آب و خواص فیزیکی آن

 

ملکول آب

 

آب از ترکیب هیدروژن و اکسیژن حاصل شده و آمیخته ای از دو سری ایزوتوپ است.

هیدروژن H      یا H ^{1                   16}O

دوتریم    D      یا H ²            و      ¹⁷O

تریتیوم    T یا    H ^{3                     18}O

 

به طور تئوری می توان گفت: آب شامل 18 نوع مولکول بوده، ولی از نظر بی نهایت کوچک بودن خواص H ³   ،  ¹⁷O   ،   ¹⁸O تعداد مولکول های آب به H₂O ، D₂O و HDO  کاهش می یابد. مول جزئی دوتریم در هیدروژن معمولی تقریبا ثابت و برابر با یک شصت هزارم است. در حالی که برای تریتیوم فقط ^15-10 ×4 می باشد. خواص فیزیکی آب سنگین به طور جزئی از آب سبک متفاوت بوده و دارای فرمول D₂¹⁶O می باشد. به همین ترتیب فرمول آب به صورت H₂O نوشته می شود. مولکول آب دارای یک گشتاور الکتریکی بوده که در خواص فیزیکی و الکتریکی آن انعکاس می یابد. آب ماهیتا نوعی مایع قطبی است (گاهی اوقات دو قطبی نامیده می شود).به طوری که مولکول آب را با دیاگرام سه ضلعی نمایش می دهند. اگر اتصال های  O - Hمنحصرا از نوع کووالانت باشند، زاویه H – O – Hبایستی 90 درجه باشد. در واقع، به علت دخالت الکترونگاویته اکسیژن، زاویه اتصال های O – H حدود 105 درجه می باشد. فاصله اتم اکسیژن از محور اتم های H⁺ برابر 0.62 آنگسترم است.

 

حالت های سه گانۀ آب

 

ساختمان شیمیایی آب کاملا به حالات فیزیکی آن بستگی دارد. در حالت گازی (بخار) با فرمول H2O دقیقا مطابقت نموده و با دیاگرام سه ضلعی مخالف است. در حالات متراکم (مایع و جامد) پیچیده تر شده و این به حساب خواص غیر عادی آن گذاشته می شود.

            آب در حالت مایع، تجمعی از چند مولکول بوده که به توسط اتصال های ویژه ای به نام اتصال های هیدروژنی تشکیل یافته اند و هر اتم هیدروژن مولکول آب به یک اتم اکسیژن مولکول مجاور نزدیک می گردد. در حالت جامد با نظم ابتدایی شامل یک مولکول مرکزی و چهار مولکول جانبی بوده که تشکیل یک شکل چهار وجهی را می دهد. با مطالعه تفاوت های بلورشناسی، به ویژه با طیف رامان، می توان انتقال از ساختمان بلوری آب به حالت مایع را درک کرد.

جرم حجمی آب

                 به دلایل ساختمان مولکولی، آب دارای جرم حجمی متفاوتی نسبت به فشار و درجه حرارت می باشد. جرم حجمی آب خالص در 4 درجه سانتی گراد و یک اتمسفر فشار 0.99997 است. وزن مخصوص آب های طبیعی با مقدار مواد محلول و معلق آن تغییر می کند. دریا به طور متوسط دارای دانسیته 1.02812 بوده و با افزایش هر گرم نمک به این آب، جرم حجمی به اندازه 0.0008 تغییر می کند.

 

درجه حرارت جوشش

 

                 باتوجه به این که آب یک هیدرید اکسیژن یا اکسید هیدروژن است، از قانون توالی منظم درجه حرارت جوشش و انجماد سری های آلی و معدنی پیروی نمی کند. این انحراف با نیرو های جاذبۀ (الکتریکی، واندروال،الکتریکی مولکول های دوقطبی) که از بین بردن آن نیازمند مقدار معینی انرژی است، توضیح داده می شود. این انرژی اغلب به صورت گرما آزاد می شود. این انرژی اغلب به صورت گرما آزاد می شود. در فشار یک آتمسفر، آب مایع در صفر درجه سانتی گراد منجمد و در 100 درجه سانتی گراد به جوش می آید. آب سنگین (D₂O ) در 3.79 درجه سانتی گراد منجمد و در 101.41 درجه به جوش می آید. به این ترتیب می توان آب سنگین را از انواع دیگر آب به وسیله عمل تقطیر جرء به جزء جدا کرد.

 

خواص حرارتی آب

 

آب در دستگاه های حرارتی معینی مورد استفاده قرار می گیرد. در سیستم CGS واحد حرارتی کالری (cal) یا میکروترمی بوده و آن مقدار گرمایی است که در جه حرارت یک گرم آب را به اندازه یک درجه سانتی گراد یعنی از 14.5 به 15.5 در سانتی گراد افزایش دهد. یک ترمی مساوی ⁶10 کالری است. در سیستم MKS واحد حرارتی کیلو کالری (  Kcal) یا میلی ترمی بوده و آن مقدار گرمای لازم برای افزایش دمای یک کیلو گرم آب، به اندازه یک درجه سانتی گراد می باشد.

 

گرمای جرمی آب

گرمای جرمی آب طبق تعریف، 4180 ژول بر کیلو گرم بر درجه سانتی گراد یا یک کالری بر گرم بر درجه سانتی گراد است. آب ماده ای با بالاترین گرمای جرمی می باشد. این گرمای جرمی با درجه حرارت تغییر کرده و در 35+ درجه سانتی گراد به حد اقل خود می رسد که برخلاف مایعات دیگر است . گرمای جرمی یخ 2090 ژول بر کیلو گرم بر درجه سانتی گراد یعنی       است .

 

گرمای نهان آب

 

گرمای نهان عبارت است از مقدا رگرمای لازم برای تغییر حالت واحد جرم ( یک کیلو گرم ) . این گرما در هنگام تبدیل به حالت کندانسه آزاد می گردد.

 

           الف ) گرمای ذوب آب در مقایسه با ترکیبات دیگر

 

 

               ب) گرمای تبخیرآب در مقایسه با ترکیبات دیگر

 

 

 

 

گرمای تبخیر بستگی به درجه حرارتی که در آن عمل تبخیر صورت می گیرد دارد. برای آب که در 100 درجه تبخیر می گردد ، این گرما قابل ملاحظه است.

با در نظر داشتن مقدار گرما جرمی و گرمای نهان تبخیر ف وسعت زیاد آب در سطح زمین اندوخته های گرمایی عظیمی را تشکیل می دهند . به این دلیل از آب به عنوان مایع انتقال گرما د رصنعت استفاده می شود.

 

ویسکوزیته آب

در سیستم بین المللی MKS ( سیستم متر- کیلوگرم – جرم – ثانیه ) واحد ویسکوزیته دینامیکی پویزل ( poiseuille ) بوده و با pl نمایش داده می شود. علامت ویسکوزیته دینامیکی  µ است.

در سیستم CGS واحد مورد استفاده پوایز ( po ) است.

 

 

ویسکوزیته سینماتیک (V) برابر با نسبت     و بر حسب استوک (st) بیان می گردد ، d دانسیته مایع است .

ویسکوزیته مطلق آب در 20 درجه سانتی گراد   × 1,007  می باشد. این ویسکوزیته نسبت به درجه حرارت کاهش پیدا می کند . فشار نیز اثر شدیدی بر روی ویسکوزیته مطلق آب دارد. بر خلاف آنچه برای مایعات دیگر اتفاق می افتد ، یک فشار ناچیزی در درجه حرارت های پایین سبب سقوط ویسکوزیته آب می گردد ، و به طریقی ساختمان ملکولی آن را می شکند . وقنی که فشار به طور مداوم افزایش می یابد ، آب مجددا ساختمان مایع عاری از هر گونه کشش داخلی را به دست می آورد و دوباره از روش کلی افزایش ویسکوزیته با فشار پیروی می کند .

ویسکوزیته آب با مقدار نمک های محلول در آن تغیییر می کند.

 

کشش سطحی آب :

کشش سطحی خصوصیت ویژۀ سطح مرزی بین دو فاز است و آن عبارت است از نیروی کششی که در سطح مایع اعمال می شود و به طور ثابت تمایل به کاهش حجم آن تا بزرگترین اندازه ممکن را دارد.

واحدهای مورد استفاده کشش سطحی همان واحدهای نیرو است که در سیستم CGS ، دین و درM KS ، نیوتن است ( یک دین برابر    نیوتن است ).

            کشش سطحی آب در 18 درجه سانتی گراد 70 دین بر سانتی متر و در 100 درجه سانتی گراد 52.5 دین بر سانتی متر است .

مثال دیگری را می توان ذکر کرد که کشش سطحی آب به سبب بالا رفتن آن به اندازه 14.82 سانتی متر  از لوله موئینی به قطر داخلی 0.1 میلی متر در 20 درجه سانتی گراد می گردد. افزایش غلظت نمکا های محلول در آب عموما کشش سطحی را بالا می برند ( برای محلول آبی NaCl یک مول بر لیتر برابر با 74.6 دین بر سانتی متر ) . مواد دیگر کشش سطحی را کاهش می دهند ؛ آنها را فعال سطحی می نامند.

نظرات شما عزیزان: