น้ำเป็นสารประกอบที่มีมากที่สุดบนพื้นผิวโลก ซึ่งครอบคลุม 70 เปอร์เซ็นต์ของโลก ในธรรมชาติ น้ำมีอยู่ในสถานะของเหลว ของแข็ง และก๊าซ มันอยู่ในสมดุลไดนามิกระหว่างสถานะของเหลวและก๊าซที่อุณหภูมิและความดันมาตรฐาน ที่อุณหภูมิห้อง จะเป็นของเหลวที่ไม่มีรสและไม่มีกลิ่น เกือบจะไม่มีสีและมีสีน้ำเงินเล็กน้อย สารหลายชนิดละลายในน้ำและมักเรียกว่าตัวทำละลายสากล ด้วยเหตุนี้ น้ำในธรรมชาติและน้ำที่ใช้จึงไม่ค่อยบริสุทธิ์ และคุณสมบัติบางอย่างอาจแตกต่างจากน้ำในสารบริสุทธิ์ อย่างไรก็ตาม ยังมีสารประกอบอีกมากมายที่หากไม่สมบูรณ์จะไม่ละลายในน้ำ น้ำเป็นสารธรรมดาเพียงชนิดเดียวที่พบได้ตามธรรมชาติในสถานะทั่วไปทั้งสามสถานะของสสาร และเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับทุกชีวิตบนโลก น้ำคิดเป็น 55% ถึง 78% ของร่างกายมนุษย์
ในบทความนี้ ฉันจะให้ภาพรวมที่ครอบคลุมเกี่ยวกับโมเลกุลของน้ำและผลกระทบต่อคุณสมบัติของน้ำ
ในโพสต์นี้เราจะกล่าวถึง:
โครงสร้างอันน่าทึ่งของโมเลกุลน้ำ
พันธะระหว่างอะตอมของไฮโดรเจนและออกซิเจนในโมเลกุลของน้ำเป็นแบบโควาเลนต์ หมายความว่าอะตอมใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอนไม่ได้ถูกแบ่งเท่าๆ กัน ส่งผลให้เกิดประจุลบบางส่วนบนอะตอมของออกซิเจน และประจุบวกบางส่วนบนอะตอมของไฮโดรเจน ขั้วนี้เป็นสิ่งที่ทำให้โมเลกุลของน้ำดึงดูดซึ่งกันและกันและอนุภาคมีประจุอื่นๆ
คุณสมบัติที่ผิดปกติของโมเลกุลน้ำ
โมเลกุลของน้ำมีคุณสมบัติที่ผิดปกติเนื่องจากโครงสร้างและพันธะ คุณสมบัติเหล่านี้รวมถึง:
- แรงตึงผิวสูง
- จุดเดือดและจุดหลอมเหลวสูง
- ความจุความร้อนสูง
- ความหนาแน่นสูงในสถานะของเหลวเมื่อเทียบกับสถานะของแข็ง (น้ำแข็งลอย)
- ความสามารถในการละลายสารหลายชนิด
ทำความเข้าใจเกี่ยวกับการเต้นรำของโมเลกุลน้ำที่ระเหยในอากาศ
เมื่อน้ำเข้าสู่ชั้นบรรยากาศก็จะเข้าสู่ขั้นตอนใหม่เช่น ไอน้ำ. กระบวนการนี้เรียกว่า การระเหยมีความสำคัญต่อวัฏจักรของน้ำและกระบวนการในชั้นบรรยากาศหลายอย่างที่ส่งผลกระทบต่อสภาพอากาศ แต่มันเกิดขึ้นได้อย่างไรในระดับโมเลกุล?
การเต้นรำระดับโมเลกุลของการระเหย
การระเหยต้องใช้พลังงานเพื่อทำลายพันธะระหว่างโมเลกุลของน้ำในเฟสของเหลว โดยปกติแล้ว โมเลกุลของน้ำจะถูกยึดเหนี่ยวกันอย่างแข็งแรงในพอลิเมอร์ ซึ่งเชื่อมกันด้วยพันธะไฮโดรเจน แต่เมื่อเพิ่มพลังงานเข้าไป โมเลกุลจะสามารถทำงานแยกจากกัน ทำให้โมเลกุลที่อยู่ใกล้ที่สุดสามารถหลบหนีได้ในรูปของไอน้ำ สิ่งนี้ต้องการพลังงานจำนวนมาก เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วพันธะระหว่างโมเลกุลของน้ำจะแข็งแรงมาก
สิ่งที่นักวิจัยค้นพบ
นักวิจัยพบว่าการระเหยเป็นลำดับการเต้นโดยรวมที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวที่ประสานกันของโมเลกุลของน้ำแต่ละตัว ผ่านการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์และการสร้างแบบจำลองโมเลกุลที่แม่นยำ ทีมที่นำโดย Nagata และเพื่อนร่วมงานของเขาได้รับข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับเหตุการณ์ระดับโมเลกุลที่ทำให้โมเลกุลของน้ำสามารถหลบหนีของเหลวและเข้าสู่ชั้นบรรยากาศได้
บทบาทของปฏิสัมพันธ์ระดับโมเลกุล
ทีมงานพบว่ากุญแจสำคัญในการระเหยคือปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลของน้ำ เมื่อน้ำในสถานะของเหลวได้รับความร้อน โมเลกุลจะเริ่มสั่นรุนแรงขึ้น จับตัวกันแรงน้อยลง และปล่อยโมเลกุลแต่ละตัวออกไปในอากาศ กระบวนการนี้ได้รับผลกระทบจากหลายปัจจัย รวมถึงอุณหภูมิ ความชื้น และสารอื่นๆ ในอากาศ
ความสำคัญของการทำความเข้าใจเกี่ยวกับการระเหย
การทำความเข้าใจการเต้นของโมเลกุลของการระเหยเป็นสิ่งสำคัญด้วยเหตุผลหลายประการ สามารถช่วยให้เราเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับฟิสิกส์ของน้ำและกระบวนการในชั้นบรรยากาศ และยังสามารถช่วยให้เราปรับปรุงการสร้างแบบจำลองของสภาพอากาศและกระบวนการด้านสิ่งแวดล้อมอื่นๆ เมื่อเฝ้าดูการเต้นเสมือนจริงของโมเลกุลของน้ำ นักวิจัยจะได้รับข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับกระบวนการที่ซับซ้อนที่ควบคุมโลกของเรา
ธรรมชาติสองขั้วของโมเลกุลน้ำ
โมเลกุลไดโพลาร์เป็นโมเลกุลที่มีทั้งประจุบวกและประจุลบ ในกรณีของโมเลกุลของน้ำ อะตอมของออกซิเจนมีประจุลบบางส่วน ในขณะที่อะตอมของไฮโดรเจนมีประจุบวกบางส่วน นี่เป็นเพราะความแตกต่างของอิเลคโตรเนกาติวิตีระหว่างสององค์ประกอบ
ผลกระทบของธรรมชาติไดโพลาร์ของโมเลกุลน้ำคืออะไร?
ธรรมชาติสองขั้วของโมเลกุลของน้ำมีความหมายมากมายต่อชีวิตและสภาพอากาศของโลก ตัวอย่างบางส่วนได้แก่:
- ความสามารถของน้ำในการละลายสารหลายชนิดเนื่องจากธรรมชาติที่มีขั้ว ซึ่งมีความสำคัญต่อกระบวนการทางชีววิทยา
- ความสำคัญของน้ำในการควบคุมอุณหภูมิของร่างกาย เนื่องจากมีความจุความร้อนสูงและสามารถดูดซับพลังงานได้มากก่อนที่อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้น
- บทบาทของน้ำในสภาพอากาศของโลก เนื่องจากเป็นองค์ประกอบหลักของชั้นบรรยากาศและมีส่วนร่วมในกระบวนการทางกายภาพหลายอย่าง เช่น กระแสการพาความร้อนและการก่อตัวของเมฆ
สรุป
โมเลกุลของน้ำคืออนุภาคขนาดเล็กของน้ำที่ประกอบด้วยไฮโดรเจนและออกซิเจน พวกมันผิดปกติมากเนื่องจากขั้วและการเต้นของโมเลกุลซึ่งทำให้พวกมันระเหยและเข้าสู่ชั้นบรรยากาศได้
ตอนนี้คุณรู้มากขึ้นเล็กน้อยเกี่ยวกับโมเลกุลของน้ำและบทบาทของมันในโลกรอบตัวเรา
