up
Search      menu
علم و تکنولوژی :: مقاله آب PDF
QR code - آب

آب

چرا آب، عجيب ترين مايع جهان است؟

آب، فراوان ترين مايع و به جرات مهم ترين مايعي است که روي زمين وجود دارد؛ اما اهميت آن به پديده هاي زيستي منحصر نمي شود. ويژگي هاي فيزيکي آب در مقايسه با ديگر مواد روي زمين، بي نظير است.
ما با معما هاي زيادي مواجه هستيم، از طبيعت ماده تاريک و سر منشاء جهان گرفته، تا تحقيق براي نظريه همه چيز. اينها همه معماهايي در مقياس بزرگ هستند، اما شما مي توانيد معماي ديگري را از جهان فيزيکي مشاهده کنيد که از آشپزخانه شما مي آيد (و اگر همان قدر بزرگ نباشد، به همان اندازه گيج کننده باشد). فقط يک ليوان را از آب سرد پر کنيد، يک قالب يخ در آن بياندازيد و صبر کنيد تا آب از تلاطم بيفتد.
اين واقعيت که يخ شناور مي شود، اولين مورد عجيب اين ماده است. زماني معما عميق تر مي شود که با استفاده از يک دماسنج دماي آب را در اعماق مختلف اندازه بگيريد. در بالا و در نزديک قالب يخ، مي بينيد که دماي آب نزديک به صفر درجه است، اما در انتهاي ليوان دما به ۴ درجه مي رسد. دليل آن اين است که چگالي آب در دماي ۴ درجه سلسيوس، از هر دماي ديگري بيشتر است (يک ويژگي عجيب ديگر که آن را از هر مايع ديگري متمايز مي سازد).
به گزارش نيوساينتيست، خواص عجيب آب همچنان ادامه دارد و برخي از آنها براي زندگي حياتي هستند. به دليل اينکه چگالي يخ از آب کمتر است و چگالي آب در نقطه انجماد کمتر از زماني است که آب تا چهار درجه گرم تر باشد، آب نسبت به ته ليوان، از بالا به پايين منجمد مي شود. بنابراين حتي در طول عصر يخ بندان، زندگي در اعماق درياها و اقيانوس ها همچنان ادامه داشت. آب ظرفيت خارق العاده اي براي گرفتن گرما دارد و اين به ملايم تر کردن تغييرات آب و هوايي کمک مي کند، که در غير اين صورت مي تواند اکوسيستم ها را نابود کند.
با اين حال، به رغم اهميت بسيار زياد آب براي حيات، هيچ نظريه واحدي دست کم تا کنون نتوانسته يک توضيح قابل قبول براي خصوصيات اسرارآميز آن ارائه کند. اگر ما بتوانيم نظريات اندرس نيلسون از فيزيکدانان دانشگاه استنفورد کاليفرنيا، و لارس پترسون از دانشگاه استکهلم سوئد، و همکاران اين دو را بپذيريم؛ بالاخره توانسته ايم به دليل واقعي خيلي از اين خصوصيات غير عادي پي ببريم.
نظريات جنجالي اين دو، بسط دهنده نظريه اي است که بيش از يک قرن پيش از اين توسط ويلهلم رونتگن، کاشف اشعه ايکس، ارائه شده است. او ادعا کرده بود که مولکول ها در آب مايع آن گونه که در کتاب هاي امروزي مي بينيم، تنها از يک طريق به هم نپيوسته اند، بلکه اين اتصال از دو مسير کاملا متفاوت انجام مي شود.
● ساختار اسرارآميز آب
کليد فهم اسرار آب، نحوه تعامل مولکول هاي آن با همديگر است، مولکول هايي که از يک اتم اکسيژن و دو اتم هيدروژن تشکيل شده اند. اتم اکسيژن بار منفي ناچيزي دارد و اتم هاي هيدروژن، در مجموع بار مثبتي معادل آن دارند. به همين ترتيب، اتم هاي هيدروژن و اکسيژن مولکول هاي همسايه، از طريق تشکيل پيوندي به نام پيوند هيدروژني به همديگر جذب مي شوند.
پيوندهاي هيدروژني، خيلي ضعيف تر از پيوندهايي هستند که اتم ها را در مولکول ها در کنار هم قرار مي دهند، و به همين دليل همواره در حال گسيختن و بازپيوستن هستند. اين پيوندها هنگامي به حداکثر قدرت خود مي رسند که مولکول ها به نحوي کنار هم قرار گرفته باشند که هر پيوند هيدوژني در امتداد يک پويند مولکولي قرار بگيرد. شکل يک مولکول آب به نحوي است که هر مولکول H۲O در ميان چهار مولکول همسايه قرار مي گيرد و يک هرم با قاعده مثلثي را تشکيل مي دهد، که معمولا به نام تتراهدرون يا چهارسطحي شناخته مي شود.
دست کم، اين راهي است که مولکول ها در يخ در کنار هم قرار مي گيرند. از يک ديدگاه متعارف سنتي، آب مايع يک ساختار مشابه ولي کمتر صلب دارد، که در آن مولکول هاي بيشتري مي توانند در برخي از فضاهاي خالي در يک آرايش چهار سطحي قرار بگيرند. اين امر توضيح مي دهد که چرا آب مايع از يخ چگال تر است، و به نظر مي رسد که با نتايج آزمايش هاي گوناگون که در آنها پرتوهاي ايکس، فرو سرخ و نوترون ها، از نمونه هاي آب منعکس مي شوند همخواني داشته باشد.
برخي از فيزيکدان ها ادعا کرده اند که آبي که تحت شرايط به خصوصي قرار گرفته باشد، به دو ساختار کاملا متفاوت تجزيه مي شود. ولي اکثر آنها چنين فرض مي کنند که در شرايط عادي، تنها يک ساختار وجود دارد.
اما ده سال قبل، يک کشف اتفاقي توسط پترسون و نيلسون، اين تصوير را به چالش کشيد. آنها در حال استفاده از طيف سنجي جذبي اشعه ايکس براي تحقيق در مورد آمينو اسيد گليسين بودند. نقاط پيک در طيف جذبي اشعه ايکس مي تواند ماهيت دقيق اتصالات شيميايي ماده هدف را مشخص کنند، و همچنين به تعيين ساختار آن کمک کنند. نکته مهم اين بود که آن دو از يک منبع جديد قدرت مند اشعه ايکس استفاده مي کردند که مي توانستند با استفاده از آن، اندازه گيري هاي حساس تر و دقيق تري را نسبت به آن چه تا پيش از اين ممکن بود انجام دهند. آنها به زودي دريافتند که آبي که حاوي نمونه گليسين بود، طيف خيلي جالب تري به نسبت خود آمينو اسيد توليد مي کرد. نيلسون مي گويد: «آن چه ما ديديم بسيار شورانگيز بود، بنابراين ما احساس کرديم که بايد به کنه آن پي ببريم».
● مفاهيم مهيج
ويژگي که توجه آنها را جلب کرد يک نقطه پيک در طيف جذبي بود که توسط مدل هاي سنتي آب مايع پيش بيني نشده بود. در حقيقت، در مقاله اي که آنها در سال ۲۰۰۴ منتشر کردند چنين نتيجه گرفتند که در هر لحظه، ۸۵ درصد از پيوندهاي هيدروژني در آب، بايد تضعيف و يا شکسته شده باشند. اين مقدار خيلي بيشتر از ۱۰ درصدي است که توسط مدل هاي کتب درسي پيش بيني شده است.
مفاهيم اين يافته بسيار جالب توجه هستند: اين به معني آن است که يک بازنگري کامل در ساختار آب مورد نياز است. در نتيجه نيلسون و پترسون شروع به انجام آزمايش هاي ديگري با پرتو ايکس براي اثبات ادعاي خود کردند. اولين حرکت آنها استقبال از کمک شيک شين از دانشگاه توکيو در ژاپن بود. وي متخصص تکنيکي است که «طيف سنجي نشري اشعه ايکس» نام دارد. نکته کليدي در مورد اين طيف سنجي اين است که در طيف نشري يک ماده، هر چه طول موج اشعه ايکس کوتاه تر باشد، پيوند هيدروژني بايد ضعيف تر باشد.
نتيجه عالي بود: طيف اشعه ايکس نشري، شامل دو نقطه پيک بود که ممکن بود ناشي از دو ساختار جداگانه باشند. اعضاي گروه چنين استدلال کردند که پيک مربوط به اشعه هاي ايکس با طول موج بلندتر، نشان دهنده سهم مولکول هايي است که به صورت چهار سطحي آرايش يافته اند، در حالي که پيک طول موج کوتاه تر، بازتاب دهنده سهم مولکول هايي است که ساختار متفاوتي دارند.
جالب اينجا بود که پيک طول موج کوتاه تر در نشر اشعه ايکس شديدتر از ديگري بود. اين بدان معني است که مولکول هاي با پيوند ضعيف تر در آن نمونه، شايع تر بودند؛ و اين خود تاييدي بر ادعاي پيشين اعضاي گروه بود. علاوه بر آن، آنها همچنين دريافتند که هر چه آب گرم تر باشد، اين پيک به طول موجهاي کوتاه تري منتقل مي شود؛ در حالي که پيک ديگر، کمابيش ثابت باقي مي ماند.
اين بدان معني است که پيوند هاي هيدروژني اتصال دهنده مولکول هاي موجود در اين ساختار متفاوت، در اثر گرما بيشتر تضعيف مي شوند؛ که باز هم با پيشبينيهاي گروه مطابقت داشت. آنها سپس داده هاي تجربي قديمي تر را، که به نظر مي رسيد که با شکل سنتي آب مطابقت دارد، دوباره بررسي کردند و اکنون ادعا مي کنند که اين نتايج نيز با مدل جديد مطابقت دارد.
اگر آنها درست بگويند سوال ديگري مطرح مي شود: تفاوت ها در ساختارهاي مختلف در مايع تا چه اندازه است؟ براي يافتن پاسخ، آنها از يک اشعه ايکس پرتوان استفاده کردند که در منبع نور تابشي سينکرترون دانشگاه استنفورد در کاليفرنيا توليد شده بود. اين بار، چگونگي پراکندن پرتوهاي ورودي از زاويه هاي مختلف به سطح آب، مورد ارزيابي واقع شدند. به گفته آنها، نتايج آشکار مي کند که آب پوشيده از نواحي کوچکي از مولکول هايي است که به صورت چهار سطحي آرايش يافته اند، و هر طول هر ناحيه نيز بين ۱ تا ۲ نانومتر است.
با ترکيب اي يافته ها با اندازه گيري هاي ديگري که توسط اووه برگمن در دانشگاه استانفورد انجام شده بود، آنها نتيجه گرفتند که ساختارهاي منظم، که هر يک به طور متوسط شامل۵۰ تا ۱۰۰ مولکول هستند، توسط دريايي از پيوند هاي مولکولي ضعيف احاطه شده اند. ولي اين نواحي ثابت نيستند. در کمتر از يک تريليونيوم ثانيه، مولکول هاي آب بين دو حالت گسست و باز توليد پيوندهاي هيدروژني نوسان مي کنند.
● توضيح غير قابل توضيح!
توازن متغير بين دو نوع آب که توسط نيلسون و پترسون مطرح شده بود، مي تواند توضيحي باشد بر اينکه چرا آب در دماي ۴ درجه به بيشترين چگالي خود مي رسد. در نواحي آشفته مولکول هاي آب به هم نزديک تر هستند که اين خود باعث چگال تر شدن آب نسبت به نواحي مي شود که مولکول هاي آب در ساختار چهار سطحي منظم آرايش داده شده اند. در دماي صفر درجه نواحي آشفته نسبتا کمياب هستند اما زماني که آب گرم تر مي شود، انرژي گرمايي اضافي تمايل بيشتري به لرزاندن و جدا کردن ساختارهاي منظم تر مي يابد. بنابراين مولکول ها زمان کمتري را در ساختارهاي منظم چهار سطحي و مدت زمان بيشتري را در نواحي آشفته سپري مي کنند، امري که در مجموع باعث بيشتر شدن چگالي مي شود.
از سوي ديگر، زماني که دما افزايش مي يابد، حرکت مولکول هاي با پيوند ضعيف تر بيشتر خواهد شد و همين مسئله به تدريج آنها را وا مي دارد که از هم دورتر شوند. اين بسط که يک بار به توضيح دليل چگالي بيشينه آب در دماي چهار درجه سلسيوس بالاي صفر کمک کرده بود، اين بار نيز به توضيح دليل کاهش چگالي و افزايش حجم آب با افزايش بيشتر دماي آن کمک مي کند.
به عقيده پترسون، اين نظريه توضيحات کاملي را براي بسياري از خواص غيرطبيعي غير قابل توجيه ديگر آب ارائه مي کند. مواردي که به ادعاي آن دو، ديگر نظريه ها هنوز نتوانسته اند به آن دست يابند. مارتين چاپلين، که يک شيمي دان در دانشگاه ساوث بنک لندن است، با اين نظريه موافق است. توضيحاتي که بر مبناي سيستم تک مولفه اي متعارف بودند، مجبور بودند زماني که دماي آب تغيير مي کند تلاش زيادي بکنند تا بتوانند ويژگي هاي متعدد آب از قبيل کمينه و بيشينه را با نظريه خود سازگار کنند. چاپلين مي گويد: «ساختار دوگانه کاملا با آزمايش ها همخواني دارد و مي تواند خصوصيات غير عادي آب را خيلي ساده تر از مدل هاي سنتي توضيح دهد».
به مقاله سال ۲۰۰۴ نيلسون و پترسون در مجله ساينس تا کنون بيش از ۳۵۰ بار و توسط محققين ديگر، ارجاع شده است. با اين حال، هنوز خيلي ها بدبين هستند. يک بدبيني اين است که توضيح گروه در مورد نتايج طيف سنجي اشعه ايکس، بر مبناي شبيه سازي دست کم ۵۰ مولکول آب در حال تعامل با هم است. يک مدل بينهايت پيچيده که تنها مي تواند به طور تقريبي حل شود. ريچارد سايکالي از دانشگاه برکلي کاليفرنيا مي گويد: «ما نياز به يک نظريه خيلي دقيق تر داريم تا بتوانيم چنين ادعاي بزرگي را بپذيريم». او ادعا ميکند که تنظيمات کوچک براي آرايش پيوندهاي هيدروژني در ساختارهاي متعارف، براي توضيح نتايج اشعه ايکس پترسون و نيلسون کفايت مي کنند. حتي يکي از اعضاي گروه آنها، مايکل اوبليوس از دانشگاه استکهلم، همکاري خود را با آنها قطع کرد چرا که با تفسير آنها از داده هاي نشر اشعه ايکس موافق نبود.
يک نکته جزئي که خيلي از افراد را به اين نظريه بدبين کرده بود، يک ادعا در مقاله سال ۲۰۰۴ بود که مولکول هايي که پيوند ضعيف تري دارند، تشکيل حلقه و زنجيره مي دهند؛ و در واقع نيلسون و همکارانش نيز اکنون کمتر در مورد جزئيات ساختار مولکولي نامنظم اظهار نظر مي کنند. ولي يوجين استنلي ازدانشگاه بوستون، باور ندارد که اين امر کاملا نظريه آنها را زير سوال مي برد: وي مي گويد: «من فکر نمي کنم که آنها بايد تا ابد محکوم شوند». به رغم اين که نظريه آنها هنوز جاي کار دارد، ولي به گفته او، نتايج پراکنش اشعه ايکس شواهدي بر تاييد نظريه آنها ارائه مي کند.
هيچ شکي نيست که هنوز نيلسون و پترسون با مخالفت هاي شديدي مواجه خواهند بود، ولي پاداش هاي يک درک فراگير از ساختار آب مايع مي تواند شايان توجه باشد. اين درک مي تواند منجر به درک بهتر از مواردي مانند چگونگي برهم کنش پروتئين ها و داروها با مولکول هاي آب در بدن، و در نتيجه توليد داروهاي موثرتري گردد. با دادن يک ايده بهتر از چگونگي رفتار مولکول هاي آب در اطراف منافذ ريز ما، مي تواند به تلاش ها براي نمک زدايي و تصفيه آب کمک کند و سطح دسترسي به آب تميز را بيشتر کند.
پترسون مي گويد: «درک ما از آب يک تصوير در حال تکامل است. پيش از تکميل اين تصوير، تحقيقات بيشتري بايد توسط گروه هاي مختلف انجام شود». چه کسي مي تواند با اين حرف مخالفت کند؟

مقدمه آب ماده اي فراوان در کره زمين است. به شکل هاي مختلفي همچون دريا ، باران ، رودخانه و... ديده مي‌شود. آب در چرخه خود ، مرتباً از حالتي به حالت ديگ ...

رودخانه رسوباتي را که با خود حمل مي کند، در بسترش يا در زمان طغيان در محدوده بلافصل آن بر جاي مي گذارد. رسوبات بر جاي گذرده شده توسط رودخانه در خشکيها ...

رودخانه رسوباتي را که با خود حمل ميکند، در بسترش يا در زمان طغيان در محدوده بلافصل آن بر جاي ميگذارد. رسوبات بر جاي گذرده شده توسط رودخانه در خشکيها ر ...

رودخانه‌ رسوباتي را که با خود حمل مي‌کند، در بسترش يا در زمان طغيان در محدوده بلافصل آن بر جاي مي‌گذارد. رسوبات بر جاي گذرده شده توسط رودخانه در خشکيه ...

عليرغم پيشرفت همه جانبه علوم و فنون هسته اي در طول نيم قرن گذشته، هنوز اين تکنولوژي در اذهان عمومي ناشناخته مانده است. وقتي صحبت از انرژي اتمي به ميان ...

آشنايي با نيروگاه هاي هسته يي کشور کانادا صنعت هسته يي در کانادا از سال ۱۹۴۲ آغاز شد، وقتي که يک آزمايشگاه انگليسي- کانادايي در مونترال، کبک تشکيل شد ...

پژوهشگران شرکت هاي بيوتکنولوژي در دره سيليکون که منطقه اي در جنوب شرقي سانفرانسيسکو است, درصدند با استفاده از زباله هاي گياهي و تغيير ساختار ژنتيکي ...

معادله شيميايي واکنش بين هيدروژن و اکسيژن و تشکيل آب از قرار زير است: 2H2 +O2 = 2H2O هر مولکول آب داراي يک ناحيه مثبت و يک ناحيه منفي است که اين دو نا ...

دانلود نسخه PDF - آب