آب؛ اسرارآمیزترین ماده موجود بر روی زمین

آب ماده‌ای است که اطلاعات زیادی در مورد آن داریم؛ چرا که ۷۵ درصد بدن ما را تشکیل می‌دهد. هر روز آن را می‌نوشیم، با آن حمام کرده و بسیاری لوازم خانه را با آن می‌شوییم. با این حال و با وجود داشتن اطلاعات فراوان، همچنان دانشمندان موفق به درک کامل آن نشده‌اند.

در طول تاریخ آب به عنوان یکی از چهار عنصر اساسی در کنار هوا، خاک و آتش در زندگی انسان‌ها شناخته شده است. در قرن ۱۸ میلادی بوده که آنتوان لاوازیه با گذراندن جریان الکتریسیته از درون آب متوجه شد که این ماده از دو عنصر هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده است.

فرمول آب H2O است. یکی از ویژگی‌های بی‌نظیر آب را می‌توان در پیوند هیدروژنی آن یافت جایی که پیوندها به طور پیوسته بین اتم اکسیژن دارای بار منفی کم و اتم‌های هیدروژن دارای بار مثبت کم، بوجود آمده و تغییر مکان می‌دهد. به این دلیل است که مولکول‌های آب بسیار بیشتر از دیگر مولکول‌ها یکدیگر را جذب می‌کنند.

این پیوندهای هیدروژنی باعث بالا رفتن گرمای ویژه آب می‌شود و این گرمای ویژه بالا نیز باعث می‌شود تا انرژی زیادی برای گرم کردن آب مورد نیاز باشد. به علاوه این پیوند عامل بالا بودن نقطه‌ی جوش آب در مقایسه با سایر مواد مانند هیدروژن سولفید است که ساختار پیوندی مشابه با آب دارند. این ویژگی به علاوه باعث می‌شود تا انسان‌ها مقدار زیادی گرما را با تعریق تحمل کنند.

اثر دیگر پیوند هیدروژنی عملکرد مویینگی آب است که موضوع اولین مقاله‌ی اینیشتین نیز بوده است. این عامل باعث بالا رفتن خود به خود آب در بین دو سطح که فاصله کمی از یکدیگر دارند می‌شود. در این حالت مولکول‌های آب به قدری یکدیگر را جذب می‌کنند که بر نیروی جاذبه زمین غلبه می کنند. مورد دیگری که مویینگی خود را در آن نشان می‌دهد در درختان است. اگر آبی از برگ درختان تبخیر شود، مولکول‌های دیگر توسط نیروی بین مولکول‌های آب از ریشه به سمت بالا کشیده می‌شوند.

اثر دیگر پیوند هیدروژنی آب کشش سطحی بالای آن است. این عامل باعث ایجاد قطرات آب شده و به برخی حشرات اجازه می‌دهد تا بر روی آب حرکت کنند. این نیرو به قدری زیاد است که اطفالی که کمبود Surfactant (ماده‌ی کاهش دهنده‌ی کشش سطحی آب) دارند را حتی هنگام تنفس نیز دچار خستگی می‌کند. خوشبختانه Surfactant حالا به عنوان یک دارو در دسترس بیماران قرار گرفته است.

این حقیقت که آب دارای دو قطب با بار اندک مثبت و منفی است باعث می‌شود تا یک حلال جهانی باشد و به عنوان یک حلال بی‌نقص برای نمک، شکر، اسید، آلکالیل و حتی گازهایی مانند دی‌اکسید کربن عمل کند. این مواد به عنوان مواد آب دوست شناخته می‌شوند؛ چرا که به راحتی در آب حل می‌شوند.

در نقطه‌ی مقابل چربی‌ها و روغن به عنوان مواد آب گریز شناخته می‌شوند؛ چرا که در قسمت‌های انتهایی ساختار مولکولی خود دارای بار مثبت یا منفی نیستند و در نتیجه این مواد بیشتر جذب یکدیگر می‌شوند تا جذب مولکول آب. به این دلیل است که در تمیز کردن لباس‌های چرب نیاز به صابون داریم. صابون دارای دو سر آب دوست و آب گریز است و از طرفی چربی را از لباس جدا کرده و از سمتی دیگر به آب جذب شده و توسط آن دفع می‌شود.

ویژگی بی‌نظیر دیگر آب این است که درحین تبدیل شدن از مایع به جامد افزایش حجم پیدا می‌کند. تقریبا تمامی مواد زمانی که منجمد می‌شوند کاهش حجم پیدا می‌کنند، اما این ویژگی عجیب آب باعث می‌شود تا یخ بر روی نوشیدنی‌های ما غوطه‌ور بماند. مهم‌تر این که این ویژگی باعث می‌شود تا آب از سطح خود یخ بزند. این اتفاق برای موجودات زنده آبزی بسیار حیاتی است و باعث می‌شود تا آن‌ها در مناطق سردسیر یا در فصول سرد سال از بین نروند.

چگالی کم یخ به این دلیل است که مولکول‌های آب برای حفظ ساختار تصادفی خود نیاز به انرژی گرمایی دارند. با کاهش دما مولکول‌های آب شروع به نظم گرفتن می‌کنند. برای ایجاد این نظم، باید فاصله‌ی بین مولکول‌ها افزایش یابد. این افزایش فاصله باعث افزایش حجم شده و در نتیجه عامل کم بودن ۹ درصدی چگالی یخ نسبت به آب می‌شود.

این ادعا که هیچ دو دانه‌ی برفی تا به امروز شبیه یکدیگر نبوده‌اند نیز از این رفتار آب نشات می‌گیرد. الگویی که مولکول‌های آب توسط آن یخ زده و کنار یکدیگر قرار می‌گیرند وابستگی زیادی به دما و رطوبت دارد. اگر بدانید که هر دانه‌ی برف بیش از ۱۰ کوئینتیلیون ( ۱۰ با ۱۸ صفر در جلوی آن) مولکول آب را در خود جا داده متوجه می‌شوید که چگونه وجود این مقدار الگوی مختلف امکان‌پذیر است.

آب به شدت پویا است و به طور مداوم در طی زمین در حال حرکت است و در چرخه‌ای بخار شده، کندانس نیز می‌شود و از طریق بارش به رودخانه‌ها و دریاها باز‌می‌گردد. این نکته در بین موجودات زنده نیز صادق است؛ چرا که مولکول‌های آب در طی فرآیندهای تنفس و فتوسنتز مدام در حال تشکیل و از بین رفتن هستند.

و در حالی که ادامه‌ی حیات ما بدون آب غیرممکن است ذکر این نکته ضروری است که ما خود نیز عامل تولید آب هستیم. هر باری که ما مولکول گلوکز را می‌شکنیم، شش مولکول آب را بوجود می‌آوریم. این فرآیند در طول روز بیش از ۶ میلیون بار در بدن یک انسان عادی صورت می‌پذیرد. با این حال این مقدار آب برای رفع نیازهای ما کافی نبوده و باقی را از طریق نوشیدن آن کسب می‌کنیم.

هر چند در حال حاضر نیز آب مشکلی اساسی در کشورهای خشک است، اما این مشکل در دهه‌های آینده بیشتر از پیش خود را نشان خواهد داد. برای درک بهتر این موضوع باید بدانید که تنها ۳ درصد آب موجود بر روی زمین آب نوشیدنی است و ۹۷ درصد بقیه در اقیانوس‌ها قرار گرفته‌اند. اما ۷۰ درصد از این ۳ درصد آب نوشیدنی نیز در یخ‌های قطبی ذخیره شده‌اند.

همان طور که می‌بینید آب نوشیدنی بسیار کمیاب است و دانشمندان نیز پیش‌بینی می‌کنند اگر روند کنونی ادامه یاید در برهه‌ای از قرن ۲۱ آب ماده‌ای با ارزش‌تر از نفت خواهد شد.

آب در اطراف ما بسیار فراوان بوده و در عین حالی عاملی حیاتی برای زندگی انسان‌ها است و از طرفی به قدری شگفت‌انگیز است که دانشمندان آن را یک معجزه می‌دانند.