مبحث آب در شیمی به زبان ساده
امروز فضای مجازی و بستر اینترنت به یکی از مراجع مهم برای دانش آموزان تبدیل شده است تا با مراجعه به آن پاسخ بسیاری از پرسش های خود را بیابند.
تحریریۀ مدرسه آنلاین تلاش می‌کند تا در این بخش اطلاعات به روز و مستندی را پیرامون موضوعات درسی تهیه و در اختیار کاربران فضای مجازی قرار دهد.
امروز بحث آب در شیمی را با هم می‌خوانیم.
آب
ماده‌ای که تنها از دو عنصر شیمیایی هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده است و در حالت‌های گاز، مایع و جامد آن‌را دیده‌ایم و یکی از فراوان‌ترین ترکیب‌ها بر روی زمین به شمار می‌آید. ماده‌ای بی‌رنگ، بی‌طعم و بی‌بو که از ضروری‌ترین مواد مورد نیاز ما است. در دمای اتاق به حالت مایع قرار دارد و توانایی مهم آن حل کردن بسیاری از مواد در خود است. در واقع همه‌کاره بودن آب به عنوان یک حلال (حل کننده) آن را برای جانداران ضروری ساخته است.
تصور بر این است که حیات نخستین در محلول‌های آبی و درون اقیانوس‌ها شکل گرفته و زنده ماندن جانداران وابسته به محلول‌های آبی است که مانند خون و شیره‌های گوارشی، در فرایندهای زیستی بدن جانداران نقش دارند. اکنون می‌خواهیم نگاهی به شیمی، فیزیک و نقش‌ها و ویژگی‌های منحصر به فرد این ماده حیاتی داشته باشیم.
هرچند مولکول‌های آب، ساختار ساده‌ای(H2O) دارند، اما خاصیت‌های فیزیکی و شیمیایی این ترکیب بسیار پیچیده و در کمتر ترکیبی بر روی زمین مشاهده شده است. برای نمونه، اگر چه مشاهده قالب‌های مکعبی یخ که در لیوان بر روی آب یخ شناور هستند امری عادی به نظر می‌آید، این رفتار در میان دیگر ترکیبهای شیمیایی نامعمول است.
برای سایر ترکیب‌ها، حالت جامد چگال‌تر از حالت مایع است. پس جامد آن‌ها در مایع فرو می‌رود. این واقعیت که یخ بر روی آب شناور می‌شود برای طبیعت جهان بسیار مهم و اساسی است، زیرا یخی که بر روی دریاچه‌ها و تالاب‌ها در منطقه‌های سردسیر به وجود می‌آید همانند یک سد نارسانا، از حیات زیر آن آب‌ها محافظت می‌کند. اگر یخ چگال‌تر از آب مایع بود، یخ تشکیل شده بر روی تالاب در آن فرو می‌رفت، در نتیجه آب بیشتری در معرض هوای سرد قرار می‌گرفت که به دنبال آن، همه تالاب دچار یخ‌زدگی می‌شد و حیات موجودات حاضر در تالاب از بین می‌رفت.
بر روی سطح زمین و تحت شرایط عادی، آب‌ها به حالت مایع یافت می‌شوند که انتقال آن را به زیست‌گاه بسیاری از گیاهان و جانوران امکان‌پذیر می‌کند. ساگی تبدیل این ماده به بخار، اجازه می‌دهد انتقال آن از مسیر اتمسفر بین اقیانوس‌ها و منطقه‌های خشک انجام شود و با میعان آن به شکل باران، بسیاری از گیاهان و حیات وحش را سیراب کند. به انتقال آب‌ها در طبیعت، «چرخه آب» (Water Cycle) گفته می‌شود زیرا در این چرخه، آب‌ها از بین نمی‌روند و با تغییر در حالت فیزیکی، گردش و انتقال آن بر روی زمین اتفاق می‌افتد.
به سبب اهمیت آب، در تاریخ بشر، این ماده نقشی مهمی در دین و فلسفه بازی کرده است. در قرن ششم قبل از میلاد، تالس که با عنوان بنیان‌گذار فلسفه یونانی از او یاد می‌شود، این ماده را تنها بلوک بنیادی ساختار ماده می‌دانست:
آن آب است که حالت‌های گوناگونی به خود می‌گیرد، زمین، جو، آسمان، کوه‌ها، خدایان و انسان‌ها، جانوران و پرندگان، علف و درختان و جاندارانی به کوچکی کرم‌ها، مگس‌ها و مورچه‌ها را تشکیل می‌دهد. همه این‌ها حالت‌هایی از آب هستند. پس بر روی آب تمرکز کنید!
پس از دو قرن، ارسطو این ماده را به عنوان یکی از چهار عنصر اساسی ماده همراه با خاک، هوا و آتش در نظر گرفت. این عقیده که آب، عنصری اساسی است بیش از 2000 سال دوام داشت تا اینکه آزمایش‌ها در نیمه دوم قرن هجدهم نشان داد که آب یک ترکیب است و از عنصرهای هیدروژن و اکسیژن ساخته شده است.
این ماده بر روی سطح زمین، بیشتر در اقیانوس‌ها به میزان ۹۷/۲۵ درصد و کلاهک‌های یخی قطبی و یخچال‌ها در حدود ۲/۰۵ درصد یافت می‌شود و بقیه در دریاچه‌های آب شیرین، رودخانه‌ها و آب‌های زیر زمینی وجود دارد. از آنجایی که جمعیت بر روی زمین رشد می‌کند و تقاضا برای این مایع در حال فزونی است، تصفیه و بازیابی آن بسیار مهم شده است.
جالب است بدانید خلوص آب مورد نیاز برای استفاده صنعتی اغلب بیشتر از خلوص مورد نیاز برای مصرف روزانه انسان‌ها است. برای نمونه، آب استفاده شده در دیگ‌های پر‌فشار می‌بایست خلوص کمتر از ۹۹/۹۹۹۹۹۸ درصد نداشته باشد. چون آب دریا دارای مقدار زیادی نمک حل شده است، برای استفاده‌های بیشتر می‌بایست نمک‌زدایی شود.
ساختار آب
در ادامه، ساختار این ماده را مورد بررسی قرار می‌دهیم.
آب مایع
مولکول این مایع از دو اتم هیدروژن ساخته شده است که هر دو با یک پیوند شیمیایی به یک اتم اکسیژن متصل هستند. بیشتر اتم‌های هیدروژن دارای هسته‌ای با یک پروتون هستند. دو ایزوتوپ دیگر آن یعنی دوتریم و ترتیُم، هسته‌هایی دارند که علاوه بر پروتون، به ترتیب دارای یک و دو نوترون هستند و به مقدار بسیار بسیار کم در آب یافت می‌شوند. دوتریم اکسید (D2O) که آب سنگین نامیده می‌شود، در تحقیقات شیمیایی اهمیت دارد و به عنوان تعدیل کننده نوترون در راکتور (واکنشگاه) هسته‌ای به کار می‌رود.
هر چند فرمول شیمیایی این مایع، ساده به نظر می‌رسد، اما خواص فیزیکی و شیمیایی پیچیده‌ای از خود نشان می‌دهد. برای نمونه، نقطه ذوب آن، صفر درجه سانتی‌گراد و نقطه جوش آن، ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد، بسیار بالاتر از میزان انتظار در مقایسه با ترکیبهای مشابه، مانند هیدروژن سولفید و آمونیاک است. شکل جامد آن، یخ، چگالی کمتری از حالت مایع دارد که خاصیت غیرمنتظره دیگری به شمار می‌آید. ریشه این خاصیت را باید در ساختار الکترونی مولکول این ماده جستجو کرد.
مولکول این مایع به صورت خطی نیست اما خمیدگی آن هم ویژه است. دواتم هیدروژن به‌اتم اکسیژن با زاویه‌ای برابر ۱۰۴/۵ درجه، متصل هستند.
فاصله O-H (طول پیوند) برابر ۹۵/۷ پیکومتر، است. چون اتم اکسیژن الکترونگاتیوتر از اتم هیدروژن است، پیوندهای O-H در مولکول آب، قطبی هستند، چنان‌که اتم اکسیژن مقداری بار جزئی منفی (δ-) و اتم‌های هیدروژن مقداری بار جزئی مثبت (δ+) دارند.
تم‌های هیدروژن در مولکول‌های آب، با نواحی دارای چگالی الکترونی زیاد، برهم‌کنش می‌کنند و می‌توانند اتصال‌های ضعیفی موسوم به پیوندهای هیدروژنی را با آن نواحی برقرار کنند. این بدان معنی است که اتم‌های هیدروژن در یک مولکول آب، با جفت‌الکترون‌های ناپیوندی بر روی اتم اکسیژنِ مولکول دیگر، برهم‌کنش دارند. به نظر می‌رسد که ساختار آب مایع از گرد هم آمدن مولکول‌های آن و تشکیل و گسست مداوم این برهم‌کنش‌ها به وجود می‌آید. همچنین این پدیده سبب خاصیت‌های غیرمنتظره دیگر این ماده مانند گرانروی (ویسکوزیته) و کشش سطحی زیاد آب می‌شود. ساختار لوویس آب را می‌توان به شکل زیر نشان داد.
هر جفت نقطه نشان‌دهنده جفت الکترون‌های ناپیوندی است که تنها بر روی اتم اکسیژن حضور دارند. همچنین این وضعیت را می‌توان با قرار دادن مولکول آب، درون یک مکعب نشان داد.
هر کدام از نشان‌های ↑↓ مربوط به یک جفت‌الکترون ناپیوندی است. این ساختار الکترونی منجر به تشکیل پیوندهای هیدروژنی بین مولکول‌های این ماده می‌شود.
منبع: فرادرس
