آب مایع حیات است.
آن را مینوشیم،
در آن آبتنی کرده،
با آن زراعت،
آشپزی،
و نظافت میکنیم.
فراوانترین مولکول درون بدن ما آب است.
در واقع، همه گونههای زندگی که
میشناسیم بدون آن میمیرند.
اما مهمتر از همه، اگر آب نبود،
دیگر
یخ چای نداشتیم.
به به، یخ چای.
چرا این تکههای یخ شناور میمانند؟
اگر اینها تکههای آرگون جامد
در یک فنجان آرگون مایع بودند،
تهنشین میشدند.
و برای بیشتر مادههای دیگر هم همینطور است.
اما آب جامد، یا همان یخ،
به نحوی کم تراکمتر از آب مایع است.
چگونه چنین چیزی ممکن است؟
خودتان میدانید که هر مولکول آب
از دو اتم هیدروژن
متصل به یک اتم اکسیژن تشکیل شده است.
بیایید به چند مولکول
درون یک قطره آب نگاه کنیم.
و بیایید فرض کنیم دما ۲۵ درجه سلسیوس است.
مولکولها در حال خمش،
کشش،
چرخش،
و حرکت در فضا هستند.
حالا، بیایید دما را پایین بیاوریم،
که موجب کاهش میزان انژی جنبشی
هر کدام از این مولکولها خواهد شد
پس آنها خمش، کشش، چرخش و حرکت مولکولی کمتری خواهند داشت.
و این مسئله به این معناست که
به طور متوسط، فضای کمتری اشغال خواهند کرد.
حالا، ممکن است فکر کنید وقتی که
آب مایع شروع به یخ زدن کند،
مولکولها نزدیک و نزدیکتر به هم
قرار خواهند گرفت،
اما آنچه رخ میدهد این نیست.
آب از نوع ویژهای
تعامل بین مولکولی برخوردار است
که بیشتر مادههای دیگر فاقد آن هستند،
و این تعامل پیوند هیدروژنی نام دارد.
خب، به خاطر بیاورید که در یک پیوند
کووالانسی، دو الکترون، معمولاً به طور نابرابر،
در میان اتمها
به اشتراک گذاشته میشوند.
در یک پیوند هیدروژنی،
یک اتم هیدروژن است که، باز هم به طور نابرابر، در میان اتمها
به اشتراک گذاشته میشود.
یک پیوند هیدروژنی به این شکل است.
دو پیوند این شکلی است.
این هم سه تا
و چهار
و پنج،
شش،
هفت،
هشت،
نه،
ده،
یازده،
دوازده،
میتوانم همینطوری ادامه بدهم.
در تنها یک قطره آب
پیوندهای هیدرروژنی، شبکههای گستردهای
بین صدها، هزاران، میلیونها،
میلیاردها، تریالدها مولکول برقرار میکنند،
و این پیوندها مدام شکسته و بازسازی میشوند.
خب، برگردیم به آب هنگامی که در حال سرد شدن است.
در دمای بالای ۴ درجه سلسیوس،
انرژی جنبشی مولکولهای آب
تعاملات آنها را با یکدیگر کوتاه نگه میدارد.
شکلگیری و به هم خوردن پیوندهای هیدروژنی
شبیه روابط دوران دبیرستان است،
از این جهت که سرعت آن بالاست.
اما در دمای زیر ۴ درجه،
انرژی جنبشی مولکولهای آب
رو به کاهش گذاشته و رفته رفته از انرژی
پیوندهای هیدروژنی کمتر میشود.
بنابراین، میزان تشکیل پیوندهای هیدروژنی از میزان شکسته
شدن آنها بیشتر میشود.
و ساختارهای زیبایی
از دل آشفتگی سر بر میآورد.
این شکل ظاهری آب جامد، یخ،
در سطح مولکولی است.
دقت کنید که این ساختار منظم و شش ظلعی
کم تراکمتر از ساختار نامنظم
آب مایع است.
و میدانید که اگر چیزی کم تراکمتر از
مایعی باشد که در آن قرار دارد،
شناور میشود.
خب پس، یخ بر آب شناور میشود،
خب که چی؟
خب، بیایید دنیایی بدون یخ شناور شونده را در نظر بگیریم.
در چنین حالتی سردترین قسمت
اقیانوس کف قیرگون آن میبود،
یک بار و برای همیشه یخ زده.
ساندویچ لابستر را فراموش کنید
زیرا سختپوستان زیستگاه خود را از دست
میدادند، سوشی را هم همینطور زیرا جلبکزارها هم
نمیروییدند. بچههای کانادایی زمستانها
بدون هاکی روی دریاچه چکار میکردند؟
و به جیمز کمرون هم اسکار نمیدادند
زیرا تایتانیک در کمال سلامت به مقصد میرسید.
با کلاهکهای یخی قطبی خداحافظی کنید که
اگر اشعههای خورشید را
بازتاب و بازگشت نمیدادند زمین میپخت.
اصلاً، اقیانوسها را به صورت کنونی که
در گسترهای به وسعت بیش از ۷۰% سطح زمین،
جو کل سیاره را معتدل نگه میدارند فراموش کنید.
اما از همه بدتر،
دیگر یخ چای نداشتیم.
به به، یخ چای.