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

اگرچه فرمول آن (H2O) ساده به نظر می رسد ، اما آب خواص شیمیایی و فیزیکی بسیار پیچیده ای از خود نشان می دهد. به عنوان مثال ، نقطه ذوب آن ، 0 درجه سانتی گراد (32 درجه فارنهایت) و نقطه جوش ، 100 درجه سانتیگراد (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.
اتمهای هیدروژن موجود در مولکولهای آب به مناطقی با چگالی الکترونی بالا جذب می شوند و می توانند پیوندهای ضعیفی به نام پیوندهای هیدروژنی با آن مناطق ایجاد کنند. این بدان معناست که اتمهای هیدروژن در یک مولکول آب به جفت الکترونی غیر پیوندی اتم اکسیژن در یک مولکول آب مجاور جذب می شوند. اعتقاد بر این است که ساختار آب مایع شامل مجموعه ای از مولکول های آب است که به طور مداوم شکل می گیرند و دوباره شکل می گیرند. این نظم کوتاه برد ، همانطور که نامیده می شود ، سایر خواص غیرمعمول آب مانند ویسکوزیته و کشش سطحی آن را نیز در بر می گیرد.
یک اتم اکسیژن دارای شش الکترون در پوسته خارجی (ظرفیت) خود است که می تواند در مجموع هشت الکترون را در خود نگه دارد. هنگامی که یک اتم اکسیژن یک پیوند شیمیایی واحد ایجاد می کند ، یکی از الکترون های خود را با هسته اتمی دیگر به اشتراک می گذارد و در مقابل سهمی از الکترون آن اتم را دریافت می کند. هنگامی که به دو اتم هیدروژن متصل می شود ، پوسته الکترون بیرونی اتم اکسیژن پر می شود.

آرایش الکترون در مولکول آب را می توان به صورت زیر نشان داد.
هر جفت نقطه نشان دهنده یک جفت الکترون مشترک نیست (یعنی الکترونها فقط روی اتم اکسیژن قرار دارند). این وضعیت را می توان با قرار دادن مولکول آب در یک مکعب نیز به تصویر کشید.
هر نماد ↑ نشان دهنده یک جفت الکترون مشترک نیست. این ساختار الکترونیکی منجر به پیوند هیدروژنی می شود.
ساختارهای یخ

در حالت جامد (یخ) ، فعل و انفعالات بین مولکولی منجر به ساختاری بسیار منظم اما شل می شود که در آن هر اتم اکسیژن توسط چهار اتم هیدروژن احاطه شده است. دو تا از این اتم های هیدروژن به صورت کووالانسی با اتم اکسیژن پیوند خورده اند و دو اتم دیگر (در فواصل طولانی تر) هیدروژن به زوج های الکترونیکی مشترک اتم اکسیژن متصل شده اند.

این ساختار باز یخ باعث می شود چگالی آن کمتر از حالت مایع باشد ، که در آن ساختار مرتب شده تا حدی شکسته شده و مولکول های آب (به طور متوسط) به هم نزدیکتر هستند. هنگامی که آب یخ می زند ، انواع مختلفی از ساختارها بسته به شرایط امکان پذیر است. هجده شکل مختلف یخ شناخته شده است و می توان آنها را با فشار و دمای متفاوت تغییر داد.
اهمیت ساختار آب مایع
حالت مایع آب دارای ساختار بسیار پیچیده ای است که بدون شک شامل ارتباط قابل توجهی از مولکول ها می شود. پیوند هیدروژنی گسترده بین مولکولهای موجود در آب مایع ، ارزشهای بسیار بیشتری برای خواصی مانند گرانروی ، کشش سطحی و نقطه جوش از آنچه برای یک مایع معمولی حاوی مولکولهای کوچک انتظار می رود تولید می کند. به عنوان مثال ، بر اساس اندازه مولکولهای آن ، انتظار می رود آب دارای نقطه جوش تقریباً 200 درجه سانتیگراد (360 درجه فارنهایت) کمتر از نقطه جوش مشاهده شده باشد. برخلاف حالتهای متراکم (جامد و مایع) آب ، که ارتباط گسترده ای بین مولکولهای آب از خود نشان می دهد ، فاز گازی (بخار) آن حاوی مولکولهای آب نسبتاً مستقل در فواصل زیاد از یکدیگر است.
قطبیت مولکول آب نقش عمده ای در انحلال ترکیبات یونی در هنگام تشکیل محلول های آبی دارد. اقیانوس های زمین حاوی مقادیر زیادی نمک محلول هستند که یک منبع طبیعی عالی را فراهم می کنند. علاوه بر این ، صدها واکنش شیمیایی که برای زنده نگه داشتن موجودات زنده در هر لحظه رخ می دهد ، همه در مایعات آبی رخ می دهد. همچنین طعم دار شدن غذاها در حین پخت به دلیل حلالیت در آب موادی مانند شکر و نمک امکان پذیر می شود. اگرچه حلالیت مواد در آب یک فرایند بسیار پیچیده است ، اما برهم کنش بین مولکول های قطبی آب و املاح (یعنی ماده در حال حل شدن) نقش اصلی را ایفا می کند. وقتی یک جامد یونی در آب حل می شود ، انتهای مثبت مولکول های آب به آنیون ها جذب می شود ، در حالی که انتهای منفی آنها به کاتیون ها کشیده می شود. به این فرایند هیدراتاسیون گفته می شود. هیدراتاسیون یون های آن باعث می شود که نمکی در آب تجزیه (حل) شود. در فرآیند انحلال نیروهای قوی موجود بین یونهای مثبت و منفی جامد با فعل و انفعالات قوی آب و یون جایگزین می شوند.