علت انبساط غير عادي آب

علت انبساط غير عادي آب مربوط به وضع مولكولهاي آب در حالت جامد و مايع آن است براي توضيح اين پديده لازم است كه ساختمان مولكولي آب و نيز اتمهاي سازنده آن بررسي شود.

هر مولكول آب از يك اتم اكسيژن و دو اتم هيدروژن ( H₂O) تركيب شده است هر اتم اكسيژن داراي8 الكترون است. از اين تعداد 2 الكترون بر سطح انرژي k=1 و6 الكترون برسطح انرژي L=2 با آرايش زير قرار دارند:

1S² 2S² 2P_X² 2P_y¹ 2P_z¹

هر اتم هيدروژن داراي يك الكترون )1S¹) و زماني كه يك اتم اكسيژن با دو اتم هيدروژن پيوند مي يابد مولكول قطبي آب را را ايجاد مي كنند كه وصع اتمها در آن به اين صورت است:

O ----H

105

H

زاويه پيوند در اين مولكول حدود 105 ( 41 ، 104( و فاصله دو مركز اتمهاي اكسيژن و هيدروژن 99/0 آنگستروم است. در مولكولهاي آب علاوه بر آنكه هيدروژن و اكسيژن بر هم نيرو وارد مي كنند نيروهاي الكتروستاتيكي هم در اثر وجود هيدروژن موجود است كه سبب مي شود هر ملكول آب با چهار ملكول مجاور خود پيوند يابد

( پيوند هيدروژني ) و يك شبكه بلوري را ترتيب دهد. در يخ ملكولهاي آب كاملا با يكديگر پيوند يافته و حلقه هاي شش ضلعي به وجود مي آورند. اين شش ضلعيها همه به هم متصلند و ساختمان قفس مانند گسترده اي را در حجم يخ مي سازن. فاصله بين دو اكسيژن مجاور ²2 / 76 A است. وقتي يخ را حرارت دهيم در دماي ذوب، يخ به شبكه هاي كوچكتري شكسته مي شود و اگر بتوان در لحظه كوتاهي از اين تبديل عكسبرداري كرد ، در عكس به نظر مي رسد كه يخي شكسته مي شود و هر قسمت مي تواند بر قسمت ديگر بلغزد. وقتي دما را به تدريج افزايش دهيم ، گرمايي كه آن مي گيرد ، سبب شكسته شدن پيوند بلوري و افزايش جنبش حرارتي مي گردد. جنبش حرارتي بيشتر ، سبب افزايش حجم ماده مي شود ، در صورتي كه مولكولهايي كه در شبكه بلوري در فاصله مشخصي از هم قرار داشتند ، در حالت مايع به هم نزديكترند و حجم كمتري را اشغال مي كنند.

بايد توجه داشت كه در دماي صفر درجه همه مولكولهاي يخ از شبكه بلوري خارج نمي شوند و در اثر افزايش دما ، به تدريج شبكه بلوري شكسته مي شود و مولكولها به هم نزديكتر مي شوند و همزمان ، جنبش مولكولي سبب افزايش حجم مايع مي شود. دو عامل كاهش و افزايش حجم سبب مي شود كه تا دماي 4 درجه ، حجم آب به كمترين مقدار خود برسد و از آن پس ، با زياد شدن جنبش مولكولي ، پديده عادي افزايش حجم آب مشاهده مي شود.

در هنگام سرد كردن آب تا دماي 4 درجه ، حجم كاهش مي يابد ولي در فاصله 4 درجه تا 0 درجه به سبب تشكيل پيوندهاي هيدروژني بين مولكولها و تشكيل شبكه بلوري ، فاصله بين مولكولها زيادتر و در نتيجه حجم افزايش مي يابد.

كاربرد انبساط آب :

كم بودن چگالي يخ نسبت به آب پيامدهاي خطرناكي براي سلول هاي زنده دارد. هنگامي كه بافتهاي زنده منجمد مي شوند، آب موجود درون سلولها بر اثر يخ زدن منبسط مي شود. با انبساط آب، سلول مي تركد و از بين مي رود. هر چه سرد شدن آهسته تر صورت گيرد، بلورهاي يخ درشت تر مي شود و سلولها هم آسيب بيشتري مي بينند.

كارخانه هاي سازنده مواد غذايي منجمد ار اين ويژگي آب استفاده مي كنند و مواد غذايي را به سرعت منجمد مي كنند. در اين حالت بلورهاي يخ بسيار كوچكي تشكيل مي شود كه به سلولهاي ماده غذايي آسيب بسيار كم تري وارد مي كند.

انحلال پذيري آب :

آب يكي از بهترين حلال هاست و تقريبا هر ماده اي را مي تواند حل كند. آب روان سخت ترين سنگها را هم به تدريج حل مي كند و مواد حل شده را به درياها و اقيانوسها مي برد. آب مواد غذايي مورد نياز جانداران را نيز حل مي كند. مواد غذايي موجود در خاك پس از حل شدن در آب ، به سلولهاي گياهان مي رسند و سبب رشد آنها مي شدند.

غذاهايي هم كه انسان يا جانوران مي خورند ، پس از حل شدن در آب جذب سلولهاي بدن آنها مي شوند. آب ، با اينكه بيشتر مواد را در خود حل مي كند ، خنثي باقي مي ماند .

يعني موادي كه در آب حل شده اند بر آن اثري ندارند ، به سبب همين ويژگي است كه جانداران مي توانند آب مورد نياز خود را از هر نوع محلولي كه داراي آب باشد به دست آوريد.

ويژگي هاي آب :

آب نه تنها فراوانترين بلكه غير معمول ترين ماده روي زمين است و داراي ويژگيهايي است كه بعضي از آنها از قانون هاي عمومي پيروي نمي كنند.

آب تنها ماده اي است كه در شرايط عادي ، يعني فشار و دماي معمولي ، همزمان در هر سه حالت جامد ، در زير يخ به حالت مايع ، و در آسمان به حالت گاز يا بخار وجود دارد. مولكولهاي آب پيوسته در حال حركتند. جامد بودن ، يا مايع بودن ، يا گاز بودن آب بستگي به سرعت اين حركت دارد. مولكولهاي آب در حالت جامد به هم نزديك هستند و تقريبا بي حركت اند . در حالت مايع تقريبا نزديك به هم هستند و آزادانه حركت مي كنند . مولكولهاي آب در حالت كاز حركتي تند دارند و به يكديگر برخورد مي كنند.

انبساط آب :

يكي ديگر از ويژگي هاي غير عادي آب آن است كه بر خلاف مواد ديگر در هنگام منجمد شدن انبساط مي يابد به اين معنا كه همان مقدار آب در حالت جامد حجم بيش تري را اشغال مي كند. بنابراين ، حجمي از يخ كه هم حجم آب اوليه است ، جرم كمتري دارد . به اين علت ، مي گويند كه چگالي يخ كم تر از آب است . كم تر بودن چگالي يخ باعث مي شود كه يخ روي آب شناور بماند . اين ويژگي آب سبب مي شود كه بر خلاف بسياري از مايع ها ، آب از سطح شروع به انجماد كند .اين پديده را بارها به هنگام شروع يخ زذن آب ، درون جا يخي يخچال مشاهده كرده ايد ، و همچنين در زمستان ها با يخ زدن سطح آب درياچه ها ، لايه عايقي از يخ به وجود مي آيد كه از يخ زدن لايه هاي زيرين جلوگيري مي كند . در اين شرايط ماهي ها و آبزيان ديگر مي توانند در مناطق گرم تر زيرين به زندگي خود ادامه دهند .

آب در دماي بالاتر از 4 سلسيوس از اين قاعده پيروي مي كند ولي هر چه دماي آن از 4 درجه سلسيوس كمتر شود منبسط مي شودو حجمش افزايش مي يابد . وقتي به حالت جامد ، يعني يخ در آمد ، بر حجم آن به اندازه يك يازدهم ، حجم اصلي افزوده مي شود به سبب همين ويژگي است كه در زمستان لوله هاي آب مي تركد و ديواره هاي حوض و استخر مي شكند .

يك ليتر آب در دماي چهار درجه سلسيوس يك كيلو گرم جرم دارد، با بياني ديگر ، جرم حجمي از آب در چهار درجه سلسيوس يك كيلو گرم در سانتي متر مكعب

آب

آب اغلب ناخالص است ، آب خالص بي طعم ، بي بو و شفاف است مقدار كم آن بي رنگ ولي مقدار زياد آن آبي به نظر مي رسد آب خالص در سطح دريا در صفر درجه سلسيوس يخ مي زند و در صد درجه سلسيوس به جوش مي آيد. آب مايه اصلي زندگي است ، انسان بيشتر از يك ماه هم مي توان بي غذا زنده بمان اما اگر بيش از يك هفته آب به بدن نرسد خواهيم مرد حتي گياهان و جانوراني كه در خشك ترين جاها زندگي مي كنند نياز به مقدار معيني آب دارند ، بيشتر از 70 درصد سطح زمين را آب اقيانوس ها ، درياها ، درياچه ها و رودخانه ها پوشانده است.آب 60 تا 90 درصد وزن گياه ، جانوران و انسان را تشكيل مي دهد. بيشتر دانشمندان عقيده دارند كه زندگي در آب آغاز شده است و نخستين موجودات زنده آبزي بوده اند در قرآن آمده است كه همه چيز از آب زنده است ، در روزگاران باستان نيز تاليس ملطي فيلسوف يوناني عقيده داشت كه آب اصل همه موجودات است بعد ها فيلسوفان ديگر، جهان را ساخته شده از چهار عنصر يعني آتش و آب و هوا و خاك است .

تركيب آب:

آب نيز مانند مواد ديگر از ذرات بسيار كوچكي به نام مولكول تشكيل شده است .در هر قطره آب ميليون ها مولكول وجود دارد هر مولكول آب تركيبي است از دو اتم هيدروژن و يك اتم اكسيژن . حتي در خالصترين آب مواد ديگر نيز وجود دارند اما اين مواد تنها بخش كوچكي از آب را تشكيل مي دهند آب هنگامي كه از روي زمين يا از درون لايه هاي زمين مي گذرد مواد شيميايي موجود در مسير خود را به نسبت هاي متفاوت حل مي كند و به همراه مي برد به همينسبب در آب رودها مواد شيميايي گوناگوني وجود دارند اين مواد ممكن است كلسيم ، باريم ، مس ، كروم و مانند آن يا سولفات ها ، نيترات ها و فسفات ها و تركيب ديگري از آهن ، سرب ، نقره ، سديم و مواد ديگر باشند . بعضي از مواد شيميايي حل شده در آب بر اثر تغيير فشار و دما رسوب مي كنند يكي از مهم ترين اين مواد كلسيم است كه در جداره لوله هاي آب يا سماور يا كتري رسوب مي كند. استالاكتيت و استالاگميت كه در سقفها و ديواره ها و كف غارهاي آهكي ديده مي شوند نمونه هايي از رسوب تركيب هاي كلسيم هستند كه پس از قرنها پديد آمده اند ، گذشته از مواد معدني در آب مواد آلي و جانوراني مانند ميكروب ها ، ويروس ها ، قارچ ها و جلبك ها نيز وجود دارد.

كشش سطحي آب :

آب پس از جيوه ، داراي بيش ترين كشش سطحي است ، كشش سطحي نيرويي است كه بر سطح مايع وارد مي شود و سبب مي آيد تا مساحت سطح آن مايع به حداقل برسد .

كشش سطحي آب نتيجه به هم پيوستگي مولكول هاي آب به يكديگراز يك طرف و به هم پيوستگي مولكول هاي سطحي آب از طرف ديگر است. پيوستگي مولكول هاي آب به يكديگر به قدري است كه آب مي تواند اجسام سنگين تر از خود را بر سطح خود نگاه دارد به سبب همين ويژگي است كه مي توان سوزني را به طور افقي روي آب شناور كرد و بعضي از حشره ها مي توانند روي آب بايستند يا راه بروند . اين ويژگي را هنگام چكيدن آب از شير آب نيز مي توان ديد ، وقتي آب قطره قطره فرو مي ريزد نخست هر قطره به شير آب مي چسبد ، آويزان و بعد كشيده مي شود و سرانجام به صورت كره بسيار كوچكي در مي آيد و فرو مي افتد، كشش سطحي سبب چسبندگي هم مي شود همين ويژگي سبب مي شود كه آب به لبه شير آب ، دست ، بدن و ظرف هاي گوناگون و به بسياري ا چيزهايي كه با آنها تماس پيدا مي كند بچسبد و آنها را تر كند البته ميزان چسبندگي آب به همه مواد يكسان نيست مثلا آب به پارافين نمي چسبد به سبب همين ويژگي چسبندگي است كه آب از ديواره هاي ظرف هاي باريك استوانه شكل بالا مي رود و سطح آن گود به نظر مي رسد ، اين پديده را مويينگي ناميده اند . مويينگي كه در زيستشناسي اهميت بسيار دارد از عواملي است كه سبب مي شود آب موجود در خاك به صورت مايعي زندگي بخش از راه ريشه و ساقه به قسمت هاي گوناگون گياه برسد.

ظرفيت گرمايي ويژه آب :

ظرفيت گرمايي ويژه يك جسم مقدار گرمايي است كه بايد به1كيلو گرم از آن جسم داده شود تا دماي آن 1درجه سلسيوس افزايش يابد.

همان طور كه مي دانيد گرمايه ويژه آب نسبت به ساير مواد بيشتر است. اين نشان مي دهد كه وقتي يك كيلو گرم آب به اندازه يك درجه ساسيوس گرم مي شود ، در مقايسه با ساير مواد مقدار گرماي بيشتري از محيط اطراف خود و از اجسامي كه با آنها در تماس است دريافت كرده است. از اين خاصيت آب براي انتقال گرما از يك مخزن آب گرم به درون رادياتور استفاده مي شود . آب گرم شده كه از مخزن به وسيله تلمبه و از طريق لوله كشي هاي مربوط ، به رادياتورها مي رسد ، در آنجا در تماس با رادياتور ، كه در تماس با هواي سرد است ، سرد مي شود و انرژي دروني خود را به رادياتور مي دهدو بار ديگر ، از طريق لوله هاي برگشت ، آب به مخزن بر مي گردد و در آنجا باز همين عمل تكرار مي شود.

ساختار خميده مولكول آب :

چنان چه يك ميله پلاستيكي (خودكار يا شانه) را به موهاي خود بماليد و آن را به باريكه آب شيره دست شويي نزديك كنيد ، مشاهده خواهيد كرد كه جريان آب از راستاي طبيعي خود منحرف و به ميله پلاستيكي نزديك مي شود.

مي دانيم ميله پلاستيكي يا هر ماده ديگر در حالت طبيعي ، از نظر الكتريكي خنثي است. اما بر اثر مالش ، مقداري بار الكتريكي منفي به دست مي آورد. حال اگر اين ميله پلاستيكي باردار به باريكه آب نزديك شود ، آن را به سوي خود جذب و از مسير اوليه منحرف مي كند. اگر چه آب در حالت عادي خنثي است اما در توجيه اين پديده جالب ، مي توان چنين فرض كرد كه آب مولكول هايي دارد كه در واقع دئ سر مثبت و منفي دارند و به هنگام نزديك شدن ميله پلاستيكيباردار به باريكه آب ، هر مولكول از سر مثبت خود جذب ميله پلاستيكي با بار الكتريكي منفي مي شود.

شواهد تجربي گوناگون ، فرضيه دو قطبي بودن مولكول هاي آب را به اثبات رسانيده است. هم چنين شواهد تجربي نشان مي دهد كه مولگول هاي آب شكل خميده اي ( Vمانند) دارد. به عبارت ديگر ، دو اتم هيدروژن آن نسبت به اتم اكسيژن در يك راستا و به صورت H---O---H قرارنگرفته اند. شيميدان ها پس از آزمايش هاي بسيار فهميده اند كه در سمت اكسيژن مولكول هاي آب بار منفي و در سمت هيدروژن آن بار مثبت وجود دارد.

فراموش نكنيد كه مولكول هاي آب يا هر مولكول ديگري كه دو قطبي است ، يعني يك قطب مثبت و يك قطب منفي دارد ، مولكول قطبي ناميده مي شود ولي در مجموع از نظر الكتريكي خنثي باقي مي ماند زيرا ، تعداد الكترئن ها و پروتون ها در يك اتم يا مولكول همواره برابر است.

آب و رسانايي الكتريكي :

يون هاي سازنده تركيب هاي يوني مانند NaCl ، به هنگام حل شدن در آب يون هاي مثبت شبكه بلور به طرف قطب منفي ، يون هاي منفي شبكه به طرف قطب مثبت مولكول هاي آب جذب مي شوند و در سراسر آب پراكنده مي شوند. حال اگر اين محلول را در يك مدار الكتريكي قرار دهيم ، انتظار مي رود محلول رساناي جريان برق باشد. زيرا يون هاي مثبت محلول مي توانند به طرف قطب منفي ، و يون هاي منفي محلول به طرف قطب مثبت حركت كنند.