Open Source Content Management

همه ما در درسهای دبستان و راهنمایی یاد گرفته ایم که تمامی مواد از مولکول تشکیل شده اند و کوچکترین جزء هر ماده (غیر از عناصر فلزی) که همه خواص آن ماده را دارد مولکول است.
اما چرا مولکولها مقید هستند که کنار هم بمانند، چرا مواد پیوستگی خود را از دست نمی دهند؟ چرا بدن ما از هم نمی پاشد؟
احتمالاً باید نیرویی بین مولکولها وجود داشته باشد که آنها را کنار هم نگه دارد. می دانیم که مولکولها به لحاظ الکتریکی خنثی هستند یعنی مجموع بارهای مثبت (پروتونها) و منفی آنها (الکترونها) صفر است. پس نیروی بین مولکولها ازکجا می آید؟ آیا این نیرو از جنس نیروهای گرانشی است؟ با محاسبه ای ساده می توانیم ببینیم که نیروی گرانشی بین مولکولها به خاطر جرم کم آنها بسیار ناچیز است.
اما منشأ این نیرو در اصل همان نیروهای الکتریکی است. کافی است به دلیلی بارهای مثبت و منفی مولکولها کمی جابجا شوند و به اصطلاح مولکولها قطبیده شوند، بعد همین جابجایی باعث بوجود آمدن نیروهای مولکولی که در حالت کلی به آنها نیروهای واندروالسی می گوییم، می شوند.
از این جزئیات که بگذریم، حال می دانیم که مولکولها همدیگر را جذب می کنند.
سوالی که پیش می آید این است که پس چرا همه مولکولها به هم نزدیک نمی شوند و همه دنیا به هم نمی چسبد؟
جواب این سوال این است که مقدار نیروی بین مولکولها بسیار وابسته به فاصله مولکولها است و حتی اگر مولکولها به هم از یک حدی نزدیکتر شوند، این نیرو به دافعه تبدیل می شود. در واقع نمودار نیرو بر حسب فاصله دو مولکول به شکل زیر است.
می بینید که در فاصله نیرو برابر صفر است. یعنی فاصله تعادل دو مولکول، اگر باشد نیرو جاذبه و اگر باشد نیرو دافعه می شود.
پس مولکولها اگر دست خودشان باشد در فاصله از هم قرار می گیرند. مگر اینکه بکشیمشان یا هلشان دهیم. علاوه بر این، لزومی ندارد مولکولها از یک جنس باشند یعنی مربوط به یک ماده باشند تا نیروی بین مولکولی وجود داشته باشد، بلکه اگر مولکولها با هم فرق هم داشته باشند باز نیروهای مولکولی با همان ویژگی های طرح شده وجود دارند.
به حالت اول یعنی بین مولکولهای یک ماده ، نیروهای پیوستگی و به حالت دوم یعنی نیروهای بین مولکولی دو یا چند ماده نیروهای چسبندگی می گوییم.
اول از همه چسبیدن!
تا حالا فکر کرده اید که چه عاملی باعث چسبیدن دو تا ماده به هم می شود یا اینکه چسبها اصلا چه جوری کار می کنند؟!
یا چه می شود که همه از یک نوع چسب راضی هستند؟!
خوب در واقع چسب ماده ای است که نیروهای بین مولکولهای آن با مولکولهای مواد دیگر نیروی چسبندگی خیلی قوی است.
بیایید با هم یک قرار بگذاریم سطح یک مایع مثل سطح یک تشک فنری است. به این کار می گویند مدل سازی. یعنی یک ماده مثل تعداد زیادی توپ که با فنر به هم وصلشان کردیم، رفتار می کند. خوبی این مدل در این است که نیروی فنر تقریبا تمام ویژگی های نیروهای بین مولکولی را دارد.
اگر طول فنر از یک حدی بیشتر شود، نیروی آن مثل نیروی جاذبه می شود و اگر فشرده شود میل به باز شدن دارد.
یک ویژگی دیگر نیروهای بین مولکولی این است که کوتاه بردند. یعنی اگر فاصله مولکولها از یک حدی بیشتر شود، اصلا دیگر نیرویی وجود ندارد یا اینکه مقدارش خیلی کم است. مثل یک فنر که اگر از یک حدی بیشتر کشیده شود، پاره می شود یا دیگر خاصیت فنریش را از دست می دهد.
گفتیم که می توانیم فرض کنیم سطح مایع مثل یک سطح فنری یا مثل یک تکه لاستیک یا بادکنک است. برای همین اگر یک جسم سبک را روی مایع قرار دهیم، روی آن شناور می ماند.
به این نیرو ، نیروی کشش سطحی می گوییم.
از انرژی چیزی می دانید؟ می خواهیم این بار موضوع را با انرژی توضیح بدهیم.
حتماً می دانید وقتی یک تکه سنگ را تا ارتفاعی بالا می بریم در سنگ انرژی ذخیره می شود. اگر سنگ را رها کنیم همزمان با سقوط سنگ انرژی ذخیره شده در سنگ آزاد شده و به سنگ سرعت می دهد. اگر سنگ به سر یک آدم بیچاره برخورد کند، بخشی از این انرژی به گرما و صدا تبدیل می شود و بخش دیگرش صرف تغییر شکل سطح سر آدم می شود!
یک جمله حکیمانه هست که می گوید: " در طبیعت همه موجودات به سمتی حرکت می کنند و طوری رفتار می کنند که کمترین انرژی را داشته باشند یا اینکه همیشه به پایین ترین سطح انرژی برسند." البته این جمله همیشه درست نیست اما در بسیاری از موارد مورد بررسی و به دردبخور برای ما، درست است!
خوب برگردیم سر مثال تکه سنگ و زمین، تکه سنگ و زمین همدیگر را جذب می کنند(همان نیروی جاذبه زمین) بنابراین اگر سنگ را از زمین دور کنیم (بالا بریم) توی آن انرژی ذخیره می شود و وقتی رهایش می کنیم طبق جمله حکیمانه بالا برای اینکه انرژی ذخیره شده اش را از دست بدهد به سمت زمین سقوط می کند. وقتی به سطح زمین رسید ، کمترین مقدار انرژی ممکن را دارد.
پس میل رسیدن به زمین را هم می شود با نیروی جاذبه توضیح داد و هم با اصل "میل به داشتن کمترین انرژی ذخیره شده."
بنابراین احتمالا می توانیم رفتار مولکولها را، که با نیرو توضیح دادیم، با انرژی هم توضیح بدهیم ...
آن بخشی از نیروی بین مولکولها که جاذبه بود (یعنی وقتی بود) را به یاد بیاورید این دقیقاً مثل حالت سنگ و زمین است. با دور کردن مولکولها از هم در آنها انرژی ذخیره می کنیم و اگر آنها رو به حال خودشان بگذاریم طبق اصل حکیمانه به سمتی حرکت می کند که کمترین انرژی را داشته باشد یعنی به هم نزدیک می شوند. حالت تعادل یعنی فاصله که مولکولها دوست داشتند در آن باقی بمانند حاوی کمترین مقدار انرژی است. پس اگر مولکولها را در فاصله قرار بدهیم و کاری به کارشان نداشته باشیم در همان حالت باقی می مانند.
برای آن بخش از نیرو که دافعه بود (وقتی ) نیز می توانیم همین تحلیل را ارائه بدهیم با نزدیک کردن مولکولها به هم از یک حدی بیشتر، باز انرژی زیادی در مولکولها ذخیره می شود که اگر اجازه بدهیم مولکولها همراه با دور شدن از هم این انرژی را تخلیه کرده و به همان حالت کمترین انرژی یعنی حالت تعادل می رسند.
اجازه بدهید یک کم جمع بندی کنیم! اگر دو مولکول از هم دور باشند انرژی بیشتری دارند تا حالتی که به هم نزدیک باشند و چون در طبیعت همه موجودات به سمت انرژی کمتر حرکت می کنند، مولکولها علاقه مندند که در نزدیکی هم بمانند.
حالا اگر ۳ تا مولکول داشته باشیم چه؟
در این حالت هم وقتی حالت کمترین انرژی رخ می دهد که هر سه مولکول در نزدیکی هم قرار گرفته باشند. و با افزایش تعداد مولکولها ... تمامی مولکولها دوست دارند به هم نزدیک باشند. فرض کنید با دوستانتان توی یک اتاق هستید. از آنجایی که به همه دوستانتان خیلی علاقه مندید می خواهید طوری باشید که فاصله بین شما و دوستانتان از همه حالات کمتر باشد و البته این شرط را برای بقیه دوستانتان هم دارید. یعنی دنبال حالتی می گردیم که همه برو بچ به هم نزدیک باشند. خوب کدام حالت بهتر است؟
اگر کمی فکر کنید حتماً جواب درست یعنی حالت ج را انتخاب می کنید. توی این حالت کمترین فاصله بین هر جفتی از دوستان وجود دارد. و اگر شما مولکول باشید با توجه به حرفهای قبلی کمترین انرژی را به خود گرفته اید. یعنی حالت ایده آل.
حال فهمیدید که چرا یک قطره آب دیگر تحت هیچ نیرویی از خارج نباشد چرا شکل کره بر خود می گیرد؟
می توانیم این بحث را یک کم دقیق تر ادامه بدهیم. در اصل ما حالتی را می خواهیم که محیط شکل ایجاد شده توسط مولکولها کمترین باشد. چرا؟ چون در اصل مولکولهای سطحی یعنی مولکولهایی که روی محیط شکل هستند مولکولهایی اند که همسایه های کمتری دارند و به همین دلیل انرژی بیشتری دارند (یادتان هست که گفتیم وقتی یک مولکول کنار یک مولکول دیگر قرار می گیرد از انرژی آن کم می کند و به حالتی می روند که کمترین انرژی را دارند.) پس ما حالتی را می خواهیم که کمترین مولکول سطحی داشته باشیم و مولکولها آرایشی به خودشان می گیرند که کمترین سطح را داشته باشد. می دانید که شکل کره شکلی است که کمترین مساحت (یعنی سطح جانبی) را نسبت به حجمش دارد یا دایره کمترین محیط جانبی را نسبت به مساحتش دارد.
پس به همین دلیل قطرات کروی اند، مگر اینکه انگولکشان کنیم!
می توانید آزمایش کنید. یک کم جیوه را روی یک شیشه بریزید. می بینید که قطرات جیوه به صورت کره های زیبایی روی سطح شیشه قرار می گیرند.
اما چرا جیوه؟ مثلاً آب چه اشکالی دارد؟
چرا آزمایش را با آب انجام ندادیم؟ مگر خون مولکولهای جیوه از خون مولکولهای آب رنگین ترند؟
نه موضوع این است که حتماً می دانید که آزمایش با آب انجام نمی شود. اگر کمی آب روی سطح شیشه بریزیم آب پخش می شود و به صورت کره باقی نمی ماند. چرا؟
یادتان هست که راجع به نیروهای پیوستگی و چسبندگی صحبت کردیم (اگر یادتان نیست متن را از اول بخوانید یا اینکه اصلاً بی خیال شوید!)
در اصل رفتار جیوه به خاطر این اینجوری است که مولکولهای جیوه نیروهای پیوستگی بسیار قوی تری از نیروهای چسبندگی با شیشه را دارند. یعنی مولکولهای جیوه شبیه به خودشان را بیشتر از مولکولهای شیشه دوست دارند بنابراین اگر کنار هم قرار بگیرند انرژی کمتری خواهند داشت تا اینکه کنار مولکولهای شیشه قرار بگیرند. اما مولکولهای آب هست و این باعث می شود مولکولهای آب برای داشتن کمترین انرژی به همسایگی مولکولهای شیشه مهاجرت کنند!
برای همین قطرات آب روی شیشه پخش می شوند.
خوب می رویم سر حباب.
حباب در اصل لایه بسیار نازکی از مایع است. البته مایعی که نیروهای پیوستگی قوی ای بین مولکولهایش وجود داشته باشد.
فرض کنید یک لایه نازک از یک مایع در اختیار داریم یعنی مثلاً یک مکعب مستطیل با ارتفاع خیلی کم نسبت به طول و عرض آن.
طبق حرفهای گفته شده چنین لایه ای علاقه مند است که به شکل کره در بیاید یا اینکه حداقل به مکعبی تبدیل شود که ارتفاع و طول و عرض هم اندازه باشند ( به این دلیل که دوست دارد کمترین سطح جانبی را داشته باشد تا مولکولهای سطحیش که بی همسایه مانده اند تعدادشان کم بشود) خوب برای همین اگر یک فیلم حباب (یعنی یک لایه نازک از حباب) داشته باشیم دوست دارد که جمع بشود. و کمترین طول یا مساحت را داشته باشد.
اما پس چرا حبابها نمی ترکند؟ یعنی به شکل یک قطره کوچک در نمی آیند؟
رمز کار در هوایی است که توی حباب گیر افتاده است.
در اصل اگر ما هوایی توی حباب محبوس نکنیم حباب به صورت یک قطره مایع در می آید. اما کل هنر حباب سازی در این است که با محبوس کردن مقداری هوا بین مولکولهای محلول آب و صابون اجازه نمی دهیم مولکولها به هم برسند. و مولکولها مجبورند حول این مقدار هوا در حسرت به هم رسیدن باقی بمانند! اما اگر احیاناً سوراخی در سطح حباب ایجاد بشود مولکولها سریعاً از این آرایش در می آیند و حباب می ترکد!
یادتان باشد که حباب خیلی شبیه به بادکنک است!

(طه یاسری)