آب، آهنگ زندگی

نیروهای بین‌مولکولی، جاذبه‌هایی هستند که مولکول‌های یک ماده را در کنار هم نگه می‌دارند. این نیروها به طور عمده به دو عامل جرم مولی و قطبیت مولکول‌ها بستگی دارند. در مولکول‌های ناقطبی، با افزایش جرم مولی و حجم ابر الکترونی، نیروهای واندروالسی (لاندن) قوی‌تر شده و نقطه جوش افزایش می‌یابد. به همین دلیل در گروه ۱۷ جدول تناوبی، با سنگین‌تر شدن هالوژن‌ها، حالت فیزیکی در دمای اتاق از گاز (فلوئور و کلر) به مایع (برم) و سپس به جامد (ید) تغییر می‌کند.

در مولکول‌هایی با جرم مولی مشابه، وجود قطبیت (گشتاور دوقطبی بزرگتر از صفر) باعث ایجاد نیروهای دوقطبی-دوقطبی می‌شود که از نیروهای واندروالسی قوی‌تر است. برای مثال، کربن مونوکسید (CO) با وجود جرم برابر با نیتروژن (N_۲)، به دلیل قطبی بودن، نقطه جوش بالاتر و فراریت کمتری دارد. همچنین، حالت فیزیکی مواد در دمای اتاق مستقیماً با نقطه جوش در ارتباط است؛ موادی که در دمای اتاق مایع هستند (مثل هگزان)، نیروهای بین‌مولکولی قوی‌تری نسبت به گازها (مثل آرسین) دارند.

پیوند هیدروژنی نوعی جاذبه بین‌مولکولی بسیار قوی است که زمانی تشکیل می‌شود که اتم هیدروژن با پیوند اشتراکی به یکی از اتم‌های بسیار الکترونگاتیو و کوچک شامل فلوئور (F)، اکسیژن (O) یا نیتروژن (N) متصل باشد. این پیوند باعث می‌شود نقطه جوش موادی مانند آب (H_۲O)، هیدروژن فلوئورید (HF) و آمونیاک (NH_۳) به طور غیرعادی بالاتر از ترکیبات مشابه هم‌گروه خود (مانند H_۲S یا HCl) باشد.

در مولکول آب، هر اتم هیدروژن با اشتراک یک الکترون با اکسیژن، دو پیوند کووالانسی می‌سازد. به دلیل الکترونگاتیوی بالای اکسیژن، اتم اکسیژن سر منفی و هیدروژن‌ها سر مثبت مولکول را تشکیل داده و در میدان الکتریکی جهت‌گیری می‌کنند. ظرفیت تشکیل پیوند هیدروژنی در آب منحصر به فرد است؛ هر مولکول آب می‌تواند با چهار مولکول دیگر پیوند هیدروژنی برقرار کند، در حالی که HF تنها دو پیوند تشکیل می‌دهد. به همین علت آب از HF دیرجوش‌تر و فراریت کمتری دارد.

غلظت یک محلول نشان‌دهنده نسبت مقدار حل‌شونده به مقدار حلال یا کل محلول است. خواص یک محلول علاوه بر نوع مواد، به مقدار آن‌ها نیز بستگی دارد. در آزمایشگاه‌های شیمی، غلظت مولی (مولاریته) به دلیل کاربرد در محاسبات استوکیومتری، پرکاربردترین روش بیان غلظت است. با نصف کردن حجم یک محلول، غلظت آن ثابت می‌ماند، اما با افزودن حلال، غلظت کاهش می‌یابد.

از روش‌های دیگر بیان غلظت می‌توان به درصد جرمی (رایج در صنایع پزشکی و کشاورزی) و پی‌پی‌ام (برای غلظت‌های بسیار کم مثل آلاینده‌ها) اشاره کرد. دستگاه‌های سنجش پزشکی مانند گلوکومتر میزان قند خون را بر حسب میلی‌گرم بر دسی‌لیتر (mg/dL) نمایش می‌دهند، نه غلظت مولی. در محاسبات مولی، جرم مورد نیاز از حاصل‌ضرب غلظت مولی در حجم (لیتر) و جرم مولی ماده به دست می‌آید.

انحلال یک فرآیند رقابتی بین نیروهای جاذبه است. برای حل شدن یک ماده در حلال، باید جاذبه بین حلال و حل‌شونده (در نمک‌ها از نوع یون-دوقطبی) قوی‌تر از میانگین نیروهای جاذبه در مواد خالص باشد. در انحلال ترکیبات یونی در آب، یون‌ها از شبکه بلوری جدا شده و توسط لایه‌ای از مولکول‌های آب احاطه می‌شوند که به آن آب‌پوشیده (هیدراته) شدن می‌گویند.

انحلال‌پذیری حداکثر جرم ماده‌ای است که در ۱۰۰ گرم حلال در دمایی معین حل می‌شود. نمک‌ها بر اساس میزان حلالیت به سه دسته محلول (بیش از ۱ گرم)، کم‌محلول (بین ۰/۰۱ تا ۱ گرم) و نامحلول (کمتر از ۰/۰۱ گرم) تقسیم می‌شوند. اکثر نمک‌ها با افزایش دما انحلال‌پذیریشان افزایش می‌یابد، اما موارد استثنائی مانند لیتیم سولفات (Li_۲SO_۴) با افزایش دما، انحلال‌پذیری کمتری پیدا می‌کنند.

مواد مولکولی بر اساس اصل «شبیه، شبیه را حل می‌کند» در یکدیگر حل می‌شوند. مواد قطبی مانند اوره، اتانول و اتیلن گلیکول به دلیل توانایی تشکیل پیوند هیدروژنی با آب، انحلال‌پذیری بالایی در آن دارند. در انحلال مولکولی (مانند شکر در آب یا ید در هگزان)، ماهیت شیمیایی ذرات حفظ شده و یون تولید نمی‌شود. استون و اتانول به دلیل قطبیت بالا در هر نسبتی با آب مخلوط می‌شوند و محلول سیرشده برای آن‌ها مفهومی ندارد.

در مقابل، هیدروکربن‌هایی مانند بنزین، وازلین و روغن زیتون ناقطبی بوده و در آب حل نمی‌شوند، اما در حلال‌های ناقطبی مانند هگزان به خوبی حل می‌شوند. ویتامین‌ها نیز بر این اساس طبقه‌بندی می‌شوند؛ ویتامین‌های A، D و K محلول در چربی (ناقطبی) و ویتامین C محلول در آب (قطبی) هستند. انحلال ید در هگزان منجر به تشکیل یک محلول همگن و بنفش‌رنگ می‌شود که در آن هر دو جزء ناقطبی بوده و گشتاور دوقطبی نزدیک به صفر دارند.

انحلال‌پذیری گازها در مایعات تابع دما، فشار و ترکیب حلال است. بر اساس قانون هنری، در دمای ثابت، انحلال‌پذیری یک گاز با فشار جزئی آن گاز بالای سطح مایع رابطه مستقیم دارد. یعنی با دو برابر شدن فشار، مقدار گاز حل شده نیز دو برابر می‌شود. اما انحلال‌پذیری گازها با دما رابطه عکس دارد؛ به گونه‌ای که با گرم شدن مایع، جنبش مولکول‌های گاز بیشتر شده و از محلول خارج می‌شوند. همچنین وجود ناخالصی‌هایی مانند نمک خوراکی، با اشغال فضای بین‌مولکولی آب، انحلال‌پذیری گازها را کاهش می‌دهد.

در بررسی انحلال گازها باید دقت کرد که گازهایی مانند نیتروژن (N_۲)، اکسیژن (O_۲) و نیتروژن مونوکسید (NO) صرفاً انحلال فیزیکی دارند و با آب واکنش نمی‌دهند. نمودار انحلال‌پذیری این گازها بر حسب دما، نزولی و غیرخطی (منحنی) است. گازهای قطبی مانند NO در برابر تغییرات فشار حساس‌تر بوده و با شیب گندتری نسبت به گازهای ناقطبی مانند O_۲ در آب حل می‌شوند.

اسمز (گذرندگی) حرکت خودبه‌خودی مولکول‌های حلال (آب) از محیط رقیق به غلیظ از طریق غشای نیمه‌تراوا است. این پدیده باعث متورم شدن زردآلو در آب یا پلاسیده شدن خیار در آب‌نمک می‌شود. در پایان اسمز، مبادله آب متوقف نمی‌شود، بلکه به تعادل دینامیکی می‌رسد. در مقابل، اسمز معکوس با اعمال فشار بیرونی، آب را از محیط غلیظ به رقیق برده و برای تصفیه آب و شیرین‌سازی استفاده می‌شود.

دنیای درون بدن نیز بر پایه محلول‌های آبی است. بخش بزرگی از آب بدن (بیش از نصف) درون سلول‌هاست. یون‌های حیاتی مانند پتاسیم (K⁺) و سدیم (Na⁺) در انتقال پیام‌های عصبی نقش کلیدی دارند. نیاز بدن به پتاسیم حدود دو برابر سدیم است و شیر منبع غنی از کلسیم برای بدن محسوب می‌شود. ردپای آب مفهومی است که نشان‌دهنده میزان مصرف مستقیم و غیرمستقیم آب شیرین (حدود ۱ میلیون لیتر سالانه برای هر فرد) برای تولید کالاها و خدمات است.