האם עצמים דוממים באמת אינם נעים? התשובה הטבעית והברורה של רובנו תהיה שברור שלא. ואכן, אבן שמונחת על הקרקע נראית לכולנו נייחת לחלוטין. אבל אם נסתכל הרבה יותר מקרוב נגלה שיש בה תנועה בלתי פוסקת.
במבט ראשון, עצם דומם אכן אינו זז. אם נניח חפץ על הרצפה נסמן את מקומו ונחזור אחרי שעה, יום או שנה, הוא יישאר בדיוק באותו מקום שבו הנחנו אותו. אך אם נתבונן עמוק יותר פנימה, אל המולקולות שמרכיבות אותו, ניווכח שהן אינן מפסיקות לנוע לרגע. למעשה, תנועת המולקולות מגוונת מאוד ויש שיאמרו שהיא אפילו מזכירה מעין ריקוד אקראי חסר דפוסים. אני אוהב לחשוב עליו כעל הריקוד המיוחד של המולקולות – הריקוד המולקולרי.
מדוע מולקולות זזות?
כל אטום מורכב מגרעין שמכיל פרוטונים וניוטרונים ומאלקטרונים שסובבים אותו. מולקולות הן צבר של אטומים שקשורים זה לזה באמצעות שיתוף של אלקטרונים. כלומר כל אטום במולקולה משתף חלק מהאלקטרונים שלו עם אטום אחד נוסף לפחות, וכתוצאה מכך נוצר ביניהם קשר שנקרא קשר קוולנטי.
בצורה סכמטית הכימאים מציינים קשר קוולנטי באמצעות קו שמחבר בין שני אטומים. לדוגמה, מולקולת המים מורכבת משני אטומי מימן (H) שקשורים בקשר קוולנטי לאטום חמצן (O) ומולקולת המימן מורכבת משני אטומי מימן שמחוברים בקשר קוולנטי אחד. אותו עיקרון נכון גם למולקולות מורכבות יותר, כגון מולקולת הסוכרוז שהיא למעשה הסוכר הלבן שנמצא במטבח של רובנו.
המבנה הכימי של מולקולות מימן, מים וסוכרוז.
איך מולקולות זזות?
על מנת להבין מדוע מולקולות זזות וכיצד, נתמקד במולקולה בעלת המבנה הפשוט ביותר – מולקולת המימן. כל אחד מאטומי המימן משתף אלקטרון אחד, ולכן הקשר ביניהם מורכב משני אלקטרונים. תיאור הקשר הקוולנטי באמצעות קו קשיח בעל אורך מסוים איננו מדויק ואף מבלבל. למעשה שני האלקטרונים שמחברים בין אטומי המימן נמצאים בתנועה מתמדת, ולכן הקשר כל הזמן מתקצר ומתארך לסירוגין, כמו קפיץ כפי שניתן לראות באיור הבא.
אופן התנודה של מולקולת המימן.
ככל שמספר האטומים והקשרים גדל כך הופכת תנועת המולקולות מגוונת ומורכבת יותר. למולקולת המימן, למשל, יש אופן תנודה אחד בלבד. בכימיה התנודות האלו נקראות גם ויברציות.
קיימים שלושה סוגים שונים של תנועת מולקולות – ויברציה (תנודה), רוטציה והעתקה (תזוזה של כל המולקולה במרחב). אולם מכיוון שכמעט לכל המולקולות יש רק שלושה אופני רוטציה ושלושה 3 כיווני העתקה, אופן התנועה של המולקולות מושפע בעיקר מהוויברציות שלהן.
את מספר אופני התנודה של מולקולה שבה N אטומים אפשר לקבוע ברוב המקרים באמצעות הביטוי הבא: 3N-6. על כן למולקולת המים, שמורכבת משלושה אטומים, יש שלושה אופני תנודה ואילו למולקולת הסוכרוז, שמורכבת מ-31 אטומים, יש 87 אופנים שונים של תנודה. הסימולציות הבאות מציגות את אופני התנודה השונים של מולקולות שמורכבת משלושה אטומים כמו מולקולת המים, ושל מולקולות מורכבות יותר כמו מקטע של חלבון:
שלושת אופני התנודה של מולקולת המים | מקור: Tiago Becerra Paolini, ויקיפדיה.
אופני התנודה של מקטע של חלבון | מקור: Frokor, ויקיפדיה.
אז האם דומם באמת אינו נע? תנועת האלקטרונים מתרחשת כתוצאה מספיגת אנרגיה מהסביבה – למשל אנרגיית חום או אנרגיה שמקורה בקרינה אלקטרומגנטית ומכיוון שכל חפץ ביקום מורכב מאטומים ומולקולות, גם חפצים דוממים תמיד ימצאו בתזוזה.
הרצאת טד בנושא תנודות של מולקולות:
