعت است. موهای ریز روی پای این مارمولک، آنقدر به سطح اجسام نزدیک می‌شوند که نیروهای پراکندگی لاندن بین اتم‌های موها و اتم‌های سطح، جاذبه کافی برای راه رفتن روی سقف ایجاد می‌کند.
در صنعت، از این نیروها در ساخت میکروسکوپ نیروی اتمی۸ استفاده می‌شود. نوک بسیار تیز این میکروسکوپ، به سطح نمونه نزدیک می‌شود و تغییرات نیروهای وان‌در والس بین نوک و اتم‌های سطح، برای نقشه‌برداری از ناهمواری‌های سطح در مقیاس اتمی استفاده می‌شود. حتی چسبیدن گرد و غبار به صفحه نمایش گوشی شما نیز به لطف همین نیروهاست!
$ U(r) = -\frac{C}{r^6} $
که در آن U انرژی پتانسیل، r فاصله بین دو ذره و C یک ثابت است. علامت منفی نشان‌دهنده ماهیت جاذبه‌ای این نیرو است.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاورقی
۱ Van der Waals Forces (به افتخار یوهانس دیدریک وان در والس، فیزیکدان هلندی)
۲ Covalent Bond
۳ Dipole
۴ Dipole-Dipole Forces
۵ Dipole-Induced Dipole Forces
۶ London Dispersion Forces (به افتخار فریتس لاندن، فیزیکدان آلمانی-آمریکایی)
۷ Gecko Foot
۸ Atomic Force Microscope (AFM)
۹ Polarizability