اتم‌ها در مولکولها توسط پیوندهای کووالانسی کنار هم نگه داشته شده‌اند. اما پرسش این است که مولکولها در حال مایع و جامد توسط چه نیرویی به سوی یکدیگر جذب می‌شوند، نیروهایی که مولکولهای یک ماده را در حالت مایع یا جامد به همدیگر ارتباط می‌دهد به نیروهای بین مولکولی معروف است.

نیروهای بین مولکولی بین مولکولهای قطبی با نیروهای بین مولکولی بین مولکولهای غیرقطبی باهم تفاوت دارند. معمولاً نیروهای بین مولکولی به نام نیروهای واندروالسی معروفند. وجود این نیروها در بین مولکولها باعث می‌شود که یک ترکیب جامد مولکولی شکل معینی داشته باشد و با غلبه بر این نیروها بتوان آن را به حالت مایع درآورد.

نیروهای دوقطبی - دوقطبی این نیروها بین مولکولهای قطبی دیده می‌شوند. این مولکولها دارای دوقطبیهای دائمی هستند و تمایل به قرار گرفتن در راستای میدان الکتریکی دارند. پایدارترین حالت زمانی است که قطب مثبت یک مولکول تا حد امکان به قطب منفی مولکول مجاور نزدیک باشد. در این شرایط بین مولکولهای مجاور یک نیروی جاذبه الکتروستاتیکی به نام نیروی دوقطبی بوجود می‌آید.

با توجه به مقادیر الکترونگاتیوی اتم‌ها در یک مولکول دو اتمی می‌توان میزان قطبیت مولکول و جهت‌گیری قطبهای مثبت و منفی را پیش بینی کرد اما پیش بینی قطبیت مولکولهای چند اتمی باید مبتنی بر شناخت شکل هندسی مولکول و آرایش جفت الکترونهای غیر مشترک باشد. 

پیوند هیدروژنی نوعی نیروی بین مولکولی است که در آن بین اتم هیدروژن از یک مولکول با اتمهای الکترومگناتیو F و O و N از مولکول دیگر جاذبه‌ای بوجود می‌آید که به پیوند هیدروژنی معروف است. پیوند هیدروژنی فقط بین ترکیبات دارای H و O و N و F وجود دارد یعنی در این ترکیبات هیدروژن به عنوان پلی بین دو اتم الکترونگاتیو عمل می‌کند. انرژی لازم برای شکستن یک مول پیوند هیدروژنی از حدود ۱ تا ۱۰ کیلوکالری متغیر است.

اگرچه پیوندهای هیدروژنی ضعیفتر از پیوندهای کووالانسی است اما در میان نیروهای بین مولکولی قویترین آنها به شمار می‌رود. پیوندهای هیدروژنی نقش موثری در ساختار مواد مهم بیولوژیکی شامل پیوندهای N -H و O-H و تعیین خواص آنها دارد. شکل هندسی پروتئین‌ها واسیدهای نوکلئیک که مولکولهای آلی دارای زنجیر بلند هستند با پیوند هیدروژنی میان گروههای N - H یک زنجیر و گروه C = O زنجیر مجاور تثبیت می‌شود.

که در ربایش فضای بین ملکولی اتم‌های هیدروژن پیوند واندر والسی به طور چشم گیری افزابش میابد . 

مولکولهای غیرقطبی، دوقطبی دائمی ندارند ولی با وجود این تمام مواد غیرقطبی را می‌توان مایع کرد. از اینرو علاوه بر نیروی دوقطبی - دوقطبی باید نوع دیگری از نیروی بین مولکولی وجود داشته باشد. وجود نیروهای پراکندگی در مولکولها به عنوان یک اصل پذیرفته شده‌اند. تصور می‌شود این نیروها ناشی از حرکت الکترونها باشد. در یک لحظه از زمان ابر الکترونی یک مولکول به نحوی تغییر شکل می‌دهد که یک دوقطبی لحظه‌ای بوجود می‌آید که در آن قسمتی از مولکول به مقدار بسیار کم منفی تر از قسمت‌های دیگر است و در لحظه بعد به علت حرکت الکترونها جهت دوقطبی لحظه‌ای تغییر می‌کند.

اثر این دوقطبیهای لحظه‌ای در طول زمان بسیار کوتاه یکدیگر را حذف می‌کنند به صورتی که مولکول غیر قطبی فاقد دوقطبی دائمی می‌شود. ولی دوقطبیهای مواج لحظه‌ای یک مولکول، دوقطبیهای نظیر خود را در مولکولهای مجاور القا می‌کنند و حرکت هم‌زمان الکترونهای مولکولهای مجاور باعث ایجاد نیروی جاذبه بین این دو قطبیهای لحظه‌ای، نیروی لاندن را تشکیل می‌دهند. نیروی لاندن بین مولکولهای قطبی هم وجود دارد، اما تنها نیروی بین مولکولی موجود در مولکولهای غیرقطبی است. 

اطلاعات اولبه

برای اینکه ترکیبی به صورت جامد یا مایع باشد. باید نیروهایی ، مولکولهای آن ترکیب را کنار هم نگه دارد. در ترکیبات قطبی به علت وجود اختلاف الکترونگاتیوی بین دو اتم ، دو بار جزئی مثبت و منفی در دو سر مولکول حاصل می‌شود و این نیروی دوقطبی ، مولکولها را کنار هم نگه می‌دارد. برای توجیه حالت مایع و جامد مواد غیرقطبی مانند برم و ید نیز ، نیروی جاذبه دیگری باید وجود داشته باشد.

چون نقاط ذوب و جوش مواد غیرقطبی با افزایش جرم مولکولی بالا می‌رود، نتیجه می‌گیریم که مقدار این نیرو نیز با جرم و اندازه مولکول زیاد می‌شود. این واقعیت که فراریت مولکولهای قطبی مانند مولکولهای غیرقطبی با افزایش وزن مولکولی کم می‌شود، نشان می‌دهد که این نوع نیروی بین مولکولی باید برای همه مواد مولکولی متداول باشد.

ماهیت نیروهای لاندن
منشا و دلیل بوجود آمدن این نیروی بین مولکولی در سال ۱۹۳۰، توسط “فرتیز لاندن” توضیح داده شد. این نیرو همانند سایر نیروهای بین مولکولی (دوقطبی – دوقطبی و پیوند هیدروژنی ) ماهیت الکتریکی دارد. اما برخلاف آنها که از قطبیت دائم مولکولها بوجود می‌آیند، نیروی لاندن (یا پراکندگی) از جدایی بار موقتی و لحظه‌ای در درون یک مولکول حاصل می‌شود.

منشا تولید لاندون

منشأ ایجاد این نیروها ، حرکت الکترونها می‌باشد. الکترونها در مولکولهای غیرقطبی مانند H2 بطور متوسط به هر اندازه که به یک هسته نزدیک باشند، به همان اندازه به هسته دیگر نزدیکند. اما در یک لحظه ابر الکترونی می‌تواند در یک انتهای مولکول متمرکز شود و در لحظه بعد این ابر الکترونی در انتهای دیگر مولکول باشد.

چگالی لحظه‌ای الکترونها در یک طرف مولکول و قسمت دیگر آن یک دوقطبی موقت در مولکول H2 بوجود می‌آورد. این موضوع به نوبه خود یک دوقطبی مشابه در مولکول مجاور القا می‌کند. این دوقطبی‌های موقت که هر دو در یک مسیر جهت‌یابی شده‌اند، نیروی جاذبه‌ای میان مولکولها ایجاد می‌کنند که به نیروی پراکندگی یا لاندن معروف است.

عوامل موثر در ایجاد نیروهای لاندن
قدرت نیروهای لاندن به این بستگی دارد که وقتی یک دوقطبی موقت در مجاورت یک مولکول برقرار می‌شود، با چه سهولتی می‌تواند توزیع الکترونی آن مولکول را قطبیده کند. سهولت قطبی شدن در درجه اول به اندازه مولکول بستگی دارد. دوقطبی شدن مولکولهای بزرگ که الکترونها دورتر از هسته می‌باشند، آسانتر از مولکولهای کوچک که الکترونها به هسته نزدیک هستند صورت می‌گیرد. با افزایش اندازه مولکول و وزن مولکول بر قدرت نیروهای لاندن افزوده می‌شود.

البته نیروهای لاندن بیشتر به اندازه و شکل مولکول بستگی دارند تا به جرم آن. از میان دو مولکولی که دارای وزن مولکولی یکسان ولی شکل و اندازه مختلفی هستند، الکترونهای مولکول کوچکتر و فشرده‌تر آزادی کمتری دارند و دوقطبی لحظه‌ای براحتی در مولکول ایجاد نمی‌شود. بنابراین نیروی بین مولکولی آنها ضعیف‌تر از نیروی بین مولکولی مولکول بزرگتر می‌باشد که الکترونهایش آزادی عمل بیشتری دارند.

بنابراین نیروهای لاندن در مولکولهای فشرده و متقارن ، ضعیفتر از مولکولهای با اتمهای سبک ، طویل و استوانه‌ای شکل (سطح زیاد مولکول) می‌باشد و به همان علت نقاط ذوب و جوش این ترکیبات فشرده کمتر از مولکولهای بزرگ می‌باشد، هرچند که جرم مولکولی یکسانی داشته باشند.

اهمیت نیروی لاندن
از میان نیروهای بین مولکولی ، نیروی لاندن از همه مهم‌تر می‌باشد. این نیرو تنها نیروی جاذبه میان مولکولهای غیر قطبی است. حتی تخمین زده شده است که ۸۵ درصد از کل نیروهای میان مولکولی در مولکول قطبی HCl ناشی از نیروی لاندن می‌باشد. فقط در مولکولهایی که پیوند هیدروژنی دارند، این نیروها نقش فرعی را ایفا می‌کنند.

برای مثال حدود ۸۰ درصد از نیروهای جاذبه بین مولکولی در آب ، متعلق به پیوند هیدروژنی است و فقط ۲۰ درصد بقیه مربوط به نیروهای پراکندگی (لاندن) می‌باشد. قویترین نیروهای لاندن بین مولکولهای کمپلکس و بزرگ دیده می‌شوند که ابر الکترونی بزرگی دارند که به آسانی تغییر شکل داده و قطبی می‌شوند، این ترکیبات نقاط ذوب و جوش نسبتا بالای دارند.

قانون آووگادرو

عدد آووگادرو عددی نیست که شما روزانه روی در و دیوار خیابان ببینید. شما این عدد را فقط در کتب درسی شیمی مشاهده خواهید کرد که مقدار آن 6.0221415 × 1023 هست که می‌توان آن را به شکل 602,214,150,000,000,000,000,000 نیز نوشت. برای صرفه جویی در وقت این عدد را می‌توانید "یک مول" بخوانید.
همانطور که یک جین مقدار 6 عدد از یک چیز است، یک مول نیز به سادگی مقدار عدد آووگادرو از یک چیز است که این یک چیز اتم یا مولکول است. در نظریه، شما می‌توانید یک مول توپ بیسبال داشته باشید که می‌تواند کل سطح زمین را به ارتفاع چند صد مایل بپوشاند! شما خیلی باید تلاش کنید تا ذره‌ای مناسب تر و بزرگتر از مولکول به مقدار یک مول پیدا کنید. بنابراین اگر مول فقط برای شیمی مورد استفاده قرار می‌گیرد، چگونه آمدئو آووگادرو (نام کامل: لورنزو رومانو آمدئو کارلو آووگادرو، Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro) و علم شیمی با هم ارتباط برقرار کردند؟
او در سال 1776 در ایتالیا متولد شد، آووگادرو در زمان دوره‌ی مهمی از توسعه علم شیمی بزرگ شد. شیمیدانانی نظیر جان دالتون (John Dalton) و جوزف لوییس گیلوساک (Joseph Louis Gay-Lussac) فهم خواص ابتدایی اتم‌ها و مولکول‌ها را شروع کرده بودند، و بشدت با هم در حال منازعه بودند که چگونه این ذرات کوچک بطور لایتجزاء رفتار می‌کنند. قانون مقادیر اختلاط (law of combining volumes) گیلوساک بصورت ویژه آووگادرو را علاقه‌مند کرد. این قانون بیان می‌کرد که زمانیکه دو مقدار گاز با یکدیگر واکنش می‌دهند تا یک گاز سومی را بسازند، درصد میان مقدار واکنش دهنده‌ها و مقدار محصول همیشه از اعداد صحیح ساده می‌باشد. یک مثال ساده در این زمینه: دو مقدار از گاز هیدروژن با یک مقدار از گاز اکسیژن مخلوط می‌شود تا دو مقدار از بخار آب را تشکیل دهد (حداقل زمانیکه دما به اندازه‌ کافی بالا است) بدون هیچ باقیمانده‌ای، یا:
2H2 + O2 --> 2H2O
با سرهم بندی مفاهیم این قانون، آووگادرو نتیجه گرفت که در اصل باید مقادیر مساوی از هر دو گازی در دما و فشار ثابت باید از مقادیر مساوی از ذرات تشکیل شده باشند (قانون آووگادرو). و تنها راه برای توضیح درستی این قانون برای هر مثالی، که شامل مثال اخیر ما نیز می‌شود، این هست که باید اختلافی بین اتم‌ عناصر و مولکول‌ همان عناصر وجود می‌داشت، مانند اکسیژن، که در واقع به عنوان مولکولی وجود دارد نه بصورت تک اتمی (یعنی O¬2 نه اتم O تک). آووگادرو کلماتی مانند "مولکول" را برای توصیف نظریه‌ی خود در اختیار نداشت، و اید‌ه‌هایش در میان بقیه دانشمندان با مخالفت جان دالتون مواجه می‌شد. این باعث شد تا یک شیمیدان دیگر به نام استنیسلائو کنیزارو (Stanislao Cannizaro) توجه ویژه‌ای که لیاقت نظریات آووگادرو را داشت جلب این نظریات کند. زمانیکه این نظریات مورد توجه قرار گرفتند، آن شخص ایتالیایی با نام بلند خود که دیوانه انگاشته می‌شد، مرده بود.

ژان باپتیست پرن

بنابراین چگونه عدد آووگادرو به این نام شناخته می‌شود؟ به دلیل اینکه قانون آووگادرو یک اقدام بسیار مهم در پیشرفت شیمی بود، شیمیدان ژان باپتیست پرن (Jean Baptiste Perrin) به افتخار او نام این عدد را نام او گذاشت. با خواند ادامه مطلب خواهید دریافت که چگونه دانشمندان عدد آووگادرو را تخمین زدند، عددی که حتی امروزه هم یکی از بخش‌ها بسیار مهم علم شیمی است.
عدد آووگادرو در عمل
چگونه روی کره خاکی دانشمندان روی چنین عددی که به نظر می‌رسد اختیاری باشد با هم به توافق رسیدند؟ برای فهم چگونگی رسیدن به این نتیجه، ما باید ابتدا مفهوم واحد جرم اتمی (amu) را درک کنیم. واحد جرم اتمی بعنوان 12/1 جرم یک اتم کربن-12 (معمول‌ترین ایزوتوپ کربن) تعریف شده است. و اما چرا این اتم انتخاب شده است: کربن-12 دارای 6 پروتون، 6 نوترون و 6 الکترون است و به این دلیل که الکترون‌ها جرم بسیار کمی دارند، 12/1 جرم یک اتم کربن-12 بسیار نزدیک به جرم یک پروتون یا نوترون تک است. وزن‌های اتمی عناصر (اعدادی که شما در زیر عناصر در جدول تناوبی می‌بینید) با مفهوم واحد جرم اتمی بیان شده‌اند. برای مثال، هیدروژن بطور متوسط دارای جرم اتمی 1.00794 amu می‌باشد.
متاسفانه، شیمیدان‌ها دارای مقیاسی نبودند که بتواند واحد‌های جرم اتمی را اندازه‌گیری کند، و آن‌ها قطعا توانایی این را نداشتند که یک اتم تک را زمانیکه یک واکنش در حال انجام است، اندازه‌گیری کنند. به این دلیل که اتم‌های مختلف مقادیر جرم متفاوت دارند، شیمیدان‌ها باید راهی پیدا می‌کردند که شکاف میان دنیای نامرئی اتم‌ها و مولکول‌ها و دنیای ذرات شیمی آزمایشگاهی که توسط مقیاس‌ها و اندازه‌گیری‌ها بر حسب گرم بود را پر کنند. در حقیقت برای انجام این کار، آن‌ها یک رابطه میان واحد جرم اتمی و گرم ایجاد کردند، و این رابطه به شکل زیر بود.
1 amu = 1/6.0221415 x 1023 grams
این رابطه به این معنا است که اگر ما مقدار عدد آووگادرو یا یک مول از اتم‌های کربن-12 داشته باشیم (که طبق تعریف دارای وزن اتمی 12 amu هست)، این نمونه از کربن-12 دارای دقیقا وزن 12 گرم است. شیمیدان‌ها از این رابطه استفاده کردند تا به راحتی واحد قابل اندازه‌گیری گرم و واحد نامرئی مول اتم و مولکول را به یکدیگر تبدیل کنند.

رابرت میلیکان

حالا که می‌دانیم چگونه عدد آووگادرو مورد استفاده قرار گرفت، باید به آخرین سوال پاسخ دهیم: در درجه اول چگونه دانشمندان تخمین زدند که چند اتم در یک مول وجود دارد؟ اولین تخمین دشوار از رابرت میلیکان (Robert Millikan) بود، کسی که مقدار بار یک الکترون را اندازه‌گیری کرده بود. بار یک مول از الکترون‌ها، یک فارادی خوانده می‌شود، که در زمان میلیکان شناخته شده بود تا بتواند اکتشاف خود را انجام دهد.
تقسیم یک فارادی بر حسب بار یک الکترون به ما عدد آووگادرو را می‌دهد. در طول زمان، دانشمندان راه‌های جدید‌تر و دقیق‌تری برای تخمین عدد آووگادرو بدست آوردند، که از همه جدیدتر استفاده از تکنیک‌های پیشرفته‌ای نظیر استفاده از اشعه X برای آزمایش کردن هندسه یک کیلوگرم گوی از سیلیکون و تخمین تعداد اتم‌هایی که دارا است از روی داده‌ها است. و زمانیکه کیلوگرم پایه‌ی تمامی واحد‌های جرمی است، بعضی از دانشمندان در عوض شروع به استفاده از عدد آووگادرو کردند، که بیشتر شبیه این است که امروزه ما طول یک متر را بر حسب سرعت نور تعریف کنیم به جای راه‌های دیگری که معمول‌تر هستند.

تهیه شده توسط عرفان ناطقی-کلاس 011-شهید نصیری-1392/09/25

درصد خلوص مواد

در آزمایشگاه شیمی و روی بطری هایی که مواد مختلف در آنها نگهداری می شود، معمولاً درصد خلوص آن ماده نوشته می شود. زیرا به طور کلی موادی که از آن ها در آزمایشگاه یا صنعت از آن استفاده می کنیم خالص نیستند.

 اگر روی ظرف نگهداری کلرید سدیم عدد 8/99 % نوشته شده باشد؛ بدین معناست که اگر 100 گرم از این ماده داشته باشیم 8/99 گرم آن کلرید سدیم و 2/0 گرم ناخالصی دارد.

در بسیاری از آزمایش هایی که در صنعت یا در آزمایشگاه انجام می شود، معمولاً برای تهیه مقدار معینی از یک ماده ی خالص، همواره باید مقدار بیشتری از ماده ی خالص واکنش دهنده ی را در نظر بگیریم. درصد خلوص یک ماده مقدار گرم ماده ی خالص درصد خالص درصد گرم ماده ی ناخالص را نشان می دهد. که به صورت زیر محاسبه می شود:

برای حل مسائل درصد خلوص، معمولاً سه حالت زیر پیش می آید:

حالت اول: در این حالت هم جرم ماده ی ناخالص و هم درصد خلوص آن مشخص باشد. در این صورت کافی است جرم ماده ی ناخالص را در درصد خلوص به صورت(a/100) ضرب کنیم.

مثال) مقدار 7 گرم کلرات پتانسیم که دارای خلوص 70% است، تجزیه می کنیم، در این حالت چند مول اکسیژن تولید می شود؟

پاسخ: ابتدا معادله ی تجزیه کلرات پتانسیم را نوشته و معادله ی آن را موازنه می کنیم.

از اطلاعات ارائه شده می دانیم که مقدار KCLO₃، هفت گرم می باشد با درصد خلوص 70% و می بایستی مقدار مول تولید شده ی اکسیژن را بیابیم.

به طور کلی مقدار کلرات پتانسیم شرکت کننده در واکنش a از طریق زیر محاسبه می شود.

با توجه به جدول تناوبی، جرم مولی مواد تشکیل دهنده ی کلرات پتاسیم، جرم مولی کلرات پتانسیم را می یابیم.

O=16g/mol                     Cl=35/5g/mol                      K=39g/mol

g/mol  5/122=16×3+35+ 39= جرم کلرات پتانسیم

با توجه به معادله ی واکنش تجزیه ی کلرات پتانسیم متوجه می شویم که بازای 2 مول از کلرات پتانسیم، 3 مول اکسیژن به دست می آید؛

پس بازای تجزیه 7 گرم کلرات پتانسیم 70 % ، 06/0 مول اکسیژن آزاد می شود.

حالت دوم:  در برخی از مسائل ممکن است درصد خلوص ماده ای داده شده باشد و جرم آن مطلوب مسئله باشد. در این صورت می بایستی بعد از حل مسئله؛ درصد خلوص را به صورت 100/a در جرم مولی ضرب شود.

حالت سوم: حالتی است که در آن مسائل، جرم ماده ی ناخالص معلوم باشد ولی درصد خلوص آن مورد سؤال باشد. در این صورت می بایستی روابط استوکیومتری جرم ماده خالص را محاسبه کرده و سپس با توجه به رابطه ی زیر، درصد خلوص ماده را می یابیم.