جدیدترین‌ دستاوردهای فیزیک

دید كلي

آب فراوانترين ماده در بافتهاي بدن موجودات زنده و دنياي اطراف ما مي‌باشد. بيش از 80 درصد سطح زمين را آب پوشانده است كه به صورت آب نسبتا خالص در رودخانه و درياچه‌ها و محلول رقيق نمك در اقيانوسها و به صورت جامد تقريبا خالص در دشتهاي برف و رودخانه‌هاي يخي و پهنه‌هاي يخي قطبي وجود دارد. خواص غير عادي آب اثر عميقي بر ماهيت محيط زيست دارد . بالا بودن گرماي ويژه آب از تغييرات زياد دماي سطح زمين جلوگيري مي‌كند و دمای کره زمین را برای حیات تنظیم می‌کند. آب اقيانوسها و درياها در طول روز گرماي خورشيد را جذب كرده و بدون تغيير دماي قابل ملاحظه‌اي آن را شب به اتمسفر بر مي‌گردانند. در روي كره ماه كه آب وجود ندارد و سطح آن صخره‌هايي با گرماي ويژه پايين (يك پنجم گرماي ويژه آب) تشكيل شده است گستره دمايي مي‌تواند از 150 درجه تا 120 درجه تغيير كند .

توجيه خواص ويژه آب با پيوند هيدروژني

 
مولكول آب از يك اتم اكسيژن و دو اتم هيدروژن تشكيل شده است و داراي ساختماني خميده با زاويه مي‌باشد. خواص غير عادي آب حاكي از آن است كه در اين مولكول يك نوع نيروي بين مولكولي قوي وجود دارد. اين نيروي قوي ، جاذبه ميان H از يك مولكول آب و اكسيژن از مولكول ديگر مي‌باشد و به پيوند هيروژني موسوم است . اختلاف الكترونگاتيوي ميان O و H به اندازه ايست كه ابر الكتروني در H 2 O  از هيدروژن به طرف اكسيژن جابجا مي‌شود و هيدروژن در تاثير متقابل با مولكولهاي مجاور تقريبا مانند يك پروتون عمل مي‌كند. اندازه كوچك هيدروژن باعث مي‌شود كه اتم اكسيژن از مولكول مجاور به آن نزديك شده و پيوندي ميان آنها ايجاد شود. نكته مهم اين است كه پيوند هيدروژني فقط بين H و اكسيژن و نيتروژن و فلوئور ايجاد مي‌شود. خواص غير عادي آب با پيوند هيدروژني توجيه مي‌شود .

خواص ويژه آب

1- بالابودن گرماي ويژه آب

بالا بودن گرماي ويژه آب نسبت به ديگر مايعات و جامدات نشان دهنده مقدار بالاي انرژي لازم براي شكستن پيوندهاي هيدروژني آب است. تعداد پيوندهاي هيدروژني با افزايش دما كم مي‌شود ولي حتي تا 100 درجه آن قدر پيوند هيدروژني موجود است تا باعث شود گرماي تبخير آب در مقايسه با ساير مايعات بالاتر باشد (540 cal/gr). همان گونه كه اشاره شد اين خاصيت آب سبب شده است كه آب نقش تنظيم كننده حرارتي داشته باشد و جهان را در برابر تغييرات ناگهاني دما حفظ كند . بالا بودن گرماي تبخير آب به مقدار زيادي باعث ثابت ماندن دماي بدن در محدوده كم مي‌شود. مقدار زيادي از گرماي حاصل از سوخت و ساز بدن از طريق تبخير سطحي آب از ميان روزنه‌هاي پوست خارج مي‌شود .

2- افزايش حجم آب هنگام انجماد

هنگام انجماد آب مولكولهاي H 2 O در يك شش ضلعي باز قرار مي‌گيرند هر اتم اكسيژن در بلور يخ به 4 هيدروژن وصل مي‌شود كه با 2 اتم هيدروژن پيوند كووالانسي معمولي و با دوتاي ديگر پيوند هيدروژني تشكيل مي‌دهد. بالا بودن نسبت فضاي خالي در ساختمان يخ باعث كمتر شدن تراكم آن نسبت به آب مي‌شود. افزايش حجم باعث كاهش چگالي آب مي‌شود. سرد شدن آب تا زير 4 درجه باعث كاهش تدريجي چگالي آب مي‌شود و اين نشان مي‌دهد كه در نقطه انجماد آب انتقال از يك ساختمان مولكولي فشرده و بسته به يك ساختمان باز به طور ناگهاني صورت نمي‌گيرد بلكه به تدريج و در گستره دما انجام مي‌شود . با كاهش دما مولكولهاي بيشتري به شكل ساختمان يخ مي‌پيوندند و در دماي زير 4 درجه تبديل به ساختمان باز بر انقباض حاصل از سرد كردن غلبه كرده و با پايين آمدن دما به سمت 0 درجه آب منبسط مي‌شود . انبساط آب به هنگام انجماد هم اثرات مفيد و هم اثرات مضري دارد. انجماد آب در بافتهاي گياهي و جانوري باعث تخريب ديواره سلولي در اثر انبساط مي‌شود. اما همين فرايند انبساط در اثر يخ زدن آب در حفره‌هاي سنگها و صخره‌ها باعث شكستن سنگها شده و ايجاد خاكهاي حاصلخيز مي‌كند .

 
3- دانسيته آب

تغيير دانسيته آب با دما كه اين تغيير در 4 درجه به حداكثر مقدار خود مي‌رسد در ناحيه‌هايي كه آب و هواي زمستاني دارند اهميت فراواني دارد با پائين آمدن دماي هوا لايه‌هاي متراكم‌تر آب در سطح درياچه به كف آن جابجا مي‌شوند و در اين فرايند گردشي اكسيژن و مواد غذايي تقريبا بطور يكنواخت به تمام قسمتهاي درياچه مي‌رسد . بعد از رسيدن به حالت پايدار دماي قسمت زيرين آب به 4 درجه مي‌رسد و باعث مي‌شود تا جانوران آبزي در زمستان به زندگي خود ادامه دهند. از طرف ديگر كم بودن دانسيته يخ نسبت به آب باعث شناور شدن يخ در سطح آب مي‌شود. اگر يخ سنگين‌تر از آب بود آب كف درياها و رودخانه‌ها يكپارچه منجمد مي‌شد و عواقب خطرناكي براي آبزيان در پي داشت.

 
4- كشش سطحي

پيوند هيدروژني بين مولكولهاي آب باعث تشكيل غشاي نسبتا محكمي در سطح آن مي‌نمايند كه در نتيجه باعث مي‌شود كه يك سوزن يا تيغ بر روي آب بماند يا برخي حشرات در سطح آب راه روند همچنين اين خاصيت باعث بالا رفتن آب از لوله‌هاي موئين مي‌شود . كشش سطحي آب با افزايش دما به دليل كم شدن پيوندهاي هيدروژني كاهش مي‌يابد .

5- خاصيت تر كنندگي

اگر نيروهاي ما بين مولكولي مايع كمتر از نيروي متقابل بين مايع و يك جسم جامد باشد مايع در سطح جامد پخش مي‌شود كه خاصيت تر كنندگي نام دارد. ايجاد سطح مقعر بر آب موجود در لوله‌هاي نازك با توجه به پديده تر كردن توجيه مي‌شود. خاصيت تر كنندگي آب باعث استفاده از آن در شستشو مي‌شود. دماي بالا و شوينده‌ها خاصيت تر كنندگي آب را بالا مي‌برند .

6- قطبيت

قطبيت آب به دليل اختلاف الكترونگاتيوي بين اتمهاي اكسيژن و هيدروژن مي‌باشد.

7- استفاده از آب به عنوان حلال

آب به دليل ثابت دي‌الكتريك بالا و همچنين داشتن قطبيت تركيبات يوني را در خود حل مي‌كند. ثابت دي‌الكتريك بالاي آب باعث كاهش نيروي جاذبه ميان يونها مي‌شود. در نتيجه احتمال تركيب مجدد آنها و خارج شدن به صورت رسوب را كم مي‌كند. آب از معدود مايعاتي است كه مي‌تواند در دماي اتاق مقدار زيادي از تركيبات يوني را در خود حل كند. همچنين آب مواد مولكولي مانند متانول ، آمونياك ، اوره و … را كه مي توانند با آب پيوند هيدروژني برقرار كنند هم در خود حل مي‌كند.