همه ما تو درسهای دبستان و راهنمایی یاد گرفتیم 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. اما می‌دانیم که مولکولها به لحاظ الکتریکی خنثی هستند یعنی مجموع بارهای مثبت آنها (پروتونها) و بارهای منفی آنها (الکترونها) صفر است. پس نیروی بین مولکولها ازکجا می‌آید؟ آیا این نیرو از جنس نیروهای گرانشی است؟ با محاسبه ای 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 جابجا شوند و به اصطلاح مولکولها قطبیده شوند، بعد همین جابجایی باعث بوجود 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 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 می‌شود. 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 می‌شود.

پس مولکولها اگر دست خودشان باشد در فاصله   از هم قرار می‌گیرند. مگر اینکه بکشیمشان یا هولشان دهیم. خیلی خوب ... حال ببینیم این نیروهای بین مولکولها جدا از اینکه مولکولها را کنار هم نگه می‌دارند، چه پدیده های دیگری را نیز باعث می‌شوند.

تا حالا فکر کردید که چه عاملی باعث چسبیدن دو تا ماده به هم می‌شود یا اینکه چسبها اصلا چه چه جوری کار می‌کنند؟!

یا چه می‌شود که همه از یک نوع چسب راضی هستند؟!

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

آهان راستی این را یادم رفت بگویم 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 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 می‌گوییم. در اصل چسب ماده ای است که نیروهای چسبندگی مولکولهای آن زیادند.

خوب دوباره برگردیم سر نیروهای پیوستگی...

آزمایش کشتی کاغذی را انجام دادید؟

اگر یادتان باشد آنجا آخرسر نتیجه گرفتیم که سطح یک مایع مثل سطح یک تشک فنری است. یا اینکه اصلا یک ماده مثل تعداد زیادی توپ که با فنر با هم وصلشان کردیم، 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 بیشتر شود، نیروی آن مثل نیروی جاذبه نمی شود که می‌شود!! 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 مولکولها از یک حدی بیشتر شود، اصلا دیگر نیروی وجود ندارد یا اینکه مقدارش خیلی کم است. مثل یک فنر که اگر از یک حدی بیشتر کشیده شود، پاره می‌شود یا دیگر خاصیت فنریش را از دست می‌دهد.

آهان داشتیم می‌گفتیم که 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.

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

م م م ... از انرژی چیزی می‌دانید؟ ... می‌خواهیم حالا 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 هست که می‌گوید: " در طبیعت همه موجودات به سمتی حرکت می‌کنند و طوری رفتار می‌کنند 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 می‌کنند(همان نیروی جاذبه زمین) بنابراین اگر سنگ را از زمین دور کنیم (بالا بریم) توی آن انرژی ذخیره می‌شود و وقتی رهایش می‌کنیم طبق جمله حکیمانه بالا برای اینکه انرژی ذخیره شده اش 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 احتمالا می‌تویانیم رفتار مولکولها را، که با نیرو توضیح دادیم، با انرژی هم توضیح بدهیم ... ببینیم چی می‌شود...

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 می‌کنیم و اگر آنها رو 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  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 می‌مانند.

برای آن بخش از نیرو که دافعه بود (وقتی  ) 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.

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

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 می‌کنند، مولکولها علاقه مندند که در نزدیکی هم بمانند.

حالا اگر 3 تا مولکول داشته باشیم چه؟

در این حالت هم وقتی حالت کمترین انرژی رخ می‌دهد 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 اونجایی که به همه دوستانتان خیلی علاقه مندید می‌خواهید 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 می‌گردیم 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 می‌کنید. 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 می‌گیرد؟

می توانیم این بحث را یک کم دقیق تر ادامه بدهیم. 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 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 می‌گیرد از انرژی آن کم می‌کند و به حالتی می‌روند که کمترین انرژی را دارند.) پس ما حالتی رو می‌خواهیم که کمترین مولکول سطحی داشته باشیم و مولکولها آرایشی به خودشون می‌گیرند که کمترین سطح را داشته باشد. .... می‌دانید که شکل کره شکلی است که کمترین مساحت (یعنی سطح جانبی) رو 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. 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؟ مگر خون مولکولهای جیوه از خون مولکولهای آب رنگین ترند؟

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 (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 خودشون 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 می‌شود مولکولهای آب برای داشتن کمترین انرژی به همسایگی مولکولهای شیشه مهاجرت کنند!

برای همین قطرات آب روی شیشه پخش می‌شوند.

خوب برمی گردیم سر حباب ... راستش قرار بود این متن راجع به حباب باشد!

حباب در اصل لایه بسیار نازکی از مایع هست. 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 یک همچنین 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 می‌آید. 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 می‌آیند و حباب می‌ترکد!

یادتان باشد که حباب خیلی شبیه به بادکنک است!

این را هم دوباره بگویم 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 و مساحت کمتری به خود بگیرد ا ما می‌توانیم با کشیدن ضلع چهارم در خلاف جهت با حباب زور آزمایی کنیم.

نویسنده:طاها یاسری