نیروی واندروالسی نیرویی است که در یک ماده با حالت‌های مختلف مولکول‌ها در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند، اتم‌ها با نیرویی به نام پیوند کووالانسی مولکول‌ها را تشکیل می‌دهند. این نیروها حالت‌های مختلف مایع و جامد بودن را تعریف می‌کنند، به‌عنوان‌مثال وقتی یک جامد ذوب می‌شود باید بر باید بر نیروی بین‌مولکولی آن غلبه شود که برای این امر انرژی مصرف می‌شود و مولکول‌ها به شکل مایع در می‌آیند.
تاریخچه نیروی واندروالسی
در سال 1873 یوهانس واندروالس اولین‌بار وجود نیروهای کشش بین‌مولکولی در میان مولکول‌های گاز را بیان کرد. به نظر وی مجموع این نیروها مقدار انحراف یک گاز حقیقی از گاز ایدئال را معین می‌کنند، توضیح خاستگاه این نیروهای بین‌مولکولی در سال 1930 توسط فرتینر لاندن پیشنهاد شد. امروزه نیروهای پراکندگی بین مولکول‌های غیرقطبی را نیروی لاندن و نیروهای بین‌مولکولی را نیروی واندروالس می‌نامند.
نحوه خرید مواد شیمیایی و تجهیزات آزمایشگاهی
امروزه هزاران نوع ماده اولیه شیمیایی در جهان وجود دارد، در ایران نیز به دلیل تحریم‌ها مواد تقلبی به‌وفور در بازار عرضه می‌شود. در نتیجه شما برای خرید مواد شیمیایی اصل و باکیفیت نیاز به شناخت یک مجموعه معتبر دارید. مجموعه تارا طب با بیش از ده سال سابقه فعالیت در زمینه واردات و تأمین مواد اولیه شیمیایی و لوازم آزمایشگاهی توانسته رضایت مشتریان خود را باکیفیت بالای محصول، قیمت مناسب و ارسال سریع جلب کند. شما می‌توانید جهت استعلام موجودی، قیمت و خرید از طریق راه‌های ارتباطی موجود در سایت تارا مدرن طب تجهیز با مشاورین فروش ما به‌صورت مستقیم در ارتباط باشید.
نیروی واندروالسی چیست
در مولکول‌ها، اتم‌ها توسط پیوندهای کووالانسی کنار یکدیگر نگه داشته می‌شوند؛ ولی سؤال این است که مولکول‌ها در حالت جامد و مایع به‌وسیله چه نیرویی به هم جذب می‌شوند. نیروهایی که مولکول‌های یک ماده را در حالت جامد و مایع به همدیگر متصل نگه می‌دارند به نیروهای بین‌مولکولی معروف هستند. این نیروها بین‌مولکولی قطبی با نیروهای بین مولکول‌های غیرقطبی متفاوت است. همان‌طور که ذکر شد اغلب نیروهای بین‌مولکولی به نیروهای واندروالسی معروف هستند. وجود این نیروها بین مولکول‌ها موجب می‌شود که یک ترکیب جامد مولکولی شکل معینی داشته باشد و با غلبه بر این نیروها بتوان آن را به حالت مایع در آورد.
بر خلاف نیروهای دوقطبی – دوقطبی و هیدروژنی، نیروهای واندروالسی شکل خاص و جهت تعریف شده‌ای ندارند. اولین‌بار این نیروها توسط واندروالس فیزیک‌دان هلندی با به‌کارگرفتن تصحیحاتی در قانون گاز ایدئال مطرح و به‌عنوان تخمینی از این نیروها به دست آمد و با وجود ضعیف‌بودن اهمیت دارند. نیروی واندروالسی در مولکول وقتی به وجود می‌آید که مرکز بارهای مثبت و منفی منطبق نباشد، در این حالت می‌گویند که مولکول دو قطبی‌های الکتریکی دارد. نیروهای واندروالسی در سیستم‌های مولکولی که دو قطبی‌ها حالتی دائمی (مولکول‌های قطبی) دارند، به جهت‌گیری نسبی و مکان مولکول‌ها به‌شدت وابسته هستند. این نیروها نسبت عکس با توان ششم فاصله بین دو قطبی‌ها دارند و در فواصل بسیار کم ظاهر می‌شوند. نیروهای دوقطبی در تعیین درجه به‌هم‌فشردگی صفوف منظم مولکول‌ها در بلورها نقشی مهم دارند.
در سیستم‌هایی که دوقطبی‌ها حالت دائمی ندارند، اجزای سیستم در معرض تأثیراتی متفاوت هستند. این تأثیرات به این شکل است که در یک سیستم مولکولی یا اتمی، توضیح بار الکترونی می‌تواند به‌واسطه نزدیک‌شدن کافی اتم‌ها یا مولکول‌ها به هم تبدیل کند و به‌این‌ترتیب در تک‌تک اجزای سیستم دوقطبی تشکیل می‌شود. گاهی اوقات نیروهای جاذبه بین یک جفت از این دوقطبی‌ها نیروی پراکندگی نامیده می‌شود. به این نیروها نیروهای لاندن نیز گفته می‌شود. با اضافه‌شدن تعداد الکترون در اتم یا مولکول و تغییر توضیح بار الکتریکی به طور ساده‌تر به‌وسیله یک میدان الکتریکی، نیروهای پراکندگی افزایش می‌یابند.
نقطه‌جوش مایع میزان تقریبی از نیروهای جاذبه بین‌مولکولی اجزای آن است. با مقایسه نقاط جوش مایعاتی که دارای دوقطبی‌های دائمی نیستند می‌توان به یک ارزیابی تقریبی از مقدار نیروهای پراکندگی دست‌یافت. نیروهای لاندن یا پراکندگی باتوجه‌به ساختمان الکترونی هر جسم یک خاصیت کلی ماده به شمار می‌رود. در سیستم‌هایی که قابلیت قطبی شدن اجزای تشکیل‌دهنده آن‌ها زیاد است انرژی جاذبه بزرگ است.
قدرت نیروی واندروالسی
بین نیروهای بین‌مولکولی ضعیف نیروی واندروالسی از همه ضعیف‌تر است و با افزایش فاصله بین دو ذره برهم‌کنش کننده به‌سرعت از بین می‌رود. اغلب قدرت این نیرو در بازه 4/0 تا 4 کیلوژول بر مول است. باتوجه‌به فاصله دو ذره سه حالت می‌تواند وجود داشته باشد.
- وقتی فاصله بین اتم‌ها از 6/0 نانومتر بیشتر باشد، نیروی واندروالسی بسیار ضعیف بوده و مشاهده نمی‌شود.
- اگر فاصله اتم‌ها بین 4/0 تا 6/0 نانومتر باشد، نیروی واندروالسی از نوع جاذبه است.
- درصورتی‌که فاصله از 4/0 کمتر باشد، نیروی واندروالسی از نوع دافعه است.
این نیرو عاملی برای کنار هم نگه‌داشتن مولکول‌ها و اتم‌ها در حالت جامد و مایع است. نقطه ذوب در حالت جامد به علت ضعیف‌بودن این نیرو پایین است، این جامدات از جامدهای یونی نیز نرم‌تر هستند.
انواع پیوند واندروالسی
نیروی ضعیف واندروالسی انواع مختلف دارد؛ ولی در حالت کلی به دودسته تقسیم می‌شود و مابقی انواع این نیروها زیر شاخه‌های این دو مورد هستند. در زیر به‌صورت جداگانه هر دو نوع را توضیح می‌دهیم.
نیروی پراکندگی لاندن
چگالی بار الکترون به‌احتمال حضور الکترون اتم در منطقه مشخص در ابر الکترونی و در زمان مشخص گفته می‌شود. به دلیل آنکه هیچ راهی برای دانستن موقعیت دقیق الکترون نیست و از طرف دیگر الکترون‌ها در یک بازه زمانی سر جای خود نمانده و حرکت می‌کنند، با اجتماع آن‌ها در یک نقطه گشتاور دوقطبی به وجود می‌آید. این فرایند برای مولکول‌های غیرقطبی نیز رخ می‌دهد، به دلیل تجمع الکترون در یک نقطه به‌صورت لحظه‌ای قطبی می‌شوند.
این تجمع موجب قطبی شدن مولکول شده و غلظت آن را در یک طرف مولکول افزایش می‌دهد، سمت دیگر به‌صورت جزئی دارای بار منفی می‌شود. این امر سبب می‌شود که طرف دیگر مولکول که فاقد الکترون است به‌صورت لحظه‌ای دارای بار مثبت شود و دوقطبی تشکیل شود. به این فرایند که باعث تشکیل مولکول دوقطبی می‌شود، پراکندگی لاندن می‌گویند. این نیرو در مولکول‌هایی که ساختاری فشرده ندارند و خطی هستند قوی‌تر می‌باشد. علت آن است که جاذبه بین الکترون‌ها و پروتون‌های هسته اتم کمتر است. هر چقدر قدرت تحرک و جابه‌جایی الکترون‌ها در مولکول بیشتر باشد، آن مولکول پتانسیل بیشتری برای قطبیده شدن دارد.
نیروی دوقطبی – دوقطبی
اساس این نیرو مثل نیروی پراکندگی لاندن است با این تفاوت که به‌جای دوقطبی لحظه‌ای با دوقطبی دائمی طرف هستیم. در این برهم‌کنش مولکول قطبی مانند آب با قطب منفی خود سر مولکول قطبی دیگر را از طرف مثبتش جذب می‌نماید که به این نیروی جاذبه دوقطبی – دوقطبی می‌گویند.
پیوند هیدروژنی
پیوند هیدروژنی نوع خاصی از نیروی دوقطبی – دوقطبی القایی بین اتم‌های هیدروژن می‌باشد. این پیوند بسیار قوی‌تر از نیروی لاندن و دوقطبی – دوقطبی است. هنگامی که اتم هیدروژن با دو اتم بسیار الکترونگاتیو مانند اکسیژن و نیتروژن پیوند کووالانسی تشکیل دهد، پیوند هیدروژنی به وجود می‌آید. قدرت این نوع پیوند بین 4 تا 50 کیلوژول بر مول می‌باشد.
قطبش‌پذیری
قطبش‌پذیری به توانایی مولکول برای قطبی شدن و جابه‌جایی الکترون‌های درونش گفته می‌شود. هر چه تعداد الکترون‌های یک مولکول بیشتر باشد توانایی آن برای قطبیده شدن بیشتر است. قطبش‌پذیری در جدول تناوبی عناصر در یک ستون از بالابه‌پایین افزایش پیدا می‌کند. همچنین با حرکت از سمت چپ به راست در یک دوره شاهد افزایش قطبش‌پذیری هستیم. این روند به این دلیل است که با افزایش جرم مولکولی تعداد الکترون در ساختار مولکول نیز بیشتر می‌شود. آن‌هایی که در لایه بیرونی قرار دارند با داشتن تعداد بیشتری الکترون کمتر تحت‌تأثیر نیروی هسته با بار مثبت قرار می‌گیرند و راحت‌تر جدا می‌شوند. نیروی هسته با بار مثبت برای الکترون‌ها جاذبه ایجاد کرده و جدایی آن‌ها را سخت‌تر می‌کند.
هنگامی که مولکول قطبی شود نقطه ذوب و جوش آن افزایش می‌یابد؛ زیرا برای ازبین‌بردن نیروهای ایجاد شده در آن به نیروی بیشتر و گرما نیاز دارد. در نتیجه هر چه جرم و تعداد الکترون بیشتر باشد، نقطه ذوب و جوش بالاتر می‌رود. الکترونگاتیوی برعکس قطبش‌پذیری است و به تمایل اتم‌ها به کشیدن الکترون و بار الکترونی به سمت خود می‌نامند. در جدول تناوبی الکترونگاتیوی بیشترین مقدار را در سمت راست دارد، یعنی بیشترین آن مربوط به عنصر فلوئور (F) و کمترین به عنصر فرانسیم (Fr) مربوط است. الکترونگاتیوی باعث بروز قطبیت درون مولکول می‌شود به‌طوری‌که اگر اختلاف الکترونگاتیوی آن دو اتم درگیر بیشتر از 5/0 باشد آن مولکول قطبی است.
بااین‌وجود اگر همچین شرایطی در مولکولی متقارن وجود داشته باشد نا قطبی است. به‌عنوان‌مثال مولکول HF را در نظر بگیرید الکترونگاتیوی فلوئور از هیدروژن بیشتر است. اتم فلوئور به این دلیل چگالی بار را به سمت خود می‌کشد و آن سمت مولکول بار جزئی مثبت پیدا می‌کند. بر همین اساس سمت هیدروژنی مولکول به دلیل کمبود الکترون دارای بار منفی جزئی خواهد بود. به دلیل ماهیت قطبی مولکول HF، در بر همکنش دوقطبی – دوقطبی شرکت می‌کند. هنگامی که این مولکول در کنار مولکول دیگر قرار می‌گیرد سر مثبت آن به سمت فلوئور جذب می‌شود. احتمالاً می‌دانید که سرهای همنام یکدیگر را دفع و سرهای نانام یکدیگر را جذب می‌نمایند.
دلیل وجود پیوند واندروالسی
مکانیک کوانتوم با معادله شرودینگر و اصل عدم‌قطعیت هایزنبرگ بر روی حرکت دائمی الکترون‌ها در اتم تأکید می‌کند. انرژی الکترون‌ها طبق اصل عدم‌قطعیت هایزنبرگ هیچ موقع صفر نمی‌شود در نتیجه به طور دائم دور اوربیتال خود می‌چرخد. طبق معادله شرودینگر اگر اتم را مثل جعبه‌ای در نظر بگیریم در همه جای آن امکان حضور الکترون وجود دارد. این دو اصل مکانیک کوانتومی جابه‌جایی دائم الکترون‌ها در اتم را پیشنهاد داده و دوقطبی شدن آن را محتمل می‌کند. دوقطبی مولکول یا اتمی است که در دو طرف خود بار الکتریکی برابر و خلاف جهت داشته باشد.
نحوه تشکیل دوقطبی در تصویر بالا مشخص است، هنگامی که گروهی از الکترون‌ها به یک سمت مولکول بروند نتیجه به‌وجودآمدن دوقطبی خواهد بود. توجه کنید که این الکترون‌ها پس از تشکیل دوقطبی در جای خود ثابت نمی‌مانند و مدام در دو طرف مولکول جابه‌جا می‌شوند؛ بنابراین دوقطبی دیگری با تعویض سر مثبت و منفی تشکیل می‌شود که این دوقطبی در تصویر نشان‌داده‌شده است.
عوامل مؤثر بر پیوند واندروالسی
دو عامل بسیار مهم بر شدت و نوع نیروی واندروالسی ایجاد شده بین ذره‌ها اثر می‌گذارند که در زیر به شرح آن می‌پردازیم.
تعداد الکترون‌های مولکول یا اتم
در جدول تناوبی عناصر با حرکت در یک گروه از بالابه‌پایین شعاع اتمی عناصر افزایش می‌یابد. همین‌طور با بالارفتن عدد جرمی تعداد الکترون‌های جذب شده به هسته نیز افزایش پیدا می‌کند. با بالارفتن شعاع اتمی و تعداد الکترون، فضای بیشتری برای حرکت آزادانه در اختیار الکترون‌ها قرار می‌گیرد. این موجب می‌شود که تشکیل دوقطبی آسان‌تر شود و هرچه تعداد دو قطبی‌های لحظه‌ای بیشتر باشد، نیروی واندروالسی با شدت بیشتر حضور می‌یابد.
شکل مولکول
مولکول‌های خطی و طویل نسبت به مولکول‌های کوتاه و شاخه‌ای نیروی پراکندگی بیشتری دارند. به‌عنوان‌مثال ایزومرهای ساختاری ایزو بوتان و بوتان با داشتن فرمول شیمیایی یکسان، نقطه‌جوش متفاوتی دارند. این اختلاف نقطه‌جوش به دلیل متفاوت‌بودن نیروی واندروالسی موجود در این دو ایزومر است. این نیرو در مولکول بوتان خطی قوی‌تر از مولکول شاخه‌ای ایزو بوتان است.
فاصله
هر چقدر فاصله بین مولکول‌ها و اتم‌ها بیشتر باشد نیروی واندروالسی به‌دست‌آمده از برهم‌کنش آن‌ها ضعیف‌تر است.
ماهیت عنصر
ماهیت عناصر بر قدرت این نیرو اثر می‌گذارد، بیشتر نافلزها چه در حالت مایع چه گاز این نیرو را دارند.
دما
این مؤلفه فقط روی برهم‌کنش دوقطبی – دوقطبی اثر می‌گذارد.
ویژگی‌های نیروی واندروالسی
- این نیرو اشباع نمی‌شود.
- به جز در برهم‌کنش دوقطبی – دوقطبی به دما بستگی ندارد.
- واندروالسی نیرویی به ذات فزاینده است به این معنی که برهم‌کنش‌های متعددی آن را تولید کند.
- پیوند یونی و پیوند کووالانسی نسبت به نیروی واندروالسی نیروی بیشتری دارند.
- این نیرو کوتاه‌برد بوده که با نزدیک شده اتم‌ها و مولکول‌های درگیر مقدار آن افزایش می‌یابد.
- در بسیاری از ترکیب‌ها این نیرو وجود دارد؛ ولی به دلیل حضور پیوندهایی با نیروهای بیشتر به آن نمی‌پردازند.
کاربردهای نیروی واندروالسی
بسیاری بر این باورند که توانایی ایستادن مارمولک روی سطوح مختلف با انگشت پا به دلیل وجود این نیرو است. نیروی واندروالسی به مارمولک کمک می‌کند تا روی سطوح عمودی راه برود. برخی جانداران دیگر مانند عنکبوت نیز از این قابلیت برخوردار هستند. جذب سطحی مولکول‌های گازی روی سطح جاذب با این نیرو انجام می‌شود. نیروی واندروالس موجب چسبندگی فازهای متراکم می‌شود و همچنین عامل پایداری ساختار پروتئین‌ها است. این نیرو دلیل جامد و مایع بودن اتم‌ها و مولکول‌های غیرقطبی است. از آن در علم زیست‌شناسی و پلیمر بهره می‌برند. این نیرو روی خصوصیات جامدات مولکولی و ترکیبات آلی اثرگذار است.