شیمی مولکولی

شاید تا بحال از خود پرسیده باشید که چرا مواد مختلف با هم متفاوتند؟ چرا برخی از آن‌ها محکم تر از سایرین هستند؟ چرا برخی از مواد رسانا و برخی نارسانا؟ چرا نور می‌تواند از بعضی از مواد عبور ‌کند و از بعضی دیگر نه؟
سئوالاتی از این دست ذهن را متوجه تفاوت‌‌های مواد از نظر خواص می‌‌کند و ما را در رابطه با علت این تفاوت‌‌ها، به تفکر بیشتر وادار می‌‌کند. با اطلاعاتی که ما از ساختمان عناصر و تفاوت‌‌های موجود در عناصر داریم شاید گمان کنیم که تفاوت‌‌‌‌های موجود در مواد مختلف حاصل تفاوت‌‌های عناصر تشکیل دهنده آنها است. با این تفکر مواد تنها متاثر از تنوع عناصر تشکیل دهنده خود خواهند بود و تمامی ویژگی‌‌های رفتاری مواد با شناخت عناصر تشکیل دهنده آنها روشن خواهد شد. بر این اساس مشخص شدن عناصر تشکیل دهنده یعنی تعیین ترکیب شیمیایی همه اسرار مربوط به خصوصیات مواد را آشکار می‌‌کند. براستی با دانستن ترکیب شیمیایی، خواص مواد معلوم خواهد شد؟
با کمی دقت و توجه به ترکیبات شیمیایی مواد پیرامون خویش در می‌‌یابیم که بسیاری از آنها با وجود این که در رفتار و خواص با یکدیگر بسیار متفاوتند، دارای عناصر تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی یکسان می‌باشند و برخی دیگراز مواد با داشتن عناصر تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی متفاوت با یکدیگر، دارای خواص و رفتار مشابهی هستند. پس چه چیزی بجز ترکیب شیمیایی موجب تفاوت در رفتار مواد می‌‌شود؟
برای جواب این سئوال لازم است که بیشتر با ساختار و ویژگی‌های مواد آشنا شویم.

ساختار مواد چیست؟

ساختار مواد چیست؟ساختار مواد ارتباط بین اتم‌‌ها، یون‌‌ها و مولکول‌‌های تشکیل دهنده آن مواد را مشخص می‌‌کند. برای شناخت ساختار مواد ابتدا باید به نوع اتصالات بین اتم‌‌ها و یون‌‌ها پی برد. به طور حتم با پیوندهای شیمیایی آشنایی دارید. پیوندهای شیمیایی نحوه اتصال میان اتم‌‌ها و یون‌‌ها را مشخص می‌‌کنند. بنابراین تفاوت پیوندهای شیمیایی مختلف را در ویژگی‌های این پیوندها می‌‌توان مشاهده کرد. به عنوان مثال در نمک طعام به دلیل وجود پیوند یونی که منجر به محصور شدن الکترون‌‌ها می‌‌شود، خاصیت "رسانایی" مشاهده نمی‌شود زیرا الکترون‌‌ها که حامل و انتقال دهنده‌ی بار الکتریکی هستند، به دلیل محصور شدن امکان حرکت ندارند و چیزی برای انتقال بار الکتریکی در میان ماده وجود نخواهد داشت. در مقابل در فلزات، مانند مس، به دلیل وجود پیوند فلزی که موجب آزادی الکترون‌‌ها می‌‌شود و امکان تحرک الکترون‌‌ها را فراهم می‌‌نماید، می‌‌توانیم خاصیت رسانایی را انتظار داشته باشیم. زیرا الکترون‌‌های آزاد، امکان انتقال بار الکتریکی را در طول ماده فراهم می‌آورند. همانطور که ذکر شد اطلاع از نوع پیوندهای اتمی می‌‌تواند به شناخت ما از رفتار و خواص مواد کمک کند. اما آیا تنها با دانستن نوع پیوندها تمامی خواص و رفتار یک ماده را می‌‌توان پیش‌‌بینی کرد؟
برای روشن شدن مطلب مثال معروفی را ارائه می‌‌کنیم. همانطور که می‌‌دانید گرافیت و الماس هر دو از اتم‌‌های کربن تشکیل شده‌‌اند و هر دو "ریخت‌‌های" مختلفی از عنصر کربن هستند. اما چرا خواص گرافیت و الماس تا این حد با یکدیگر متفاوت است؟ الماس به عنوان سخت‌‌ترین ماده طبیعی معرفی می‌‌گردد و گرافیت به دلیل نرمی بسیار، به عنوان ماده "روانساز" به کار گرفته می‌‌شود! تفاوت رفتار و خواص گرافیت و الماس را به نوع اتصال و پیوند شیمیایی اتم‌‌های کربن نمی‌‌توان نسبت داد زیرا در هر دو شکل این ماده - که تنها دارای اتم‌‌های کربن است - یک نوع پیوند شیمیایی وجود دارد. بلکه علت در "چگونگی اتصالات و پیوندهای شیمیایی" این دو شکل کربن است. در گرافیت اتم‌‌های کربن شش ضلعی‌‌های پیوسته‌‌ای شبیه به یک لانه زنبور تشکیل می‌‌دهند که در یک سطح گسترده شده است. لایه‌‌های شش ضلعی ساخته شده با قرار گرفتن روی هم، حجمی را تشکیل می‌‌دهند که به آن گرافیت می‌‌گوییم. واضح است که در ساختار گرافیت دو نوع اتصال وجود خواهد داشت: یک نوع اتصال، اتصالی است که بین اتم‌‌های کربن هر لایه لانه زنبوری وجود دارد و جنس آن از نوع پیوند کوالانسی است. نوع دوم اتصالی است که لایه‌‌های لانه زنبوری را به یکدیگر وصل می‌کند. بدیهی است که این نوع از جنس اتصالات اولیه یعنی پیوندهای اتمی نیست. بنابراین پیوند به هم پیوستگی دوم - که قدرت به هم پیوستگی لایه‌‌ها را مشخص می‌‌کند - ضعیف‌‌تر از اتصال اولیه که یک پیوند کوالانسی است، خواهد بود. پس می‌توان انتظار داشت که گرافیت، در جهت صفهات لانه‌زنبوری به دلیل داشتن پیوند قوی کووالانسی استحکام بالایی داشته باشد؛ بالعکس، این ساختار در جهت عمود بر صفحات لانه زنبوری به علت وجود پیوند ضعیف ثانویه بین لایه‌ها، به مراتب کمتر از استحکام درون آنها، دارای مقاومت است. از طرفی به دلیل پیوندهای ضعیف بین لایه‌‌ای انتظار می‌‌رود که با اعمال نیرویی بیشتر، لایه‌‌های لانه زنبوری بتوانند بر روی یکدیگر بلغزند.

1- ساختار گرافیت
در مقابل ساختار لایه‌ای گرافیت، الماس دارای یک ساختار شبکه‌ای است. در گرافیت پیوندهای اولیه یعنی پیوندهای اتمی تنها در یک سطح (در یک وجه) برقرار می‌‌شود در حالی که در ساختار الماس این پیوندها به صورت شبکه‌‌ای سه بعدی فضا را پر می‌‌کنند. در ساختار گرافیت هر اتم کربن با سه اتم کربن دیگر اتصال اتمی از جنس کوالانسی ایجاد می‌‌کند، در حالی که در ساختار الماس هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند اتمی و از جنس کوالانسی برقرار می‌نماید.

2- ساختار الماس

با توضیحاتی که راجع به تفاوت‌‌های ساختاری گرافیت و الماس داده شد مشخص می‌‌گردد که دلیل نرمی گرافیت و سختی الماس در چیست. همانطور که دیدید ساختار با مشخص کردن نوع، تعداد و چگونگی پیوندهای تشکیل دهنده مواد، تاثیر به سزایی در خواص مواد دارد. بنابراین از طریق مطالعه در ساختار مواد، بسیاری از رفتارها و خواص آنها را می‌‌توان پیش‌‌بینی کرد. همچنین برای دستیابی به برخی از خواص می‌‌توان ساختار متناسب با آنها را طراحی نمود.

آیا تا به حال هوا را داخل سرنگی محبوس کرده‌اید تا آن را تحت فشار قرار دهید؟
چه اتفاقی می‌افتد وقتی پیستون سرنگ را فشار می‌دهید؟
هوا چگونه متراکم می‌شود؟ چگونه در یک فضای کوچکتر جا می‌گیرد؟
یک تکه اسفنج را می‌توان در فضای کوچکتری متراکم کرد. علت تراکم اسفنج این است که در آن سوراخهای ریزی وجود دارد، وقتی اسفنج را فشار می‌دهیم هوای داخل این سوراخها خارج می‌شود و ماده جامد اسفنج به هم نزدیکتر می‌گردد. درست مثل زمانی که یک تکه اسفنج خیس را فشار می‌دهید؛ آب از سوراخهای اسفنج خارج و اسفنج متراکم می‌شود. "بویل"، دانشمند انگلیسی در سال 1662 میلادی مقداری جیوه – که فلزی مایع است- را در یک لوله شیشه‌ای پنچ متری ریخت. این لوله خمیده به شکل حرف انگلیسی U و یک سمت آن مسدود بود. بویل مشاده کرد که با افزودن جیوه هوای به دام افتاده در سمتی که بسته است، متراکم می‌شود و فضای کمتری اشغال می‌کند. بویل نتیجه گرفت که هوا باید از ذرات بسیار کوچک، یعنی اتمهای ریز، تشکیل شده باشد. میان اتم‌ها فضایی است که در آن هیچ چیز نیست. وقتی هوا متراکم می‌شود، اتم‌ها به هم نزدیکتر می‌شوند. بویل همان سال‌ها در کتابی نوشت: "عنصرها را باید با آزمایش کشف کرد. شیمیدانها باید بکوشند تا هر چیزی را به مواد ساده‌تر تجزیه کنند، آن ماده یک عنصر است."
دانشمندان بر مبنای این توصیه بویل، تا اواخر قرن هجدهم حدود 30 عنصر گوناگون کشف کردند و مواد مرکب زیادی را که از این عناصر ساخته شده بود را بررسی کردند. بسیاری از مواد مرکب بررسی شده تا آن زمان از مولکول‌های ساده ساخته شده بودند و هر کدام بیش از چند اتم نداشتند. کافی بود فهرستی از انواع گوناگون اتمها تهیه شده و گفته شود که در هر ماده مرکب از هر نوع اتم چند عدد وجود دارد. در سال 1824 میلادی (1203 شمسی) "یوستون لیبینگ" و "فردریخ وهلر"، شیمیدان آلمانی درباره دوماده مرکب متفاوت تحقیق می‌کردند. هریک از آنها برای ماده مرکب خود فرمولی بدست آورد و نشان داد که در آن چه عناصری و از هر عنصر چند اتم وجود دارد. وقتی آنها نتایج کار خود را اعلام کردند معلوم شد که هر دو ماده دارای فرمول یکسانی هستند. با اینکه این دو ماده با هم متفاوت بودند و از هر جهت خواص گوناگونی داشتند، مولکولهای آنها از عناصر یکسان تشکیل شده و حتی عده اتمهای هر عنصر در هر دو ماده یکسان بود. به این ترتیب مشخص شد که تنها جمع کردنِ عده اتمهای موجود در یک مولکول کافی نیست. و این اتمها باید آرایش ویژه‌‌‌ای داشته باشند. بنابراین، آرایش متفاوت سبب تفاوتِ مولکولها می‌شود و خواص مواد با هم فرق خواهند داشت.
با توجه به اینکه هم مولکولها و هم اتمها به قدری کوچک هستند که دیده نمی‌شوند، شیمیدانان چگونه می توانند نوع آرایش اتم‌ها را در مولکولها بیابند؟
نخستین گام را در این راه، "ادوارد فرانکلندِ" انگلیسی برداشت. او مولکول‌های آلی را با برخی از فلزات ترکیب کرد و دریافت که اتمِ یک نوع فلزِ، همیشه با تعداد مشخصی از مولکول‌های آلی ترکیب می‌شود. او نتیجه گرفت که هر اتم توانایی و ظرفیت خاصی برای ترکیب با عناصر دیگر دارد. او اسم این خصلت را "والانس" گذاشت. "والانس" کلمه‌ای لاتین به معنای "ظرفیت" یا "توانایی" است. برای مثال وقتی می‌گوییم:"ظرفیت هیدروژن «یک» است"، یعنی اتم هیدروژن تنها با یک اتم دیگر می‌تواند ترکیب شود. ظرفیت اکسیژن «دو»، نیتروژن «سه» و کربن «چهار» است.
اسکات کوپرِ اسکاتلندی، نیز در 1858 میلادی نظریه "پیوندهای شیمیایی" را مطرح کرد. او معتقد بود که اتمها با "قلاب" یا "پیوند" به یکدیگر متصل می‌شوند و مولکولهای مختلف را تشکیل می‌دهند. طبق نظریه او، هر اتم به اندازه "ظرفیت" یا "والانس" خود می‌تواند با اتمهای دیگر پیوند بدهد. کوپر همچنین مدلی را برای نشان دادن ساختار مولکول ها پیشنهاد کرد .
استفاده از روش کوپر برای نشان دادن ساختمان مولکول‌های کوچک و غیر آلی، به راحتی مقدور بود، اما در مورد مولکول‌های بزرگتر و مواد مرکب آلی، مشکلاتی وجود داشت که گاه باعث گمراهی می‌شد. از اینرو "ککوله" تلاش کرد تا مشکل ظرفیت را در موردِ مواد مرکب آلی برطرف کند. "فردریش آگوست ککوله" با توجه به این مسأله که هر اتم کربن ظرفیت اتصال به چهار اتم دیگر را دارد، توانست مسایل مربوط به تعداد زیادی از مولکول‌ها -که ساختمان آنها تا آن زمان معمّا به نظر می‌رسید- را حل کند.
امروزه نیز از همین مدل برای نشان دادن مولکولها و همچنین توضیح خواص آنها استفاده می‌شود.

اما شیمی‌دانان ها چگونه می‌توانند بین ساختار مولکول و خواص آن ارتباط برقرار کنند؟
مواد مختلف بسته به این‌که از چه عناصر تشکیل شده‌اند و دارای چه آرایشی هستند، خواص مختلفی دارند. برای مثال موادی که خاصیت اسیدی از خود نشان می‌دهند در ساختار مولکولی خود اتم هیدروژنی دارند که به اکسیژن متصل است و آن اتم اکسیژن هم با یک عنصر نافلز مانند گوگرد، فسفر و... پیوند دارد. حال اگر به جای اتم نافلز، یک اتم فلز مانند سدیم، کلسیم یا ... قرار گیرد، ترکیب به جای "خصلت اسیدی"، "خاصیت قلیایی" خواهد داشت.
در داروها و مولکول‌های بزرگ، خواص ترکیب به عوامل متعددی بستگی دارد. در نانو فناوری که هدف ساختن مولکولی جدید با رفتاری خواص است، یک دانشمند شیمی مولکولی با استفاده از تخصص خود، آرایشی از اتم‌ها را پیشنهاد می‌کند که خواصیت مورد نظر ما را داشته باشد. از سوی دیگر باید بدانیم مولکولها صرفاً آنچه ما روی کاغذ رسم می‌کنیم نیستند. مولکول‌ها دارای بعد هستند و فضا اشغال می‌کنند.
یک مولکول در فضا آرایشهای مختلفی را می‌تواند اختیار کند. درحال حاضر با استفاده از یک سری فنون خاص و به کمک کامپیوتر می‌توان آرایش‌های مختلف را پیش‌بینی کرده و چگونگی قرار گرفتن اتمها را در کنار یکدیگر را بررسی کرد. همچنین می توان حدس زد که هر آرایش مولکولی چه خواصی را موجب می‌شود. این کار نیز به واسطه اطلاعاتی که یک دانشمند شیمی مولکولی از مطالعه ساختارهای مختلف مولکولها بدست آورده است، امکان پذیر می‌باشد.
شاخه‌ای از نانوفناوری که با بهره‌گیری از شیمی مولکولی و روشهای محاسباتی فیزیکی و مکانیک کوانتومی، آرایشهای متنوع مولکولها را بررسی می‌کند را نانوفناوری محاسباتی می‌نامند .