نیروهای واندروالس: نیروهای نامرئی میان مولکولها
پیوندهای بین مولکولی: از قوی تا ضعیف
برای درک نیروهای واندروالس، ابتدا باید بدانیم بین ذرات سازنده مواد چه برهمکنشهایی وجود دارد. پیوندهای شیمیایی مثل پیوند کووالانسی[6] (که اتمها را به هم میچسباند تا یک مولکول ساخته شود) بسیار قوی هستند. اما بین خود مولکولها نیز نیروهایی وجود دارد که آنها را در حالتهای مختلف ماده کنار هم نگه میدارد. این نیروهای بینمولکولی، از پیوندهای شیمیایی ضعیفترند. نیروهای واندروالس ضعیفترین نوع این نیروها هستند، اما تأثیر آنها همهجا دیده میشود.
ریشه نیروهای واندروالس: دوقطبیهای الکتریکی
کلید درک این نیروها، مفهوم "دوقطبی"[8] است. یک دوقطبی زمانی ایجاد میشود که در یک مولکول، بارهای مثبت و منفی به طور نابرابر توزیع شوند و یک سر مولکول کمی مثبت و سر دیگر کمی منفی شود (مثل آهنربا که دو قطب دارد). به چنین مولکولی، مولکول قطبی[9] میگویند. مثال معروف آن مولکول آب ($H_2O$) است.
| نام نیرو | شرح و مکانیسم | مثال ملموس | قدرت نسبی |
|---|---|---|---|
|
نیروهای دوقطبی-دوقطبی بین مولکولهای قطبی دائمی |
جاذبه بین سر مثبت یک مولکول قطبی و سر منفی مولکول قطبی دیگر. این مولکولها به طور دائم قطبی هستند. | کنار هم ماندن مولکولهای کلرید هیدروژن ($HCl$) در حالت مایع. | متوسط |
|
نیروهای دوقطبی القایی بین قطبی و غیرقطبی |
مولکول قطبی دائمی، باعث ایجاد دوقطبی موقت در یک مولکول غیرقطبی مجاور میشود و سپس بین آنها جاذبه ایجاد میشود. | حلال شدن گاز اکسیژن ($O_2$) (غیرقطبی) در آب (قطبی). | ضعیف |
|
نیروهای پراکندگی لندن جهانی و همیشه حاضر |
در اثر حرکت تصادفی الکترونها، در هر مولکولی (حتی غیرقطبی) برای لحظهای کوتاه دوقطبی موقت ایجاد میشود که میتواند در مولکول مجاور نیز دوقطبی القا کند و جاذبه ایجاد شود. | مایع شدن گازهای نجیب مثل نئون، چسبیدن تکههای پلیاستایرن به هم. | بسیار ضعیف (ولی در مولکولهای بزرگ قوی میشود) |
پراکندگی لندن: نیرویی برای همه مولکولها
این نیرو جالبترین و فراگیرترین نوع نیروی واندروالس است. حتی در مولکولهایی که کاملاً متقارن و غیرقطبی هستند (مانند $N_2$، $CH_4$ یا گاز نجیب آرگون) نیز این نیرو وجود دارد. چرا؟ زیرا الکترونها به طور دائم در حرکتند. در یک لحظه، ممکن است الکترونها بیشتر در یک سمت مولکول تجمع کنند و یک دوقطبی موقت و گذرا ایجاد شود. این دوقطبی موقت میتواند در مولکول کناری خود یک دوقطبی القا کند. حالا این دو دوقطبی موقت یکدیگر را جذب میکنند. اگرچه این دوقطبیها دائمی نیستند و به سرعت ناپدید و دوباره ظاهر میشوند، ولی میانگین اثر آنها یک جاذبۀ ضعیف همیشگی است.
عوامل مؤثر بر قدرت پراکندگی لندن:
- جرم مولکولی و اندازه الکترونها: هرچه مولکول بزرگتر و سنگینتر باشد، الکترونهای بیشتری دارد که راحتتر جابجا میشوند. بنابراین نیروهای پراکندگی لندن قویتر است. به همین دلیل ید ($I_2$) در دمای اتاق جامد است، در حالی که کلر ($Cl_2$) گاز است.
- شکل مولکول: مولکولهای دراز و خطی سطح تماس بیشتری برای برهمکنش با یکدیگر دارند تا مولکولهای فشرده و کروی. پس نیروهای پراکندگی لندن در مولکولهای خطی قویتر است.
نیروهای واندروالس در عمل: از خانه تا صنعت
این نیروهای به ظاهر ضعیف، در اطراف ما اثرات شگفتانگیزی دارند:
۱. حالت ماده و نقطه جوش: نیروهای بینمولکولی قویتر (شامل واندروالس و پیوند هیدروژنی)، مولکولها را محکمتر به هم میچسبانند. برای جدا کردن آنها (تبدیل مایع به گاز) به انرژی گرمایی بیشتری نیاز است، بنابراین نقطه جوش بالاتر میرود. هگزان ($C_6H_{14}$) نقطه جوش بالاتری از پنتان ($C_5H_{12}$) دارد زیرا مولکول بزرگتر و نیروهای پراکندگی لندن قویتری دارد.
۲. چسبندگی و کشش سطحی: توانایی مارمولک پلنگی برای راه رفتن روی سقف شیشهای، یک معجزه نیروهای واندروالس است! میلیونها موی ریز در کف پای آن، سطح تماس بسیار زیادی با شیشه ایجاد میکند و مجموع نیروهای واندروالس بین موها و سطح، وزن مارمولک را تحمل میکند.
۳. انحلال پذیری: «شبیه، شبیه را حل میکند». مولکولهای غیرقطبی (مثل روغن) بهخاطر نیروهای پراکندگی لندن، تمایل دارند بین خودشان برهمکنش قوی داشته باشند. اما با مولکولهای قطبی مثل آب، این برهمکنش ضعیف است. بنابراین روغن و آب مخلوط نمیشوند. در مقابل، ترکیبات غیرقطبی در حلالهای غیرقطبی (مثل چربی در بنزین) به خوبی حل میشوند.
۴. ساخت نانولولههای کربنی و گرافن: لایههای گرافن در مداد به وسیله نیروهای واندروالس به هم چسبیدهاند. وقتی با مداد مینویسید، این لایهها به راحتی بر اثر نیروی مکانیکی از هم جدا میشوند و روی کاغذ مینشینند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، این یک اشتباه رایج است. نیروهای واندروالس یک مجموعه هستند که بین همه انواع مولکولها (قطبی و غیرقطبی) وجود دارند. در مولکولهای قطبی، نیروهای دوقطبی-دوقطبی غالب هستند، اما نیروهای پراکندگی لندن نیز همزمان حضور دارند. در مولکولهای غیرقطبی، تنها نیروی بینمولکولی موجود، همان پراکندگی لندن است.
پاسخ: این نام از فیزیکدان هلندی، یوهانس دیدریک واندروالس گرفته شده است. او در قرن نوزدهم، برای توضیح انحراف رفتار گازهای واقعی از گازهای ایدهآل، وجود نیروهای جاذبه بین مولکولها و حجم خود مولکولها را در معادله حالت گازها وارد کرد. معادله معروف او $\left(P + \frac{a}{V_m^2}\right)(V_m - b) = RT$ است که در آن ثابت $a$ به نیروهای جاذبه بین مولکولی مرتبط است.
پاسخ: بله، به طور غیرمستقیم. وقتی یک نایلون خشک را به سرعت باز میکنید و آن را نزدیک تکههای کوچک کاغذ میگیرید، کاغذها جذب نایلون میشوند. این به دلیل ایجاد الکتریسیته ساکن و دوقطبیهای القایی است. مثال دیگر، سفت شدن چربی حیوانی در یخچال است. مولکولهای بزرگ چربی با سرد شدن، انرژی جنبشی کمتری دارند و نیروهای واندروالس میتوانند آنها را در ساختاری منظمتر و جامد کنار هم نگه دارند.
پاورقی
1 Van der Waals Forces (فاندروالس)
2 Intermolecular Forces
3 Dipole-Dipole Forces
4 Dipole-Induced Dipole Forces
5 London Dispersion Forces
6 Covalent Bond
7 Hydrogen Bond
8 Dipole: دو قطبی. حالتی که در یک سیستم (مثل مولکول)، مراکز بار مثبت و منفی بر هم منطبق نباشند.
9 Polar Molecule
