تحقیق مقاله علت انبساط غیر عادی آب

   علت انبساط غیر عادی آب مربوط به وضع مولکول های آب در حالت جامد   و مایع آن است                                              برای توضیح این پدیده لازم است که ساختمان مولکولی آب و نیز اتمهای سازنده آن بررسی شود.

  هر مولکول آب از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن ( H2O) ترکیب شده است هر اتم اکسیژن  دارای8   الکترون است. از این تعداد 2 الکترون بر سطح انرژی k=1  و6 الکترون برسطح انرژی L=2  با آرایش زیر قرار  دارند:

1S2                            2S2                                 2PX2                         2Py1                             2Pz1

هر اتم هیدروژن دارای یک الکترون ) 1S1) و زمانی که یک اتم اکسیژن با دو اتم هیدروژن پیوند می یابد مولکول قطبی آب را را ایجاد می کنند که وصع اتمها در آن به این صورت است:

                                 O ----H     

                                                                       105    

                                                            H                 

زاویه پیوند در این مولکول حدود 105 ( 41  ، 104(  و فاصله دو مرکز اتمهای اکسیژن و هیدروژن 99/0 آنگستروم است. در مولکولهای آب علاوه بر آنکه هیدروژن و اکسیژن بر هم نیرو وارد می کنند نیروهای الکتروستاتیکی هم در اثر وجود هیدروژن موجود است که سبب می شود هر ملکول آب با چهار ملکول مجاور خود پیوند یابد

( پیوند هیدروژنی ) و یک شبکه بلوری را ترتیب دهد. در یخ ملکولهای آب کاملا با یکدیگر پیوند یافته و حلقه های شش ضلعی به وجود می آورند. این شش ضلعیها همه به هم متصلند و ساختمان قفس مانند گسترده ای را در حجم یخ می سازن. فاصله بین دو اکسیژن مجاور 22 / 76 A  است. وقتی یخ را حرارت دهیم در دمای ذوب، یخ به شبکه های کوچکتری شکسته می شود  و اگر بتوان در لحظه کوتاهی از این تبدیل عکسبرداری کرد ، در عکس به نظر می رسد که یخی شکسته می شود و هر قسمت   می تواند بر قسمت دیگر بلغزد. وقتی دما را به تدریج افزایش دهیم ، گرمایی که آن می گیرد ، سبب شکسته شدن پیوند بلوری و افزایش جنبش حرارتی می گردد. جنبش حرارتی بیشتر ، سبب افزایش حجم ماده می شود ، در صورتی که مولکولهایی که در شبکه بلوری در فاصله مشخصی از هم قرار داشتند ، در حالت مایع به هم نزدیکترند و حجم کمتری را اشغال می کنند.

باید توجه داشت که در دمای صفر درجه همه مولکولهای یخ از شبکه بلوری خارج     نمی شوند و در اثر افزایش دما ، به تدریج شبکه بلوری شکسته می شود و مولکولها به هم نزدیکتر می شوند و همزمان ، جنبش مولکولی سبب افزایش حجم مایع می شود. دو عامل کاهش و افزایش حجم سبب می شود که تا دمای 4 درجه ، حجم آب به کمترین مقدار خود برسد و از آن پس ، با زیاد شدن جنبش مولکولی ، پدیده عادی افزایش حجم آب مشاهده می شود.

در هنگام سرد کردن آب تا دمای 4 درجه ، حجم کاهش می یابد ولی در فاصله 4 درجه تا 0 درجه به سبب   تشکیل پیوندهای هیدروژنی بین مولکولها و تشکیل شبکه بلوری ،  فاصله بین مولکولها زیادتر و در نتیجه حجم  افزایش می یابد.

   کاربرد انبساط آب :

کم بودن چگالی یخ نسبت به آب پیامدهای خطرناکی برای سلول های زنده دارد. هنگامی که بافتهای زنده منجمد می شوند، آب موجود درون سلولها بر اثر یخ زدن منبسط   می شود. با انبساط آب، سلول می ترکد و از بین می رود. هر چه سرد شدن آهسته تر صورت گیرد، بلورهای یخ درشت تر می شود و سلولها هم آسیب بیشتری می بینند.                                                                                                         

کارخانه های سازنده مواد غذایی منجمد ار این ویژگی آب استفاده می کنند و مواد غذایی را به سرعت منجمد می کنند. در این حالت بلورهای یخ بسیار کوچکی تشکیل می شود که به سلولهای ماده غذایی آسیب بسیار کم تری وارد می کند.

   انحلال پذیری آب :

آب یکی از بهترین حلال هاست و تقریبا هر ماده ای را می تواند حل کند. آب روان سخت ترین سنگها را هم به تدریج حل می کند و مواد حل شده را به دریاها و اقیانوسها می برد. آب مواد غذایی مورد نیاز جانداران را نیز حل می کند.  مواد غذایی موجود در خاک پس از حل شدن در آب ، به سلولهای گیاهان می رسند و سبب رشد آنها   می شدند.

غذاهایی هم که انسان یا جانوران می خورند ، پس از حل شدن در آب جذب سلولهای بدن آنها می شوند. آب ، با اینکه بیشتر مواد را در خود حل می کند ، خنثی باقی می ماند .

یعنی موادی که در آب حل شده اند بر آن اثری ندارند ، به سبب همین ویژگی است که جانداران می توانند آب مورد نیاز خود را از هر نوع محلولی که دارای آب باشد به دست آورید.

        ویژگی های آب :

آب نه تنها فراوانترین بلکه غیر معمول ترین ماده روی زمین است و دارای ویژگیهایی است که بعضی از آنها  از قانون های عمومی پیروی نمی کنند.

      آب تنها ماده ای است که در شرایط عادی ، یعنی فشار و دمای معمولی ، همزمان در هر سه حالت جامد ،  در  زیر یخ به حالت مایع ،  و در آسمان به حالت گاز یا بخار وجود دارد.  مولکولهای آب پیوسته در حال    حرکتند.  جامد بودن ، یا مایع بودن ،  یا گاز بودن آب بستگی به سرعت این حرکت دارد.   مولکولهای آب در حالت جامد به هم نزدیک هستند و تقریبا بی حرکت اند .  در حالت مایع تقریبا نزدیک به   هم هستند و آزادانه حرکت می کنند . مولکولهای آب در حالت کاز حرکتی تند دارند و به یکدیگر برخورد   می کنند.

انبساط آب :

یکی دیگر از ویژگی های غیر عادی آب آن است که بر خلاف مواد دیگر در هنگام منجمد شدن انبساط می یابد به این معنا که همان مقدار آب در حالت جامد حجم بیش تری را اشغال می کند. بنابراین ، حجمی از یخ که هم حجم آب اولیه است ، جرم کمتری دارد . به این علت ، می گویند که چگالی یخ کم تر از آب است . کم تر بودن چگالی یخ باعث می شود که یخ روی آب شناور بماند . این ویژگی آب سبب می شود که بر خلاف بسیاری از مایع ها ، آب از سطح شروع به انجماد کند .این پدیده را بارها به هنگام شروع یخ زذن آب ، درون جا یخی یخچال مشاهده کرده اید ، و همچنین در زمستان ها با یخ زدن سطح آب دریاچه ها ، لایه عایقی از یخ به وجود می آید که از یخ زدن لایه های زیرین جلوگیری می کند . در این شرایط ماهی ها و آبزیان دیگر می توانند در مناطق گرم تر زیرین به زندگی خود ادامه دهند .