ما هي قوى فان درفال؟

هي قوى تجاذب كهربائية ناتجة عن ارتباط الجزيئات في المركبات التساهمية غير القطبية وتكون ضعيفة جداً وذلك لتذبذب موقع الرابطة وعدم ثباته وبسبب الأقطاب اللحظية المؤقتة الموجودة لفترة زمنية قصيرة التي تنشأ بفعل تركيز حركة الإلكترونات في جزء ما من جسيم معتدل الشحنة دون الآخر لمادة واحدة غالباً وحيث تتأثر بكثافة السحابة الإلكترونية؛ وسميت بهذا الاسم نسبة إلى العالم الهولندي يوهانس ديدريك فان درفالز ولها أهمية بالغة في العديد من المجالات (الكيمياء بين الجزيئية وتكنولوجيا النانو وفيزياء المواد المكثفة…) ووُجدت لمعرفة ودراسة خصائص الغازات الحقيقية، تتراوح قوتها ضمن المجال [0.4 …4] كيلو جول/ مول لمسافة لاتتجاوز 0.6 نانو متر.

وهي قوى فيزيائية بينية ضعيفة نوعاً ما بالمقارنة مع بقية القوى التي تربط بين جزيئات متشابهة أو غير متشابهة حيث تحدد قوة هذه القوى طبيعة المادة (صلبة، سائلة، غازية)، وتبلغ أقصى قوة لها في الحالة الصلبة وأضعفها في الحالة الغازية.

كما تحدد بعض الخصائص الكيميائية (نقطة انصهار المادة الصلبة وغليان المادة السائلة) وهذه تُعرف بالقوى بين الجزيئية، ولها ثلاثة أنواع:

قوى لندن (التشتت): تعتبر أضعف قوى فاندر فالز بسبب الإزاحة المؤقتة في كثافة الإلكترونات في السحابة الإلكترونية تنشأ بين الجزيئات القطبية منها و غير القطبية وذو أهمية بالغة في الغازات النبيلة لعدم وجود أي قوة تجاذب غيرها وتبلغ قوتها بين [0.5…1] كيلو كالوري/ مول وتتسبب في تكثيف المواد الصلبة أو السائلة مع انخفاض درجة الحرارة وتزداد قوتها بزيادة الكتلة الجزيئية للمادة (عدد الإلكترونات)؛ وسميت نسبة إلى العالم الفيزيائي الألماني الأمريكي فريتز لندن.

قوى ديباي: هي قوى تجاذب بين ثنائيات من الأقطاب إحداهما محرّض والآخر دائم، وتبلغ قوتها بين [1…3] كيلو كالوري/ مول ولا تتأثر بدرجات الحرارة وإنما تعتمد على عزم ثنائي القطب حيث تزداد قوتها بازدياد العزم، وسميت نسبة إلى الفيزيائي الهولندي بيتر ديباي.

قوى كيسوم: هي قوى تجاذب بين ثنائيات الأقطاب الدائمة، وتبلغ قوتها بين [1…7] كيلو كالوري/مول، وتعتمد اعتماداً كلياً على درجات الحرارة وعزم ثنائي القطب وسميت بهذا الاسم نسبة للعالم ويليم هندريك كيسوم.

تتميز بمجموعة من الخصائص، من أهمها:

قوى فان درفال أو قوى فان دير والز، أو قوى فان دير فاس Van der Waals forces؛ وهي قوى كهربائية ضعيفة نسبيًا تجذب الجزيئات أو الذرّات المُحايدة “المتعادلة” وتربطها ببعض في الغازات سواء كانت هذه الغازات في حالةٍ سائلة أو صلبة، كما تربطها في جميع المواد العضوية سواء كانت تلك المواد صلبة أو سائلة. وقد سُميت هذه القوى باسم “فان درفال” نسبةً إلى العالم الهولندي “جوناس ديدريك فان دير فاس أو والاس” Johannes Diderik van der Waals، الذي افترض في عام 1873 وجود هذه القوى بين الجزيئات واستخدم هذه النظرية لحساب خصائص الغاز الحقيقية. وتكون المواد الصلبة التي تترابط عن طريق قوى فان درفال ذات نقطة أو درجة ذوبان أخفض من غيرها وتكون المادة نفسها أخف وأنعم، أكثر من تلك المواد التي تترابط عبر قوى ايونية وروابط معدنية أكبر.

قد تنشأ قوى فان درفال من ثلاثة مصادر أساسية أو ثلاثة شروط أساسية؛ قد تكون جزيئات بعض المواد، وبالرغم من كونها محايدة ومتعادلة كهربائيًا، ذا أقطاب مزدوجة دائمة. وقد يكون جانب واحد من الجزيء إيجابي إلى حدٍ ما والجانب المقابل له يكون سلبيًا؛ وذلك بسبب تشوه أو سوء توزيع الشحنة الكهربائية في بنية بعض الجزيئات. وينتج عن هذا الأمر قوة جذب نظامية وذلك بسبب ميل تلك الثنائيات والأجزاء إلى التوافق مع بعضها البعض، وهذا هو المصدر الأول لقوى فان درفال.

وأنّ وجود الجزيئات ذات الأقطاب الثنائية الدائمة، بشكلٍ مؤقت، يُشوه أو يُحدث خللًا في شحنة الإلكترون الخاصة بالجزيئات المُجاورة سواء كانت تلك الجزيئات قطبية أو غير قطبية، الامر الذي ينتج عنه استقطاب إضافي ممّا يؤدي إلى إنتاج قوة إضافية بسبب التفاعل الذي يحصل ما بين ثنائي القطب الدائم وثنائي القطب المُستحث، وهذا هو المصدر الثاني لقوى فان درفال. بعض المواد لا تحتوي على أقطاب ثنائية دائمة، مثل غاز الأرجون النبيل أو البنزين السائل العضوي، وفي هذه الحالة فإنّ التفاعل وقوة التجاذب تحدث ما بين الجزيئات ذاتها. وهذا الأمر يتمثّل في التكاثف إلى الحالة السائلة عند درجات الحرارة المنخفضة الكافية؛ وهذا هو السبب الثالث والأخير المُسبب لقوى فان درفال.

وقد وُصفت هذه القوى وتعرفنا عليها لأول مرة في عام 1930؛ وكان ذلك على يد العالم الفيزيائي ذات الأصول الألمانية-الأمريكية فريتز لندن Fritz London. الذي قام بتتبع حركة الإلكترونات داخل الجزيئات، وأشار فريتز إلى أنّ مركز الشحنة السالبة للإلكترونات ومركز الشحنة الموجبة الخاصّة بالنوى الذرية لا يتزامنان ولا باي شكلٍ من الأشكال. وتباعًا لذلك، فإنّ تذبذب الإلكترونات يجعل من الجزيئات ثنائيات القطب تتغير مع مرور الوقت، وعلى الرغم من أنّ متوسط الاستقطاب اللحظي، على المدى القصير من الزمن، قد لا يتجاوز الصفر.

إن الأقطاب التي تتغير بمرور الوقت، والتي يُطلق عليها ثنائيات القطب اللحظية، لا تستطيع توجيه نفسها إلى المحاذاة لتقدم لنا تفسرًا فعليًا عن سبب قوة الجذب، إلّا أنّها تُحرّض على محاذاة الاستقطاب بشكلٍ صحيح ودقيق في الجزيئات المُجاورة وهذا الأمر يؤدي بدوره إلى قوى تجاذب فعلية. هذه التفاعلات المُحددة أو القوى الناشئة عن تقلبات الإلكترونات في الجزيئات، والمعروفة باسم قوات لندن أو قوى التشتت، موجودة حتّى بين الجزيئات القطبية بشكلٍ دائم، وبشكلٍ عام هي المُساهم الأكبر للأسباب الثلاث الرئيسية المسؤولة عن قوى التجاذب بين الجزيئات.