نیروی ربایش بین مولکولها: کلید راز نقطه جوش
نیروهای بین مولکولی: چسب نامرئی جهان
همه مواد از ذرات ریزی به نام مولکول6 ساخته شدهاند. این مولکولها مانند آهنرباهای بسیار کوچکی هستند که همدیگر را جذب میکنند. این نیروی جاذبه را نیروی بین مولکولی مینامیم. برای اینکه یک مایع بجوشد و به گاز تبدیل شود، باید انرژی کافی به آن بدهیم تا مولکولها بتوانند بر این نیروی چسبندگی غلبه کرده و از هم جدا شوند. پس هر چه این چسب قویتر باشد، برای جدا کردن مولکولها نیاز به انرژی گرمایی بیشتری داریم که یعنی نقطه جوش بالاتر.
انواع نیروهای ربایش بین مولکولی
این نیروها بسته به نوع مولکولها، قدرتهای مختلفی دارند. سه نوع اصلی را میتوانیم به ترتیب قدرت بررسی کنیم:
| نام نیرو | توضیح | مثال ملموس | تأثیر بر نقطه جوش |
|---|---|---|---|
| پراکندگی لندن7 | ضعیفترین نوع. به علت حرکت الکترونها و ایجاد لحظهای قطب مثبت و منفی در مولکول ایجاد میشود. در همه مولکولها وجود دارد. | چسبیدن مولکولهای گازهای نجیب به هم یا چربیهای جامد در دمای اتاق (مانند کره). | ضعیف؛ نقطه جوش پایین (مثل گازهای نجیب). |
| دوقطبی-دوقطبی8 | نیروی ربایش بین مولکولهای دارای قطب مثبت و منفی دائمی. قویتر از نیروی پراکندگی لندن. | جاذبه بین مولکولهای $HCl$ یا استون9 (پاککننده لاک ناخن). | متوسط؛ نقطه جوش بالاتر از مواد غیرقطبی با جرم مشابه. |
| پیوند هیدروژنی | مخصوص و بسیار قوی. زمانی رخ میدهد که اتم هیدروژن به اتم های بسیار الکترونگاتیو10 مانند نیتروژن، اکسیژن یا فلوئور متصل باشد. | چسبندگی مولکولهای آب $(H_2O)$ به هم. دلیل نقطه جوش بالای غیرمنتظره آب نسبت به مولکولهای مشابه. | خیلی قوی؛ نقطه جوش بسیار بالا. مهمترین عامل |
نیروی بین مولکولی در زندگی روزمره: از پخت غذا تا میعان شبنم
این نیروهای نامرئی در اتفاقات سادهای که هر روز میبینیم نقش اصلی را دارند:
• پختن غذا: نقطه جوش روغن مایع (مانند روغن آفتابگردان) بسیار بالاتر از نقطه جوش آب است (بیش از 200 درجه سانتیگراد در مقابل 100 درجه). دلیل آن، وجود مولکولهای بزرگ و سنگین روغن است که نیروهای پراکندگی لندن قویای بین آنها برقرار است. به همین خاطر میتوانیم غذا را در روغن داغ سرخ کنیم بدون اینکه روغن به سرعت تبخیر شود.
• تبخیر عرق: وقتی عرق میکنیم، مولکولهای آب روی پوست ما، انرژی گرمایی بدن را جذب میکنند تا بر نیروهای بین مولکولی (پیوندهای هیدروژنی قوی) غلبه کرده و تبخیر شوند. این فرآیند، بدن را خنک میکند.
• شکل قطرات آب: نیروهای ربایش قوی بین مولکولهای آب (پیوند هیدروژنی) باعث میشود این مولکولها به شدت به هم بچسبند و قطراتی با سطح کشیده و گرد تشکیل دهند، نه اینکه به سرعت روی سطح پخش شوند.
• چسبندگی مرکب خودکار: مرکب خودکار باید به اندازهای رقیق باشد که بتواند از نوک خودکار عبور کند (نیروهای بین مولکولی نه خیلی قوی)، اما پس از نوشتن روی کاغذ به سرعت خشک شود. این اتفاق با تبخیر سریع بخشی از حلال11 (که معمولاً نقطه جوش پایینی دارد) و باقی ماندن رنگدانهها رخ میدهد.
پرسشهای مهم و اشتباهات رایج
پاسخ: خیر. این یک اشتباه رایج است. نوع نیروی بین مولکولی بسیار مهمتر از جرم است. یک مثال بارز، مقایسه آب $(H_2O)$ با جرم مولکولی 18 و گاز متان $(CH_4)$ با جرم مولکولی 16 است. اگر فقط جرم ملاک بود، متان باید نقطه جوش بالاتری میداشت. اما آب در 100°C میجوشد و متان در -161°C! دلیل این تفاوت عظیم، وجود پیوند هیدروژنی بسیار قوی در آب است در حالی که متان فقط نیروهای ضعیف پراکندگی لندن دارد.
پاسخ: زیرا نیروهای بین مولکولی در اتانول (که پیوند هیدروژنی ضعیفتری نسبت به آب دارد) ضعیفتر است. بنابراین مولکولهای اتانول راحتتر از مولکولهای آب جدا شده و تبخیر میشوند و نقطه جوش پایینتری (78°C) دارند. نقطه جوش پایین یا بالا ذاتاً بد یا خوب نیست؛ کاربرد ماده تعیین میکند کدام مناسبتر است. نقطه جوش پایین برای مواد ضدعفونیکننده (برای تبخیر سریع)، عطرها و سوختهای سریع (مانند بنزین) مفید است. نقطه جوش بالا برای روغن موتور (که باید در دمای بالا پایدار بماند) یا آب به عنوان خنککننده ضروری است.
پاسخ: نقطه جوش، دمایی است که فشار بخار مایع با فشار هوای اطراف (فشار اتمسفر) برابر میشود. در ارتفاعات بالا مانند کوهستان، فشار هوا کمتر است. بنابراین آب در فشار کمتر، نیاز ندارد تا فشار بخارش را خیلی بالا ببرد تا با فشار هوا برابر شود؛ در نتیجه در دمای پایینتری میجوشد (مثلاً در قله دماوند در حدود 85°C). در زودپز، با افزایش مصنوعی فشار، نقطه جوش آب بالا رفته و غذا سریعتر میپزد. این موضوع نشان میدهد نقطه جوش یک ثابت مطلق نیست و به فشار محیط بستگی دارد، اما قدرت نیروهای بین مولکولی است که اساس این دما را تعیین میکند.
پاورقی
1 نقطه جوش (Boiling Point): دمایی که در آن فشار بخار یک مایع با فشار اتمسفر برابر شده و جوشیدن در سراسر مایع آغاز میشود.
2 نیروهای بین مولکولی (Intermolecular Forces - IMF): نیروهای ربایشی که بین مولکولهای یک ماده وجود دارند. این نیروها ضعیفتر از پیوندهای شیمیایی درون مولکولی هستند.
3 ربایش (Attraction): نیروی جاذبه.
4 جرم مولکولی (Molecular Mass): مجموع جرم اتمهای تشکیلدهنده یک مولکول.
5 پیوند هیدروژنی (Hydrogen Bond): یک برهمکنش قوی بین مولکولی که بین اتم هیدروژن متصل به یک اتم الکترونگاتیو (مانند O, N, F) در یک مولکول و یک جفت الکترون تنها از یک اتم الکترونگاتیو در مولکول دیگر رخ میدهد.
6 مولکول (Molecule): کوچکترین ذره یک ماده خالص که خواص آن ماده را دارد و از اتمهایی که با پیوند شیمیایی به هم متصل شدهاند تشکیل میشود.
7 پراکندگی لندن (London Dispersion Forces): ضعیفترین نوع نیروی بین مولکولی که در اثر حرکت الکترونها و ایجاد دوقطبیهای لحظهای ایجاد میشود.
8 نیروهای دوقطبی-دوقطبی (Dipole-Dipole Forces): نیروهای ربایش بین مولکولهای قطبی دائمی.
9 استون (Acetone): یک حلال آلی با فرمول شیمیایی $C_3H_6O$.
10 الکترونگاتیوی (Electronegativity): میزان توانایی یک اتم برای جذب الکترونهای پیوندی به سوی خود.
11 حلال (Solvent): مایعی که قابلیت حل کردن مواد دیگر (حلشونده) را دارد.
