چرا نمی ترکیم؟

همه ی ما در درس های دبستان و راهنمایی یاد گرفتیم که تمامی مواد از مولکول تشکیل شده اند و کوچک ترین جزء هر ماده (غیر از عناصر فلزی) که همه ی خواص آن ماده را دارد، مولکول است.

اما چرا مولکول ها 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 مولکول ها وجود داشته باشد که آن ها را کنار هم نگه دارد. اما می‌دانیم که مولکول ها به لحاظ الکتریکی خنثی هستند؛ یعنی مجموع بارهای مثبت آن ها (پروتون ها) و بارهای منفی آن ها (الکترون ها) صفر است. پس نیروی بین مولکول ها ازکجا می‌آید؟ آیا این نیرو از جنس نیروهای گرانشی است؟ با محاسبه ای ساده می‌توانیم ببینیم که نیروی گرانشی بین مولکول ها به خاطر جرم کم آن ها بسیار ناچیز است.

اما منشأ این نیرو در اصل همان نیروهای الکتریکی است. کافی است به دلیلی بارهای مثبت و منفی مولکول ها کمی جابه جا شوند و به اصطلاح مولکول ها قطبیده شوند، بعد همین جابه جایی باعث به وجود آمدن نیروهای مولکولی که در حالت کلی به آن ها 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 مولکول ها همدیگر را جذب می‌کنند.

سوالی که پیش می‌آید این است که پس چرا همه مولکول ها به هم نزدیک نمی شوند و همه ی دنیا به هم نمی چسبد؟

جواب این سوال این است که مقدار نیروی بین مولکول ها بسیار وابسته به فاصله مولکول ها است و حتی اگر مولکول ها به هم از یک حدی نزدیکتر شوند، این نیرو به دافعه تبدیل می‌شود. در واقع نمودار نیرو بر حسب فاصله ی دو مولکول به شکل زیر است.

می بینید که در فاصله ی  نیرو برابر صفر است. یعنی فاصله ی تعادل دو مولکول، اگر  باشد نیر تبدیل به جاذبه و اگر  باشد نیرو، دافعه می‌شود.

بنابراین اگر خود مولکول ها تصمیم گیرنده باشند، در فاصله   از هم قرار می‌گیرند. مگر این که بکشیم یا هول دهیم. بسیار خوب ... حال ببینیم این نیروهای بین مولکول ها، جدا از این که مولکول ها را کنار هم نگه می‌دارند، چه پدیده های دیگری را نیز باعث می‌شوند.

آیا تا به حالا فکر کرده اید که چه عاملی باعث چسبیدن دو تا ماده به هم می‌شود یا این که اصلاً چسب ها، بر چه اساسی کار می کنند؟!

یا چه می‌شود که همه از نوع چسب رازی هستند؟!

خوب در واقع چسب، ماده ای هست که نیروهای بین مولکولی آن با مولکول های مواد دیگر خیلی قوی است.

البته نکته ای که فراموش شد، این است که لزومی ندارد مولکول ها از یک جنس باشند؛ یعنی مربوط به یک ماده باشند تا نیروی بین مولکولی وجود داشته باشد، بلکه اگر مولکول ها با هم فرق هم داشته باشند، باز هم نیروهای مولکولی با همان ویژگی های طرح شده وجود دارند.

به حالت اول یعنی بین مولکول های یک ماده، نیروهای پیوستگی و به حالت دوم یعنی نیروهای بین مولکولی دو یا چند ماده، نیروهای چسبندگی می‌گوییم. بنابراین چسب ماده ای است که نیروهای چسبندگی مولکول های آن زیادند.

خوب دوباره برمی گردیم به بحث نیروهای پیوستگی...

اگر یادتان باشد در آخر بحث نتیجه گرفتیم که سطح یک مایع مثل سطح یک تشک فنری است. یا این که اصلا یک ماده مثل تعداد زیادی توپ که با فنر به هم وصل شده اند، رفتار می‌کند. خوبی این مدل در این است که نیروی فنر تقریبا تمام ویژگی های نیروهای بین مولکولی را دارد.

اگر طول فنر از یک حدی بیش تر شود، نیروی آن مثل نیروی جاذبه نخواهد بود که دقیقاً همین طور هم هست و اگر فشرده شود میل به باز شدن ندارد که دارد!!

یک ویژگی دیگر نیروهای بین مولکولی این است که کوتاه بردند. یعنی اگر فاصله ی مولکول ها از یک حدی بیشتر شود، اصلا دیگر نیرویی وجود ندارد یا این که مقدارش خیلی کم است. مثل یک فنر که اگر از یک حدی بیش تر کشیده شود، پاره می‌شود یا دیگر خاصیت فنری خود را از دست می‌دهد.

تا کنون به این نتیجه رسیدیم که می‌توانیم 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 می‌ماند.

خوب و البته گفتیم که به این نیرو ، نیروی کشش سطحی می‌گوییم.

آیا در مورد انرژی چیزی می‌دانید؟ حال می‌خواهیم  یک بار دیگر تمام این حرف ها را با توجه به انرژی بزنیم!

مثلا می‌دانید وقتی یک تکه سنگ را تا ارتفاعی بالا می‌بریم،انرژی در سنگ ذخیره می‌شود. اگر سنگ را رها کنیم هم زمان 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 ی حکیمانه هست که می‌گوید: " در طبیعت همه ی موجودات به سمتی حرکت می‌کنند و طوری رفتار می‌کنند که کم ترین 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 به مثال تکه سنگ و زمین، تکه سنگ و زمین همدیگر را جذب می‌کنند(همان نیروی جاذبه ی زمین) بنابراین اگر سنگ را از زمین دور کنیم (بالابرویم) انرژی در آن ذخیره می‌شود و وقتی رهایش می‌کنیم، طبق جمله ی حکیمانه ی بالا برای این که انرژی ذخیره شده اش را از دست بدهد، به سمت زمین سقوط می‌کند. وقتی به سطح زمین رسید، کم ترین مقدار انرژی ممکن را دارد.

پس میل رسیدن به زمین هم با نیروی جاذبه و هم با انرژی و اصل میل به داشتن کم ترین انرژی ذخیره شده می تواند توضیح داده شود.

بنابراین احتمالا می‌توانیم رفتار مولکول ها را، که با نیرو توضیح دادیم، با انرژی هم توضیح بدهیم، خوب این کار چگونه انجام می گیرد؟

بخشی از نیروی بین مولکول ها که جاذبه بود (یعنی وقتی  بود) را به یاد بیاورید. این دقیقاً مثل حالت سنگ و زمین است. با دور کردن مولکول ها از هم دیگر انرژیدر آن ها ذخیره می شود و اگر آن ها را به حال خودشان بگذاریم، طبق اصل حکیمانه، به سمتی حرکت می‌کند که کمترین انرژی را داشته باشد، یعنی به هم نزدیک می‌شوند. حالت تعادل یعنی فاصله ی  که مولکول ها دوست داشتند در آن باقی بمانند، حاوی کمترین مقدار انرژی است. پس اگر مولکول ها را در فاصله ای قرار بدهیم و کاری به کارشان نداشته باشیم، در همان حالت باقی می‌مانند.

برای آن بخش از نیرو که دافعه بود (وقتی  ) نیز می‌توانیم همین تحلیل را ارائه بدهیم با نزدیک کردن بیش از حد مولکول ها به هم، بیش تر، باز هم انرژی زیادی در مولکول ها ذخیره می‌شود که اگر اجازه بدهیم مولکول ها همراه با دور شدن از هم این انرژی را تخلیه کرده و به همان حالت کمترین انرژی یعنی حالت تعادل می‌رسند.

نمودار انرژی بر حسب فاصله ی دو مولکول را در زیر می‌بینید:

اجازه بدهید مطالب را جمع بندی کنیم! اگر دو مولکول از هم دور باشند انرژی بیش تری دارند تا حالتی که به هم نزدیک باشند و چون در طبیعت، همه ی موجودات به سمت انرژی کم تر حرکت می‌کنند، مولکول ها علاقه مندند که در نزدیکی هم بمانند.

حال اگر 3 مولکول داشته باشیم چه؟

در این حالت هم وقتی حالت کم ترین انرژی رخ می‌دهد که هر سه مولکول در نزدیکی هم قرار گرفته باشند. و با افزایش تعداد مولکول ها ... تمامی مولکول ها دوست دارند به هم نزدیک باشند. فرض کنید با دوستانتان در یک اتاق هستید. از آنجایی که به همه ی دوستانتان خیلی علاقه مند هسید، می‌خواهید طوری باشید که فاصله ی بین شما و دوستانتان از همه ی حالات کم تر باشد و البته این شرط را برای بقیه ی دوستانتان هم دارید. یعنی دنبال حالتی می‌گردیم که همه ی دوستان به هم نزدیک باشند. خوب کدام حالت بهتر است؟

اگر کمی فکر کنید حتماً جواب درست یعنی حالت ج را انتخاب می‌کنید. در این حالت کم ترین فاصله بین هر جفتی از دوستان وجود دارد. و اگر شما مولکول باشید با توجه به حرف های قبلی، کم ترین انرژی را به خود گرفته اید. یعنی حالت ایده آل.

حال فهمیدید که چرا یک قطره آب اگر تحت هیچ نیرویی از خارج نباشد، چرا شکل کره به خود می‌گیرد؟

می توانیم این بحث را کمی دقیق تر ادامه بدهیم. در اصل ما حالتی را می‌خواهیم که محیط شکل ایجاد شده توسط مولکول ها کم ترین باشد. چرا؟

چون در اصل مولکول های سطحی یعنی مولکول هایی که روی محیط شکل هستند مولکول هایی اند که همسایه های کم تری دارند و به همین دلیل انرژی بیشتری دارند (یادتان باشد که گفتیم وقتی یک مولکول کنار یک مولکول دیگر قرار می‌گیرد از انرژی آن کم می‌کند و به حالتی می‌روند که کم ترین انرژی را دارند.) پس ما حالتی را می‌خواهیم که کم ترین مولکول سطحی داشته باشیم و مولکول ها آرایشی به خود می‌گیرند که کم ترین سطح را داشته باشد. .... می‌دانید که شکل کره به صورتی است که کم ترین مساحت (یعنی سطح جانبی) را نسبت به حجمش دارد یا دایره کم ترین محیط جانبی را نسبت به مساحتش دارد ...

پس به همین دلیل قطرات کروی اند ... مگر این که ما به آن هاتغییر شکل دهیم و نیرو وارد  کنیم!

می توانید آزمایش کنید ... کمی جیوه را روی یک شیشه بریزید. می‌بینید که قطرات جیوه به صورت کره های زیبایی روی سطح شیشه قرار می‌گیرند. اما چرا جیوه؟ مثلاً آب چه اشکالی دارد؟

چرا آزمایش را با آب انجام ندادیم؟ آیا ارجحیتی در این انتخاب وجود دارد؟

نه موضوع این است که حتماً می‌دانید که آزمایش با آب انجام نمی شود. اگر کمی آب روی سطح شیشه بریزیم آب پخش می‌شود و به صورت کره باقی نمی ماند ... چرا؟

یادتان هست که راجع به نیروهای پیوستگی و چسبندگی صحبت کردیم (به ابتدای بحث همین مقاله، دوباره رجوع کنید.)

در اصل رفتار جیوه به دلیل آن است که مولکول های جیوه، نیروهای پیوستگی بسیار قوی تری از نیروهای چسبندگی با شیشه را دارند. یعنی مولکول های جیوه مولکول هایی از نوع خود را بیش تر از مولکول های شیشه دوست دارند، بنابراین اگر کنار هم قرار بگیرند، انرژی کمتری خواهند داشت تا این که درکنار مولکول های شیشه قرار بگیرند. اما در مولکول های آب، قضیه فرق می کندو این باعث می‌شود مولکول های آب برای داشتن کم ترین انرژی به همسایگی مولکول های شیشه مهاجرت کنند!

برای همین قطرات آب روی شیشه پخش می‌شوند.

خوب برمی گردیم به بحث حباب،

حباب در اصل لایه ی بسیار نازکی از مایع است؛ البته مایعی که نیروهای پیوستگی قوی بین مولکول هایش وجود داشته باشد.

فرض کنید یک لایه ی نازک از یک مایع در اختیار داریم، یعنی مثلاً یک مکعب مستطیل با ارتفاع خیلی کم نسبت به طول و عرض آن.

طبق حرف های گفته شده، چنین لایه ای علاقه مند است که به شکل کره در بیاید یا این که حداقل به شکلی تبدیل شود که ارتفاع و طول و عرض هم اندازه باشند مثل مکعب ( به این دلیل که دوست دارد کم ترین سطح جانبی را داشته باشد تا از تعداد مولکول های سطحی آن که بی همسایه مانده اند،کم شود) برای همین اگر یک فیلم حباب (یعنی یک لایه ی نازک از حباب) داشته باشیم، دوست دارد که جمع بشود. و کمترین طول یا مساحت را داشته باشد.

اما پس چرا حباب ها نمی ترکند؟ یعنی به شکل یک قطره ی کوچک در نمی آیند؟

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 در می‌آید. اما کل هنر حباب سازی در این است که با محبوس کردن مقداری هوا بین مولکول های محلول آب و صابون، اجازه نمی دهیم مولکول ها به هم برسند. و مولکول ها مجبورند حول این مقدار هوا در حسرت به هم رسیدن باقی بمانند! اما اگر احیاناً سوراخی در سطح حباب ایجاد بشود مولکول ها سریعاً از این آرایش در می‌آیند و حباب می‌ترکد!

یادتان باشد که حباب بسیار شبیه به بادکنک است!

بار دیگر این نکته را یادآوری می کنیم تا که اگر یک لایه حباب داشته باشیم که بین سه ضلع یک مربع قرار داشته باشد و ضلع چهارم را به ضلع روبرو نزدیک کنیم ساحت کمتری به خود بگیرد، می‌توانیم با کشیدن ضلع چهارم در خلاف جهت، با حباب زور آزمایی کنیم.

برای دیدن فیلم اینجا را ببینید.

نویسنده:طاها یاسری