اهمیت ساختار آب و رفتار و خواص آن در شیمی رو به راحتی یاد بگیر
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. در بحث گذشته به آب و ساختار آب مایع پرداختیم. امروز به ساختارهای یخ و اهمیت ساختار آب مایع می‌پردازیم.
ساختارهای یخ
در حالت جامد (یخ)، برهم‌کنش‌های بین مولکولی منجر به ساختاری بسیار منظم اما سست می‌شود که در آن هر اتم اکسیژن با چهار اتم هیدروژن احاطه شده است. دو اتم هیدروژن هیدروژن با پیوندهای کووالانسی به اتم اکسیژن متصل و دو اتم دیگر (با فاصله بیشتر)، هیدروژن‌هایی هستند که به جفت‌الکترون‌های ناپیوندی اکسیژن نزدیک هستند.
این ساختار باز سبب می‌شود چگالی جامد، کمتر از حالت مایع شود، اگر ساختار منظم آن به گونه جزئی بشکند، مولکول‌های این ماده می‌توانند به طور متوسط به هم نزدیک‌تر شوند. وقتی این مایع، منجمد می‌شود، ساختارهای گوناگونی بسته به شرایط بوجود می‌آیند. نُه حالت مختلف یخ شناخته شده‌اند که می‌توانند بسته به تغییر در شرایط دما و فشار خارجی به یکدیگر تبدیل شوند.
اهمیت ساختار آب مایع
حالت مایع آب، ساختار بسیار پیچیده‌ای دارد که بدون شک ارتباط قابل توجهی با مولکول‌های آن دارد. پیوند هیدروژنی گسترده بین مولکول‌ها در مایع سبب بالا رفتن مقدار خاصیت‌هایی مانند گرانروی (ویسکوزیته)، کشش سطحی و نقطه جوش می‌شود که از مقدار مورد انتظار برای مولکولی به این کوچکی بیشتر است.
برای نمونه، بر اساس اندازه مولکول‌های آن، از این ماده انتظار می‌رود نقطه جوشی پایین و نزدیک به ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد زیر نقطه جوش مشاهده شده را داشته باشد. بر خلاف حالت‌های چگال‌تر ماده (جامد و مایع) که وابستگی زیادی بین مولکول‌های آن مشاهده می‌شود، فاز گازی (بخار) وابستگی به نسبت کمتری بین مولکول‌های آب دارد و فاصله مولکول‌ها از هم بیشتر است.
قطبی بودن مولکول آب، نقش بزرگی در امکان حل شدن ترکیب‌های یونی در آن و تشکیل محلول‌های آبی بازی می‌کند. اقیانوس‌های روی زمین دارای مقدار زیادی از نمک‌های حل شده هستند که منبع طبیعی بزرگی برای آن‌ها است. افزون بر این، صدها واکنش شیمیایی که در هر لحظه در بدن جانداران برای زنده نگه داشتن آن‌ها اتفاق می‌افتد، همگی در محلول‌های آبی انجام می‌شوند. همچنین، توانایی طعم دادن به غذاهایی که می‌پزیم با حل شدن موادی مانند شکر و نمک در این ماده امکان پذیر است.
اگر چه حل شدن مواد در آب، فرایندی بسیار پیچیده است، برهم‌کنش بین مولکول‌های قطبی این حلال و ماده حل‌شونده در آن نقش بزرگی بازی می‌کنند. وقتی یک جامد یونی در آب حل می‌شود، انتهای مثبت مولکول‌های آب به سمت آنیون‌ها (یون‌های منفی) قرار می‌گیرند، در حالی که انتهای منفی مولکول‌ها به سمت کاتیون‌ها (یون‌های مثبت) قرار می‌گیرند. این فرایند آب‌پوشی نامیده می‌شود. آب‌پوشی یون‌ها در آب سبب تفکیک و حل شدن آن‌ها می‌شود. در فرایند انحلال، نیروهای جاذبه قوی بین یون‌های مثبت و منفی در جامد با برهم‌کنش‌های قوی بین یون- آب، جایگزین می‌شوند.
وقتی مواد یونی در این ماده حل شوند، به اجزای خود که کاتیون‌ها و آنیون‌های مجزا هستند، تفکیک خواهند شد. برای نمونه، وقتی سدیم کلرید (NaCl) در آب حل می‌شود، محلول حاصل دارای یون‌های مجزای cl- و na
است.
NaCl(s)H2O⟶Na+(aq)+Cl−(aq)
در این معادله، (s) نشان‌دهنده حالت جامد و (aq) مخففی برای «Aqueous» است که نشان می‌دهد یون‌ها آب‌پوشی شده‌اند، به این معنی که تعدادی از مولکول‌های آب به آن‌ها چسبیده‌اند. همچنان که سدیم کلرید حل می‌شود، چهار مولکول آب، یون سدیم را می‌پوشانند (عدد آب‌پوشیNa+ چهار است). درست در بیرون این کره داخلی آب‌پوشی، منطقه‌ای هست که مولکول‌های آب، به گونه‌ای جزئی با حضور یون آب‌پوشیده[Na(H2O)4]+ مرتب شده‌اند. این ناحیه به گونه جزئی منظم، با ناحیه توده آب مایع مخلوط است.
به طور کلی، با چگالی بار بزرگ‌تر (نسبت بار به سطح) یک یون، عدد آب‌پوشی آن بزرگ‌تر خواهد شد. به عنوان یک قاعده، یون‌های منفی، اعداد آب‌پوشی کمتری نسبت به یون‌های مثبت دارند زیرا تراکم بیشتر زمانی اتفاق می‌افتد که اتم‌های هیدروژن مولکول‌های آب، به سمت آنیون‌ها جهت‌گیری می‌کنند.
بسیاری از ترکیب‌های غیریونی نیز در آب حل می‌شوند. برای نمونه، اتانول(C2H5OH)، الکل حاصل از تخمیر قندها، بسیار در آب، محلول است و درصد قابل توجهی از آن را همراه با ترکیب‌های دیگر تشکیل می‌دهد. اتانول به دلیل ساختارش در این حلال، حل می‌شود. مولکول، مشابه با آب، دارای یک پیوند قطبی O−H است و اجازه برهم‌کنش مؤثر با حلال را می‌دهد.
ترکیب‌های فراوانی وجود دارند که به هیچ وجه در این مایع حیات حل نمی‌شوند. چربی حیوانی برای نمونه، در آب خالص نامحلول است زیرا طبیعت غیر قطبی مولکول‌های چربی، آن را با مولکول‌های قطبی آب، ناسازگار می‌کند. به طور کلی، ترکیب‌های قطبی و یونی در آب حل می‌شوند. یک راه مهم برای تشخیص اینکه دو ترکیب قابل حل در یکدیگر هستند (تشکیل محلول می‌دهند)، این قاعده است که هر ترکیبی شبیه خود را حل می‌کند. این بدان معنی است که دو ماده قطبی به احتمال زیاد تشکیل محلول می‌دهند و همچنین دو ماده غیر قطبی نیز ممکن است در یکدیگر حل شوند.
رفتار و خواص
حالا رفتار و خواص این مادۀ شگفت‌انگیز را بررسی می‌‌کنیم.
آب در دماها و فشارهای بالا
ماهیت توانایی این ماده برای رفتار به عنوان یک حلال قطبی (ماده حل‌کننده)، در دما و فشار بالا، دچار تغییر می‌شود. هرقدر آب، گرم‌تر می‌شود، به نظر می‌رسد مولکول‌های آن بیشتر با مولکول‌های ناقطبی برهم‌کنش می‌کنند. برای نمونه، در دمای ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد و فشار بالا، خاصیت حل‌کنندگی آب بسیار شبیه به استونCH3COCH3 می‌شود که یک حلال آلی رایج است.
آب در ورای دما و فشار بحرانی‌اش (374 درجه سانتی‌گراد و ۲۱۸ اتمسفر) رفتار نامعمول و ویژه‌ای از خود نشان می‌دهد. بالاتر از دمای بحرانی، تفاوت بین حالت‌های مایع و گازی آب از بین می‌رود و تبدیل به یک «سیال فوق بحرانی» می‌شود که چگالی آن می‌تواند از حالت شبیه به مایع تا حالت شبیه به گاز بر اساس تغییر دما و فشار آن تغییر کند.
اگر چگالی آب فوق بحرانی به اندازه کافی بالا باشد، ترکیب‌های یونی را به آسانی حل می‌کند که برای آب معمولی هم به همین صورت است، اما به گونه‌ای تعجب آور، این سیال فوق بحرانی همچنین می‌تواند به آسانی مواد غیرقطبی را در خود حل کند که آب معمولی توانایی انجام آن را ندارد. به دلیل توانایی آن در حل کردن مواد غیرقطبی، از این سیال به عنوان محیط احتراق برای از بین بردن پساب‌های سمی بهره می‌گیرند.
برای نمونه، پساب‌های آلی می‌توانند با اکسیژن در آب فوق بحرانی با چگالی مناسب مخلوط و در سیال سوزانده شود. شعله در واقع «داخل آب» (Underwater) می‌سوزد. اکسایش در این سیال فوق بحرانی می‌تواند برای از بین بردن ترکیب‌های آلی خطرناک و گونه‌گون مورد بهره‌گیری قرار گیرد، چرا که واکنشگاه آب فوق بحرانی، سربسته است و بنابراین هیچ آلاینده‌ای از آن وارد جو نمی‌شود.
منبع: فرادرس
