درک ساختار مولکولی و قطبش آب

آب یک مولکول ویژه است که مجموعه‌ای از خصوصیات منحصر به فرد را دارد که آن را از همه دیگر چیزها متمایز می‌سازد. زندگی روی کره زمین به دلیل طبیعت بی نظیر آب امکان پذیر است. یکی از ویژگی‌های جالب طبیعت، قطبیش مولکول آب است.

قطبیت چیست؟

منظور ما از "قطبیت" مولکول آب چیست؟ قطبیت یا قطبش نابرابری بار الکتریکی در دو انتهای هر مولکول است. به دلیل توزیع نابرابر الکترون‌ها در مولکول آب، یک قسمت از مولکول نسبت به قسمت دیگر بار منفی بیشتری دارد. این به دلیل خاصیت الکترونگاتیویته یا «الکترون خواهی» است که می‌تواند به عنوان توانایی یک عنصر در جذب الکترون‌ها تعریف شود. اگر اتم‌هایی که یک مولکول را تشکیل می‌دهند دارای الکترونگاتیویته‌های مختلفی باشند، که تفاوت قابل ملاحظه‌ای دارند، آنها الکترون‌ها را به صورت نابرابر جذب می‌کنند و باعث قطبیت می‌شوند.

ساختار مولکولی آب

برای درک آن چه قطبیت است، باید ساختار مولکولی آب و ترتیب الکترون‌های موجود در آن را درک کرد. قطبیت آب به دلیل ساختار مولکولی عجیب آن به وجود می‌آید. مولکول آب از یک اتم اکسیژن که به صورت کووالانسی با دو اتم هیدروژن پیوند یافته است تشکیل شده است. پیوند کووالانسی هنگامی شکل می‌گیرد که دو اتم برای دستیابی به ثبات، جفت الکترون‌هایی را با یکدیگر به اشتراک می گذارند.

اکسیژن دارای شش الکترون در خارجی ترین مدار خود است. از میان این شش الکترون، دو الکترون با دو اتم هیدروژن مشترک هستند (با هر کدام یک الکترون) در جایی که هر اتم هیدروژن فقط یک الکترون در خارجی‌ترین پوسته دارد. از طریق پیوند کووالانسی، اکسیژن دو الکترون را با اتم های هیدروژن به اشتراک می‌گذارد تا مولکول آب را تشکیل دهد. علاوه بر این دو جفت الکترون مشترک، آب دارای دو جفت الکترون غیرقابل اشتراک (که در اصطلاحات شیمیایی جفت تنها نامیده می‌شوند) است که دو جفت پیوند دیگر با اتم‌های هیدروژن را دفع می‌کند و منجر به اعوجاج در شکل مولکول می‌شود.

چرا مولکول آب قطبی است؟

قطبیت به دلیل الکترونگاتیوی یا طبیعت الکترون خواهی بیشتر اکسیژن در مقایسه با هیدروژن در مولکول آب ایجاد می‌شود. حتی گرچه جفت الکترون‌ها با اتم‌های هیدروژن به اشتراک گذاشته شده‌اند، اما این اشتراک به طور مساوی تقسیم نمی‌شود، زیرا اکسیژن الکترون‌ها را بیشتر به سمت خود می‌کشد. این امر بار منفی بیشتری را در سمت اتم اکسیژن و بار مثبت بیشتری را سمت اتم‌های هیدروژن ایجاد می‌کند. این بدان معنی است که مولکول آب به دلیل توانایی بیشتر اکسیژن در جذب الکترون‌ها به سمت خود، قطبی می‌شود. این ماهیت قطبی مولکول آب باعث ایجاد یک گشتاور دو قطبی الکتریکی می‌شود که به بسیاری از خصوصیات عجیب آب منجر می‌شود مانند کشش سطحی زیاد آن.

اهمیت قطبش

عواقب قطبش مولکولی آب بر طبیعت و خصوصیات آن چیست؟ این قطبش تأثیر زیادی در خاصیت آب دارد. در این جا برخی از خواص آب را می توان به طبیعت قطبی بودن آن نسبت داد.

پیوند هیدروژنی

به دلیل ماهیت قطبی آب، نوعی پیوند ویژه بین هر مولکول آب و مولکول‌های اطراف آن تشکیل می‌شود. اتم اکسیژن با بار منفی، اتم‌های هیدروژن موجود در سایر مولکول‌های آب را که دارای بار مثبت هستند، جذب می‌کند و پیوند ضعیفی به نام "پیوند هیدروژنی" ایجاد می‌کند. این پیوند هیدروژنی مسئول بسیاری از خصوصیات عجیب و غریب آب است.

گرمای ویژه و گرمای تبخیر بالا

گرمای ویژه میزان گرمای جذب شده توسط یک گرم ماده است تا دمای آن را 1 درجه سانتیگراد بالا ببرد. گرمای تبخیر، گرمای جذب شده توسط یک ماده برای تبدیل شدن از حالت مایع به حالت گاز است. آب به خاطر وجود پیوند هیدروژنی، در مقایسه با بیشتر مواد، دارای یک گرمای ویژه بالا و گرمای تبخیر بیشتر است. این دو خاصیت، مولکول‌های آب را قادر به مهار نوسانات دمای زیاد می‌کنند، و به عنوان انبارهای گرما عمل می‌کنند و بر آب و هوای روی زمین تأثیر می‌گذارند.

پیوستگی و چسبندگی

پیوند هیدروژنی بین مولکول‌ها، آب را چسبنده‌تر می‌سازد که این منجر به پیوستگی و چسبندگی بیشتر می‌شود. چسبندگی و پیوستگی از مهمترین خصوصیات آب هستند که نقش مهمی در عملکردهای بیولوژیکی آن دارند.

کشش سطحی بالاتر

یک کشش سطحی بالاتر آب، خاصیت عمل مویینگی را به آن می‌بخشد، این امر به آن کمک می‌کند تا از میان لوله‌ها و رگ‌های گیاهان در مقابله با گرانش بالا رود و به ارتفاعات بیشتری برسد. این همان چیزی است که باعث می‌شود آب تا ارتفاعاتی به بلندی درختان عظیمی مانند سکویا بالا رود.

شناوری یخ روی آب

اصطلاح چگالی، یک ویژگی بارز هر شیء است و یک موضوع اساسی برای مطالعه در علم را تشکیل می‌دهد. آب با داشتن خصوصیات فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد، از ویژگی های بارز و جالبی برخوردار است که یکی از آنها چگالی آن است. مولکول آب از یک اتم اکسیژن که به صورت کووالانسی با دو اتم هیدروژن پیوند یافته است تشکیل شده است. این یک پارامتر بسیار نوسان کننده است که به عوامل مختلفی از جمله جرم و حجم آب، دما و فشار اتمسفر بستگی دارد. در شیمی از چگالی آب در دمای اتاق به عنوان یک پارامتر برای مقایسه تراکم اشیاء مختلف دیگر استفاده می شود.

آیا یک ماده در آب شناور می‌ماند یا غرق می‌شود؟ این در مورد تراکم یک ماده به ما ایده می‌دهد. به عنوان مثال، یک قطعه چوب در آب شناور می‌ماند، اما یک سنگ در آن غرق می‌شود. این به ما می‌گوید که چگالی آب در دمای اتاق یا دمای متوسط معمولی، بیشتر از چوب و کمتر از سنگ است. به بیان ساده، چوب از آب کمتر متراکم است و سنگ‌ها از آب متراکم‌تر هستند.

به دلیل پیوند هیدروژنی، که نتیجه قطبیت است، یخ کمتر از آب متراکم است و این باعث شناور شدن آن در آب می‌شود. این امر عواقب مهمی برای زندگی دریایی دارد زیرا در فصل زمستان ورق عایق یخی‌ای بر روی آب شناور می‌شود که از آب، ضمن گرم نگه داشتن لایه‌های زیرین، محافظت می‌کند.

آب به عنوان حلال زندگی

قطبش، آب را به یک حلال جهانی تبدیل می‌کند. آب می‌تواند نمک‌ها، اسیدها، قندها و همچنین قلیاها و گازها را حل کند. بیشتر اجزای سلولی شامل پروتئین‌ها، پلی ساکاریدها و DNA در آب حل می‌شوند و آن را پایه حیات می‌سازند.
بنابراین، برای درک خواص هر مولکول، باید ساختار مولکولی آن را کشف کرد که تمام پاسخ‌های خواص آن را در خود جای داده است. امیدواریم روشن شده باشد که قطبیت آب چیست و چگونه به طبیعت متنوع آن کمک می‌کند و آن را به بستر زندگی روی کره زمین تبدیل می‌کند.

منبع: امکار فاتاک