همه ما در درس‌های دبستان و راهنمایی یاد گرفته‌ایم که همه مواد از مولکول تشکیل شده‌اند 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 نمی‌دهند و چرا بدن ما از هم نمی‌پاشد؟
احتمالاً باید نیرویی بین مولکو‌ل‌ها وجود داشته باشد که آنها را کنار هم نگه دارد. می‌دانیم که مولکو‌ل‌ها به لحاظ الکتریکی خنثی هستند، یعنی مجموع بارهای مثبت (پروتون‌ها) و بارهای منفی آنها (الکترون‌ها) صفر است. پس نیروی بین مولکو‌ل‌ها از کجا می‌آید و آیا این نیرو از جنس نیروهای گرانشی است؟ با محاسبه‌ای ساده می‌توانیم 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 جابه‌جا شوند و به اصطلاح مولکو‌ل‌ها قطبیده شوند، بعد همین جابه‌جا‌یی موجب به‌وجود آمدن نیروهای مولکولی که در حالت کلی به آنها نیروهای واندروالسی می‌گوییم، می‌شوند. به شکل زیر دقت کنید. در این شکل قطبش یک مولکول آب نشان داده شده است.
از این جزئیات که بگذریم، حال می‌دانیم که مولکو‌ل‌ها همدیگر را جذب می‌کنند. سوالی که پیش می‌آید این است که پس چرا همه مولکو‌ل‌ها به هم نزدیک نمی‌شوند و همه دنیا به هم نمی‌چسبد؟
جواب این سوال این است که مقدار نیروی بین مولکو‌ل‌ها بسیار وابسته به فاصله مولکو‌ل‌هاست و اگر مولکو‌ل‌ها از یک حدی به هم نزدیک‌تر شوند، این نیرو به دافعه تبدیل می‌شود. در واقع نمودار نیرو بر حسب فاصله 2 مولکول به شکل زیر است.
می‌بینید که در فاصله تعادلی، نیرو برابر صفر است. اگر فاصله 2 مولکول کمتر از این مقدار باشد، نیرو دافعه می‌شود و اگر بیشتر باشد نیرو جاذبه خواهد بود.
پس مولکو‌ل‌ها اگر دست خودشان باشد در فاصله تعادلی از هم قرار می‌گیرند مگر اینکه آنها را بکشیم یا هل دهیم. حالا می‌خواهیم ببینیم این نیروهای بین مولکو‌ل‌ها جدا از اینکه مولکو‌ل‌ها را کنار هم نگه می‌دارند چه پدیده‌های دیگری را نیز موجب می‌شوند.
اول از همه چسبیدن!
تا حالا فکر کرده‌اید که چه عاملی موجب چسبیدن 2ماده به هم می‌شود یا اینکه چسب‌ها اصلا به چه طریقي کار می‌کنند یا چه می‌شود که همه از یک نوع چسب راضی هستند؟ خب در واقع چسب ماده‌ای است که نیروهای بین مولکولی بین مولکو‌ل‌های آن با مولکو‌ل‌های مواد دیگر خیلی قوی است. باید بر این نکته تاکید کنم که 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 ویژگی‌های طرح شده وجود دارند.
به حالت اول یعنی بین مولکو‌ل‌های یک ماده، نیروهای پیوستگی و به حالت دوم یعنی نیروهای بین مولکولی 2یا چند ماده نیروهای چسبندگی می‌گوییم. در حقیقت چسب ماده‌ای است که نیروهای چسبندگی مولکو‌ل‌های آن زیاد است. دوباره برگردیم سر نیروهای پیوستگی. خوب است قبل از ادامه بحث به بخش دانش در آشپزخانه امروز نگاهی بیندازید.
***
آزمایش کشتی کاغذی را انجام دادید؟ آنجا آخر سر نتیجه گرفتیم که سطح یک مایع مثل سطح یک تشک فنری است یا اینکه اصلا یک ماده مثل تعداد زیادی توپ که با فنر به هم وصلشان کردیم، رفتار می‌کند. خوبی این مدل در این است که نیروی فنر تقریبا تمام ویژگی‌های نیروهای بین مولکولی را دارد. اگر طول فنر از یک حدی بیشتر شود، نیروی آن مثل نیروی جاذبه می‌شود و اگر فشرده شود میل به باز شدن دارد. می‌بینید که کاملا شبیه‌اند. 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 می‌شود یا دیگر خاصیت فنری‌اش را از دست می‌دهد. می‌توانیم فرض کنیم که 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 می‌ماند؛ البته به این نیرو، نیروی کشش سطحی می‌گوییم.
حالا نوبت انرژی است!
از انرژی چه می‌دانید؟ می‌خواهیم یک بار دیگر تمام این حرف‌ها را با توجه به انرژی بزنیم. مثلا می‌دانید وقتی یک تکه سنگ را تا ارتفاعی بالا می‌بریم در سنگ انرژی ذخیره می‌شود. اگر سنگ را رها کنیم همزمان با سقوط سنگ، انرژی ذخیره شده در سنگ آزاد شده و به سنگ سرعت می‌دهد. اگر سنگ به سر یک آدم بیچاره برخورد کند، بخشی از این انرژی به گرما و صدا تبدیل می‌شود و بخش دیگرش صرف تغییر شکل سطح سر آدم می‌شود. یک جمله حکیمانه می‌گوید: «در طبیعت همه موجودات به سمتی حرکت و طوری رفتار می‌کنند که کمترین انرژی را داشته باشند یا اینکه همیشه به پایین‌ترین سطح انرژی برسند.» البته این جمله همیشه درست نیست اما در بسیاری از موارد درست است.
در مثال تکه سنگ و زمین، تکه سنگ و زمین همدیگر را جذب می‌کنند (همان نیروی جاذبه زمین) بنابر این اگر سنگ را از زمین دور کنیم یعنی آن را بالا ببریم، در آن انرژی ذخیره می‌شود و وقتی رهایش می‌کنیم طبق جمله حکیمانه بالا برای اینکه انرژی ذخیره شده‌اش را از دست بدهد به سمت زمین سقوط می‌کند. وقتی به سطح زمین رسید، کمترین مقدار انرژی ممکن را دارد. پس میل رسیدن به زمین را هم می‌شود با نیروی جاذبه توضیح داد و هم با انرژی و اصل میل به داشتن کمترین انرژی ذخیره شده؛ بنابراین می‌توانیم رفتار مولکو‌ل‌ها را که با نیرو توضیح دادیم با انرژی هم توضیح بدهیم. آن بخشی از نیروی بین مولکو‌ل‌ها را که جاذبه بود (یعنی وقتی فاصله از فاصله تعادلی بیشتر بود) به یاد بیاورید. دقیقاً مثل حالت سنگ و زمین است. با دور کردن مولکو‌ل‌ها از هم در آنها انرژی ذخیره می‌کنیم و اگر آنها را به حال خودشان بگذاریم طبق اصل حکیمانه به سمتی حرکت می‌کنند که کمترین انرژی را داشته باشد یعنی به هم نزدیک می‌شوند. حالت تعادل که مولکو‌ل‌ها دوست داشتند در آن باقی بمانند حاوی کمترین مقدار انرژی است. پس اگر مولکو‌ل‌ها را در فاصله تعادل قرار بدهیم و کاری به کارشان نداشته باشیم در همان حالت باقی می‌مانند. برای آن بخش از نیرو که دافعه بود نیز می‌توانیم همین تحلیل را ارائه بدهیم؛ با نزدیک کردن مولکو‌ل‌ها به هم- از یک حدی بیشتر- باز انرژی زیادی در مولکو‌ل‌ها ذخیره می‌شود 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 می‌رسند.
اجازه بدهید کمی جمع‌بندی کنیم؛ اگر 2 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 می‌کنند، مولکو‌ل‌ها علاقه‌مندند که در نزدیکی هم بمانند.
وقتی جمعیت مولکو‌ل‌ها زیاد می‌شود...
حالا اگر ۳ تا مولکول داشته باشیم چه اتفاقی می‌افتد؟ در این حالت هم وقتی حالت کمترین انرژی رخ می‌دهد که هر 3 مولکول در نزدیکی هم قرار گرفته باشند. با افزایش تعداد مولکو‌ل‌ها، همه مولکو‌ل‌ها دوست دارند به هم نزدیک باشند. فرض کنید با دوستانتان در یک اتاق هستید. از آنجایی که به همه دوستانتان خیلی علاقه‌مندید، می‌خواهید طوری باشید که فاصله میان شما و دوستانتان از همه حالات کمتر باشد و البته این شرط را برای بقیه دوستانتان هم دارید یعنی دنبال حالتی می‌گردید که همه به هم نزدیک باشند. خب کدام حالت بهتر است؟
اگر کمی فکر کنید حتماً جواب درست یعنی حالت«ج» را انتخاب می‌کنید. در این حالت کمترین فاصله میان هر جفتی از دوستان وجود دارد و اگر شما مولکول باشید با توجه به حرف‌های قبلی کمترین انرژی را به خود گرفته‌اید یعنی حالت ایده‌آل. حالا فهمیدید چرا یک قطره آب اگر تحت هیچ نیرویی از خارج نباشد شکل کره به خود می‌گیرد؟ می توانیم این بحث را کمی دقیق‌تر ادامه دهیم. در اصل ما حالتی را می‌خواهیم که محیط شکل ایجاد شده توسط مولکو‌ل‌ها کمترین باشد. چرا؟ چون در اصل مولکو‌ل‌های سطحی یعنی مولکو‌ل‌هایی که روی محیط شکل هستند مولکو‌ل‌هایی‌اند که همسایه‌های کمتری دارند و به همین دلیل انرژی بیشتری دارند (یادتان هست که گفتیم وقتی یک مولکول کنار یک مولکول دیگر قرار می‌گیرد از انرژی آن کم می‌کند و به حالتی می‌روند که کمترین انرژی را دارند) پس ما حالتی را می‌خواهیم که کمترین مولکول سطحی را داشته باشیم و مولکو‌ل‌ها آرایشی به خودشان می‌گیرند که کمترین سطح را داشته باشد. می‌دانید 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 کروی‌اند، مگر اینکه حالتشان را به هم بزنیم.
اگر باورتان نمی‌شود، می‌توانید آزمایش کنید. کمی جیوه را روی یک شیشه بریزید. می‌بینید که قطرات جیوه به صورت کره‌های زیبایی روی سطح شیشه قرار می‌گیرند. اما چرا جیوه؟ مثلاً آب چه اشکالی دارد؟ چرا آزمایش را با آب انجام ندادیم؟ مگر خون مولکو‌ل‌های جیوه از خون مولکو‌ل‌های آب رنگین‌تر است؟ نه، حتماً می‌دانید که آزمایش با آب انجام نمی‌شود. اگر کمی آب روی سطح شیشه بریزیم آب پخش می‌شود و به صورت کره باقی نمی‌ماند. چرا؟ یادتان هست که راجع به نیروهای پیوستگی و چسبندگی صحبت کردیم؟ در اصل رفتار جیوه به این دلیل اینگونه است که مولکو‌ل‌های جیوه نیروهای پیوستگی بسیار قوی‌تری از نیروهای چسبندگی با شیشه 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 در مولکو‌ل‌های آب نیروی پیوستگی قوی‌تر است و این موجب می‌شود مولکو‌ل‌های آب برای داشتن کمترین انرژی به همسایگی مولکو‌ل‌های شیشه مهاجرت کنند. برای همین قطرات آب روی شیشه پخش می‌شود.
و بالاخره حباب
بهتر است حالا برویم سر اصل مطلب که همان حباب باشد. حباب در اصل لایه بسیار نازکی از مایع است. البته مایعی که نیروهای پیوستگی قوی‌ای میان مولکو‌ل‌هایش وجود داشته باشد. فرض کنید یک لایه نازک از یک مایع در اختیار داریم مثلاً یک مکعب مستطیل با ارتفاع خیلی کم نسبت به طول و عرض آن. طبق حرف‌های گفته شده یک چنین لایه‌ای علاقه‌مند است 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 سطحی‌اش که بی‌همسایه مانده‌اند تعدادشان کم شود). خب برای همین اگر یک فیلم حباب (یعنی یک لایه نازک از حباب) داشته باشیم دوست دارد که جمع شود و کمترین طول یا مساحت را داشته باشد، اما چرا حباب‌ها نمی‌ترکند یعنی به شکل یک قطره کوچک درنمی‌آیند؟ رمز کار در هوایی است که در حباب گیر افتاده است. در اصل اگر ما هوایی در حباب محبوس نکنیم حباب به صورت یک قطره مایع درمی‌آید، اما کل هنر حباب‌سازی در این است که با محبوس کردن مقداری هوا میان مولکو‌ل‌های محلول آب و صابون اجازه نمی‌دهیم 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 شود مولکو‌ل‌ها سریعاً از این آرایش درمی‌آیند و حباب می‌ترکد! یادتان باشد که حباب خیلی شبیه به بادکنک است.
نگاهی به نیروهای بین‌مولکولی و آثار آن در طبیعت
راز وجود حباب
همه ما در درس‌های دبستان و راهنمایی یاد گرفته‌ایم که همه مواد از مولکول تشکیل شده‌اند 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 نمی‌دهند و چرا بدن ما از هم نمی‌پاشد؟
احتمالاً باید نیرویی بین مولکو‌ل‌ها وجود داشته باشد که آنها را کنار هم نگه دارد. می‌دانیم که مولکو‌ل‌ها به لحاظ الکتریکی خنثی هستند، یعنی مجموع بارهای مثبت (پروتون‌ها) و بارهای منفی آنها (الکترون‌ها) صفر است. پس نیروی بین مولکو‌ل‌ها از کجا می‌آید و آیا این نیرو از جنس نیروهای گرانشی است؟ با محاسبه‌ای ساده می‌توانیم 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 جابه‌جا شوند و به اصطلاح مولکو‌ل‌ها قطبیده شوند، بعد همین جابه‌جا‌یی موجب به‌وجود آمدن نیروهای مولکولی که در حالت کلی به آنها نیروهای واندروالسی می‌گوییم، می‌شوند. به شکل زیر دقت کنید. در این شکل قطبش یک مولکول آب نشان داده شده است.
از این جزئیات که بگذریم، حال می‌دانیم که مولکو‌ل‌ها همدیگر را جذب می‌کنند. سوالی که پیش می‌آید این است که پس چرا همه مولکو‌ل‌ها به هم نزدیک نمی‌شوند و همه دنیا به هم نمی‌چسبد؟
جواب این سوال این است که مقدار نیروی بین مولکو‌ل‌ها بسیار وابسته به فاصله مولکو‌ل‌هاست و اگر مولکو‌ل‌ها از یک حدی به هم نزدیک‌تر شوند، این نیرو به دافعه تبدیل می‌شود. در واقع نمودار نیرو بر حسب فاصله 2 مولکول به شکل زیر است.
می‌بینید که در فاصله تعادلی، نیرو برابر صفر است. اگر فاصله 2 مولکول کمتر از این مقدار باشد، نیرو دافعه می‌شود و اگر بیشتر باشد نیرو جاذبه خواهد بود.
پس مولکو‌ل‌ها اگر دست خودشان باشد در فاصله تعادلی از هم قرار می‌گیرند مگر اینکه آنها را بکشیم یا هل دهیم. حالا می‌خواهیم ببینیم این نیروهای بین مولکو‌ل‌ها جدا از اینکه مولکو‌ل‌ها را کنار هم نگه می‌دارند چه پدیده‌های دیگری را نیز موجب می‌شوند.
اول از همه چسبیدن!
تا حالا فکر کرده‌اید که چه عاملی موجب چسبیدن 2ماده به هم می‌شود یا اینکه چسب‌ها اصلا به چه طریقي کار می‌کنند یا چه می‌شود که همه از یک نوع چسب راضی هستند؟ خب در واقع چسب ماده‌ای است که نیروهای بین مولکولی بین مولکو‌ل‌های آن با مولکو‌ل‌های مواد دیگر خیلی قوی است. باید بر این نکته تاکید کنم که 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 ویژگی‌های طرح شده وجود دارند.
به حالت اول یعنی بین مولکو‌ل‌های یک ماده، نیروهای پیوستگی و به حالت دوم یعنی نیروهای بین مولکولی 2یا چند ماده نیروهای چسبندگی می‌گوییم. در حقیقت چسب ماده‌ای است که نیروهای چسبندگی مولکو‌ل‌های آن زیاد است. دوباره برگردیم سر نیروهای پیوستگی. خوب است قبل از ادامه بحث به بخش دانش در آشپزخانه امروز نگاهی بیندازید.
***
آزمایش کشتی کاغذی را انجام دادید؟ آنجا آخر سر نتیجه گرفتیم که سطح یک مایع مثل سطح یک تشک فنری است یا اینکه اصلا یک ماده مثل تعداد زیادی توپ که با فنر به هم وصلشان کردیم، رفتار می‌کند. خوبی این مدل در این است که نیروی فنر تقریبا تمام ویژگی‌های نیروهای بین مولکولی را دارد. اگر طول فنر از یک حدی بیشتر شود، نیروی آن مثل نیروی جاذبه می‌شود و اگر فشرده شود میل به باز شدن دارد. می‌بینید که کاملا شبیه‌اند. 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 می‌شود یا دیگر خاصیت فنری‌اش را از دست می‌دهد. می‌توانیم فرض کنیم که 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 می‌ماند؛ البته به این نیرو، نیروی کشش سطحی می‌گوییم.
حالا نوبت انرژی است!
از انرژی چه می‌دانید؟ می‌خواهیم یک بار دیگر تمام این حرف‌ها را با توجه به انرژی بزنیم. مثلا می‌دانید وقتی یک تکه سنگ را تا ارتفاعی بالا می‌بریم در سنگ انرژی ذخیره می‌شود. اگر سنگ را رها کنیم همزمان با سقوط سنگ، انرژی ذخیره شده در سنگ آزاد شده و به سنگ سرعت می‌دهد. اگر سنگ به سر یک آدم بیچاره برخورد کند، بخشی از این انرژی به گرما و صدا تبدیل می‌شود و بخش دیگرش صرف تغییر شکل سطح سر آدم می‌شود. یک جمله حکیمانه می‌گوید: «در طبیعت همه موجودات به سمتی حرکت و طوری رفتار می‌کنند که کمترین انرژی را داشته باشند یا اینکه همیشه به پایین‌ترین سطح انرژی برسند.» البته این جمله همیشه درست نیست اما در بسیاری از موارد درست است.
در مثال تکه سنگ و زمین، تکه سنگ و زمین همدیگر را جذب می‌کنند (همان نیروی جاذبه زمین) بنابر این اگر سنگ را از زمین دور کنیم یعنی آن را بالا ببریم، در آن انرژی ذخیره می‌شود و وقتی رهایش می‌کنیم طبق جمله حکیمانه بالا برای اینکه انرژی ذخیره شده‌اش را از دست بدهد به سمت زمین سقوط می‌کند. وقتی به سطح زمین رسید، کمترین مقدار انرژی ممکن را دارد. پس میل رسیدن به زمین را هم می‌شود با نیروی جاذبه توضیح داد و هم با انرژی و اصل میل به داشتن کمترین انرژی ذخیره شده؛ بنابراین می‌توانیم رفتار مولکو‌ل‌ها را که با نیرو توضیح دادیم با انرژی هم توضیح بدهیم. آن بخشی از نیروی بین مولکو‌ل‌ها را که جاذبه بود (یعنی وقتی فاصله از فاصله تعادلی بیشتر بود) به یاد بیاورید. دقیقاً مثل حالت سنگ و زمین است. با دور کردن مولکو‌ل‌ها از هم در آنها انرژی ذخیره می‌کنیم و اگر آنها را به حال خودشان بگذاریم طبق اصل حکیمانه به سمتی حرکت می‌کنند که کمترین انرژی را داشته باشد یعنی به هم نزدیک می‌شوند. حالت تعادل که مولکو‌ل‌ها دوست داشتند در آن باقی بمانند حاوی کمترین مقدار انرژی است. پس اگر مولکو‌ل‌ها را در فاصله تعادل قرار بدهیم و کاری به کارشان نداشته باشیم در همان حالت باقی می‌مانند. برای آن بخش از نیرو که دافعه بود نیز می‌توانیم همین تحلیل را ارائه بدهیم؛ با نزدیک کردن مولکو‌ل‌ها به هم- از یک حدی بیشتر- باز انرژی زیادی در مولکو‌ل‌ها ذخیره می‌شود 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 می‌رسند.
اجازه بدهید کمی جمع‌بندی کنیم؛ اگر 2 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 می‌کنند، مولکو‌ل‌ها علاقه‌مندند که در نزدیکی هم بمانند.
وقتی جمعیت مولکو‌ل‌ها زیاد می‌شود...
حالا اگر ۳ تا مولکول داشته باشیم چه اتفاقی می‌افتد؟ در این حالت هم وقتی حالت کمترین انرژی رخ می‌دهد که هر 3 مولکول در نزدیکی هم قرار گرفته باشند. با افزایش تعداد مولکو‌ل‌ها، همه مولکو‌ل‌ها دوست دارند به هم نزدیک باشند. فرض کنید با دوستانتان در یک اتاق هستید. از آنجایی که به همه دوستانتان خیلی علاقه‌مندید، می‌خواهید طوری باشید که فاصله میان شما و دوستانتان از همه حالات کمتر باشد و البته این شرط را برای بقیه دوستانتان هم دارید یعنی دنبال حالتی می‌گردید که همه به هم نزدیک باشند. خب کدام حالت بهتر است؟
اگر کمی فکر کنید حتماً جواب درست یعنی حالت«ج» را انتخاب می‌کنید. در این حالت کمترین فاصله میان هر جفتی از دوستان وجود دارد و اگر شما مولکول باشید با توجه به حرف‌های قبلی کمترین انرژی را به خود گرفته‌اید یعنی حالت ایده‌آل. حالا فهمیدید چرا یک قطره آب اگر تحت هیچ نیرویی از خارج نباشد شکل کره به خود می‌گیرد؟ می توانیم این بحث را کمی دقیق‌تر ادامه دهیم. در اصل ما حالتی را می‌خواهیم که محیط شکل ایجاد شده توسط مولکو‌ل‌ها کمترین باشد. چرا؟ چون در اصل مولکو‌ل‌های سطحی یعنی مولکو‌ل‌هایی که روی محیط شکل هستند مولکو‌ل‌هایی‌اند که همسایه‌های کمتری دارند و به همین دلیل انرژی بیشتری دارند (یادتان هست که گفتیم وقتی یک مولکول کنار یک مولکول دیگر قرار می‌گیرد از انرژی آن کم می‌کند و به حالتی می‌روند که کمترین انرژی را دارند) پس ما حالتی را می‌خواهیم که کمترین مولکول سطحی را داشته باشیم و مولکو‌ل‌ها آرایشی به خودشان می‌گیرند که کمترین سطح را داشته باشد. می‌دانید 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 کروی‌اند، مگر اینکه حالتشان را به هم بزنیم.
اگر باورتان نمی‌شود، می‌توانید آزمایش کنید. کمی جیوه را روی یک شیشه بریزید. می‌بینید که قطرات جیوه به صورت کره‌های زیبایی روی سطح شیشه قرار می‌گیرند. اما چرا جیوه؟ مثلاً آب چه اشکالی دارد؟ چرا آزمایش را با آب انجام ندادیم؟ مگر خون مولکو‌ل‌های جیوه از خون مولکو‌ل‌های آب رنگین‌تر است؟ نه، حتماً می‌دانید که آزمایش با آب انجام نمی‌شود. اگر کمی آب روی سطح شیشه بریزیم آب پخش می‌شود و به صورت کره باقی نمی‌ماند. چرا؟ یادتان هست که راجع به نیروهای پیوستگی و چسبندگی صحبت کردیم؟ در اصل رفتار جیوه به این دلیل اینگونه است که مولکو‌ل‌های جیوه نیروهای پیوستگی بسیار قوی‌تری از نیروهای چسبندگی با شیشه 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 در مولکو‌ل‌های آب نیروی پیوستگی قوی‌تر است و این موجب می‌شود مولکو‌ل‌های آب برای داشتن کمترین انرژی به همسایگی مولکو‌ل‌های شیشه مهاجرت کنند. برای همین قطرات آب روی شیشه پخش می‌شود.
و بالاخره حباب
بهتر است حالا برویم سر اصل مطلب که همان حباب باشد. حباب در اصل لایه بسیار نازکی از مایع است. البته مایعی که نیروهای پیوستگی قوی‌ای میان مولکو‌ل‌هایش وجود داشته باشد. فرض کنید یک لایه نازک از یک مایع در اختیار داریم مثلاً یک مکعب مستطیل با ارتفاع خیلی کم نسبت به طول و عرض آن. طبق حرف‌های گفته شده یک چنین لایه‌ای علاقه‌مند است 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 سطحی‌اش که بی‌همسایه مانده‌اند تعدادشان کم شود). خب برای همین اگر یک فیلم حباب (یعنی یک لایه نازک از حباب) داشته باشیم دوست دارد که جمع شود و کمترین طول یا مساحت را داشته باشد، اما چرا حباب‌ها نمی‌ترکند یعنی به شکل یک قطره کوچک درنمی‌آیند؟ رمز کار در هوایی است که در حباب گیر افتاده است. در اصل اگر ما هوایی در حباب محبوس نکنیم حباب به صورت یک قطره مایع درمی‌آید، اما کل هنر حباب‌سازی در این است که با محبوس کردن مقداری هوا میان مولکو‌ل‌های محلول آب و صابون اجازه نمی‌دهیم 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 شود مولکو‌ل‌ها سریعاً از این آرایش درمی‌آیند و حباب می‌ترکد! یادتان باشد که حباب خیلی شبیه به بادکنک است.
ارسال نظر
پربیننده