آب | تعریف ، فرمول شیمیایی ، ساختار ، مولکول | بخش اول

آب ، ماده ای است که از عناصر شیمیایی هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده و در حالتهای گازی ، مایع و جامد وجود دارد. این یکی از فراوان ترین و ضروری ترین ترکیبات است. مایع بی مزه و بی بو در دمای اتاق ، توانایی مهمی در حل بسیاری از مواد دیگر دارد. در واقع ، تنوع آب به عنوان حلال برای موجودات زنده ضروری است. اعتقاد بر این است که زندگی از محلول های آبی اقیانوس های جهان سرچشمه گرفته است و موجودات زنده برای فرآیندهای بیولوژیکی به محلول های آبی مانند خون و آب گوارشی وابسته هستند. همچنین آب در سایر سیارات و قمرها در داخل و خارج از منظومه شمسی وجود دارد. در مقادیر کم آب بی رنگ به نظر می رسد ، اما آب در واقع دارای رنگ آبی ذاتی است که در اثر جذب جزئی نور در طول موج قرمز ایجاد می شود.
اگرچه مولکولهای آب از نظر ساختار ساده هستند (H2O) ، اما خواص فیزیکی و شیمیایی این ترکیب فوق العاده پیچیده است و اینها برای اکثر موادی که بر روی زمین یافت می شوند معمول نیستند. به عنوان مثال ، اگرچه مشاهده تکه های یخ در یک لیوان آب یخ شناور است ، اما چنین رفتاری برای موجودات شیمیایی غیر معمول است. تقریباً برای هر ترکیب دیگر ، حالت جامد متراکم تر از حالت مایع است. بنابراین ، جامد به کف مایع فرو می رود. این واقعیت که یخ روی آب شناور است در جهان طبیعی اهمیت فوق العاده ای دارد ، زیرا یخی که در حوضچه ها و دریاچه ها در مناطق سردسیر جهان ایجاد می شود به عنوان یک مانع عایق عمل می کند که از آبزیان زیر زمین محافظت می کند. اگر یخ متراکم تر از آب مایع بود ، یخ تشکیل شده در حوضچه فرو می رفت و در نتیجه آب بیشتری در معرض دمای سرد قرار می گرفت. بنابراین ، حوضچه سرانجام یخ می زند و تمام اشکال موجود را از بین می برد.
آب در شرایط عادی به صورت مایع روی سطح زمین ظاهر می شود ، که این امر را برای حمل و نقل ، تفریح ​​و زیستگاه بی شمار گیاهان و جانوران ارزشمند می کند. این واقعیت که آب به راحتی به بخار (گاز) تبدیل می شود ، اجازه می دهد تا از طریق جو از اقیانوس ها به مناطق داخلی منتقل شود و در آنجا متراکم شده و به عنوان باران ، زندگی گیاهان و جانوران را تغذیه می کند. (نگاه کنید به hydrosphere: چرخه هیدرولوژیکی برای توضیح چرخه ای که توسط آن آب بر روی زمین منتقل می شود.)
به دلیل برجستگی ، آب از دیرباز نقش مهم مذهبی و فلسفی در تاریخ بشر داشته است. در قرن ششم پیش از میلاد ، تالس از میلتوس ، که گاهی اوقات به دلیل ایجاد فلسفه یونانی شناخته می شد ، آب را تنها بنای اساسی ماده می دانست:
دویست سال بعد ، ارسطو آب را علاوه بر زمین ، هوا و آتش ، یکی از چهار عنصر اساسی دانست. این باور که آب یک ماده اساسی است بیش از 2000 سال ادامه داشت تا این که آزمایشات در نیمه دوم قرن 18 نشان داد که آب ترکیبی است که از عناصر هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده است.
آب روی سطح زمین عمدتا در اقیانوس های آن (97.25 درصد) و یخ های قطبی و یخچال های طبیعی (2.05 درصد) ، با تعادل در دریاچه های آب شیرین ، رودخانه ها و آب های زیرزمینی یافت می شود. با افزایش جمعیت زمین و افزایش تقاضا برای آب شیرین ، تصفیه و بازیافت آب اهمیت فزاینده ای پیدا می کند. جالب اینجاست که نیازهای خلوص آب برای مصارف صنعتی اغلب بیشتر از نیازهای مصرفی انسان است. به عنوان مثال ، آب مورد استفاده در دیگهای بخار فشار بالا باید حداقل 99.999998 درصد خالص باشد. از آنجا که آب دریا حاوی مقادیر زیادی نمک های محلول است ، باید برای اکثر مصارف ، از جمله مصرف انسانی ، نمک زدایی شود.
ساختار آب
آب مایع

مولکول آب از دو اتم هیدروژن تشکیل شده است که هر یک توسط یک پیوند شیمیایی واحد به اتم اکسیژن متصل می شوند. اکثر اتمهای هیدروژن دارای هسته ای هستند که فقط از یک پروتون تشکیل شده است. دو شکل ایزوتوپی ، دوتریوم و تریتیوم ، که در آنها هسته های اتمی نیز به ترتیب حاوی یک و دو نوترون هستند ، به میزان کمی در آب یافت می شوند. اکسید دوتریوم (D2O) ، که آب سنگین نامیده می شود ، در تحقیقات شیمیایی مهم است و همچنین به عنوان تعدیل کننده نوترون در برخی راکتورهای هسته ای استفاده می شود.
اگرچه فرمول آن (H2O) ساده به نظر می رسد ، اما آب ویژگی های شیمیایی و فیزیکی بسیار پیچیده ای را از خود نشان می دهد. به عنوان مثال ، نقطه ذوب آن ، 0 درجه سانتی گراد (32 درجه فارنهایت) و نقطه جوش ، 100 درجه سانتی گراد (212 درجه فارنهایت) ، در مقایسه با ترکیبات مشابه ، مانند سولفید هیدروژن و آمونیاک ، بسیار بالاتر از آن چیزی است که انتظار می رود. در شکل جامد آن ، یخ ، چگالی آب کمتر از زمانی است که مایع است ، یک ویژگی غیر معمول دیگر. ریشه این ناهنجاری ها در ساختار الکترونیکی مولکول آب نهفته است.

مولکول آب خطی نیست بلکه به روش خاصی خم شده است. دو اتم هیدروژن در زاویه 104.5 درجه به اتم اکسیژن متصل شده اند.
فاصله O ― H (طول پیوند) 95.7 پیکومتر (9.57 × 10-11 متر یا 3.77 × 10 − 9 اینچ) است. از آنجا که اتم اکسیژن دارای الکترونگاتیوی بیشتری نسبت به اتم هیدروژن است ، پیوندهای O ― H در مولکول آب قطبی هستند ، اکسیژن دارای بار منفی جزئی (δ−) و هیدروژنها دارای بار مثبت جزئی (δ+) هستند.