چرا بعضی از حشرات میتوانند
بر سطح یک برکه راه بروند،
اما وقتی شما سعی میکنید روی آب
راه بروید به سرعت پایین میروید؟
و چرا دریاچه ها در زمستان از بالا به پایین منجمد میشوند؟
در یک کلام، پاسخ همه این پرسشها قطبیت است.
آب یک مولکول ساده
متشکل از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن است،
اما برای زندگی حیاتی است.
در واقع، نزدیک به ۶۰٪
وزن بدن افراد بالغ از آب تشکیل شده است.
قطبیت درون مولکولهای آب
به این ماده رایج ویژگیهایی میبخشد
که آن را به مادهای منحصر به فرد و حیاتبخش تبدیل میکنند.
قطبیت به معنای به اشتراک گذاری نابرابر
الکترونهای درون یک مولکول است.
در مورد آب، وضعیت پیوند بین اتم اکسیژن
و دو اتم هیدروژن درون هرمولکول
شبیه مسابقه طنابکشی بین یک بازیکن تنومند و پرقدرت فوتبال
و یک نینی کوچولوی نوپاست.
اتم اکسیژن بزرگتر از اتم هیدروژن است،
و پروتون بیشتری در هسته خود دارد.
این بارهای مثبت را میتوان به صورت قدرت فیزیکی یک شخص تعبیر کرد.
آنها قادرند
الکترونهای دارای بار منفی درون پیوند را جذب کنند،
درست مثل توانایی یک فرد قوی در غلبه بر
فردی ضعیفتر در بازی طنابکشی.
بنابراین، اکسیژن قادر به جذب سهمی
بیشتر از سهم عادلانه خود از الکترون است.
از آنجا که هیدروژن کوچکتر بوده و دارای قدرت کمتر،
یا پروتون کمتری است،
طنابکشی را میبازد
و نسبت به سهم عادلانه خود میزان کمتری الکترون جذب میکند.
بنابراین، اکسیژن در درون آب به صورت منفی،
و هیدروژنها به صورت مثبت رفتار میکنند.
پیوندهای درون هر مولکول آب
پیوندهای کووالانسی قطبی نامیده میشود. کووالانسی
به این معناست که الکترونها به اشتراک گذاشته میشوند.
اما، همانطور که همین الان یاد گرفتیم، قطبی
به این معناست که این الکترونها به طور مساوی به اشتراک گذاشته نمیشوند.
درون آب، اکسیژن منفی عمل میکند
و هیدروژنها مثبت.
از آنجا که مثبت و منفی به یکدیگر
جذب میشوند، چنین اکسیژنی به اتمهای هیدروژن
مولکولهای آب مجاور جذب میشود.
یک نوع پیوند ویژه میان مولکولهای آب شکل میگیرد،
که به عنوان پیوند هیدروژنی شناخته میشود.
پیوندهای هیدروژنی فقط هم در آب رخ نمیدهند.
آنها میتوانند میان مولکولهای آب
و مواد مختلف قطبی و یا یونی تشکیل بشوند.
قابلیت قرارگیری مولکولهای آب در کنار یکدیگر پیوستگی نام دارد،
در حالی که قابلیت آب در چسبیدن به مواد دیگر
چسبندگی نامیده میشود.
حالا، برگردیم سر سوالهای اول.
اول اینکه، چرا بعضی حشرات قادر به راه رفتن بر روی آب هستند؟
کشش سطحی حاصل از پیوند هیدروژنی
باعث ایجاد ورقهای نازک در سطح آب میشود
که مقاومتی به آن میبخشد
که برای راه رفتن حشرات بسیار سبک کافی است.
شما نمیتوانید روی آن
راه بروید زیرا پیوندهای هیدروژنی آنقدر قوی
نیست که بتواند نگهتان دارد.
چرا یخ بر روی آب مایع شناور میشود؟
برای بیشتر مواد دیگر،
حالت جامد متراکمتر از حالت مایع است،
اما برای آب اینگونه نیست!
پیوندهای هیدروژنی مولکولهای آب منجمد را
نسبت به حالت مایع دورتر از هم نگه میدارد.
هرچه مولکولها از هم دورتر باشند،
جسم جامد تراکم کمتری دارد.
بنابراین یخ در حدود ۹% کم چگالتر از آب است،
که به این معناست که روی آن شناور میشود.
به همین دلیل است که دریاچهها از بالا به پایین یخ
میزنند و آبزیان قادر به بقا
در هوای سرد زمستان هرسال هستند.
این قطبیت مولکول آب
و پیوند هیدروژنی حاصل از این مسئله است
که مبیّن ویژگیهای منحصر به فرد آب است.
پس، علت اینکه آب اینقدر خاص است،
از آب درون سلولهایتان گرفته
تا آب اقیانوسهای جهان،
این است که مولکولی قطبی است.