สมบัติของน้ำ

โครงสร้างโมเลกุลของน้ำ 

        น้ำ 1 โมเลกุล (H2O) ประกอบด้วย ไฮโดรเจน 2 อะตอม และออกซิเจน 1 อะตอม เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนท์ (Covalent bonds) ซึ่งใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน  โดยที่อะตอมทั้งสามตัวเชื่อมต่อกันเป็นมุม 105° โดยมีออกซิเจนเป็นขั้วลบ และไฮโดรเจนเป็นขั้วบวก ดังภาพที่ 1 

ภาพที่ 1 โมเลกุลน้ำ

        น้ำแต่ละโมเลกุลเชื่อมต่อกันด้วยพันธะไฮโดรเจน (Hydrogen-bonds) เรียงตัวต่อกันเป็นโครงสร้างจัตุรมุข (Tetrahedral) ดังภาพที่ 2 ทำให้น้ำต้องใช้ที่ว่างมากขึ้นเมื่อเปลี่ยนสถานะเป็นน้ำแข็ง  ดังนั้นเมื่อน้ำเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งจะมีความหนาแน่นน้อยลง  เมื่อเพิ่มความร้อนให้กับน้ำแข็งพันธะไฮโดรเจนจะถูกทำลาย ทำให้น้ำแข็งละลายเป็นของเหลว และเมื่อโครงสร้างผลึกยุบตัวลงน้ำในสถานะของเหลวจึงใช้เนื้อที่น้อยกว่าของแข็ง นี่คือสาเหตุว่าทำไมน้ำแข็งจึงมีความหนาแน่นต่ำกว่าน้ำ  

ภาพที่ 2 พันธะไฮโดรเจนมีระยะห่าง 177 พิโคเมตร พันธะโควาเลนต์มีระยะห่าง 99 พิโคเมตร

ที่มา: the full wiki

    ตัวอย่างที่แสดงพันธะไฮโดรเจนที่เห็นได้ชัดคือ แรงตรึงผิวของน้ำ (Surface tension) เราจะเห็นว่า หยดน้ำบนพื้นหรือบนใบบัวมีรูปร่างเป็นทรงกลมคล้ายเลนส์นูน หรือเวลาที่เติมน้ำเต็มแก้ว ผิวน้ำจะพูนโค้งสูงเหนือปากแก้วเล็กน้อย  หากปราศจากแรงตรึงผิวซึ่งเกิดจากพันธะไฮโดรเจนแล้ว ผิวน้ำจะเต็มเรียบเสมอปากแก้วพอดี แรงตรึงผิวเป็นคุณสมบัติพิเศษของน้ำ ซึ่งมีมากกว่าของเหลวชนิดอื่น ยกเว้นปรอท (Mercury) ซึ่งเป็นธาตุชนิดเดียวที่เป็นของเหลว  แรงตรึงผิวทำให้น้ำเกาะรวมตัวกันและไหลชอนไชไปได้ทุกหนแห่ง แม้แต่รูโหว่และรอยแตกของหิน  ด้วยเหตุนี้น้ำจึงเป็นตัวปฏิวัติรูปโฉมของพื้นผิวโลก  

การเปลี่ยนสถานะของน้ำ

        ภายใต้ความกดอากาศ ณ ระดับน้ำทะเลปานกลาง น้ำมีสถานะเป็นของเหลว น้ำเปลี่ยนสถานะเป็นแก๊ส (ไอน้ำ) เมื่อมีอุณหภูมิสูงถึงจุดเดือด (Boiling point) ที่อุณหภูมิ 100°C  และเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง เมื่ออุณหภูมิลดต่ำถึงจุดเยือกแข็ง (Freezing point) ที่อุณหภูมิ 0°C การเปลี่ยนสถานะของน้ำมีการดูดกลืนหรือการคายความร้อน โดยที่ไม่ทำให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง เรียกว่า ความร้อนแฝง (Latent heat)  ความร้อนแฝงมีหน่วยเป็น แคลอรี (Calorie)

    1 แคลอรี คือปริมาณความร้อนซึ่งทำให้น้ำ 1 กรัม มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1°C (ดังนั้นหากเราเพิ่มความร้อน 10 แคลอรี ให้กับน้ำ 1 กรัม น้ำจะมีอุณหภูมิสูงขึ้น 10°C)

ภาพที่ 3 พลังงานที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะของน้ำ

        ก่อนที่น้ำแข็งละลาย น้ำแข็งต้องการความร้อนแฝง 80 แคลอรี/กรัม เพื่อทำให้น้ำ 1 กรัม เปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว น้ำแข็งดูดกลืนความร้อนนี้ไว้โดยยังคงรักษาอุณหภูมิ 0°C คงที่ไม่เปลี่ยนแปลงจนกว่าน้ำแข็งจะละลายหมดก้อน ความร้อนที่ถูกดูดกลืนเข้าไปจะทำลายพันธะไฮโดรเจนในโครงสร้างผลึกน้ำแข็ง ทำให้น้ำแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว  ในทางกลับกันเมื่อน้ำเปลี่ยนสถานะเป็นน้ำแข็งก็จะคายความร้อนแฝงออกมา 80 แคลอรี/กรัม

        เมื่อน้ำเปลี่ยนสถานะเป็นไอน้ำ น้ำต้องการความร้อนแฝง 600 แคลอรี เพื่อที่จะเปลี่ยน น้ำ 1 กรัม ให้กลายเป็นไอน้ำ ในทำนองกลับกันเมื่อไอน้ำควบแน่นกลายเป็นหยดน้ำ น้ำจะคายความร้อนแฝงออกมา 600 แคลอรี/กรัม ทำให้เรารู้สึกร้อนก่อนที่จะเกิดฝนตก

        การเปลี่ยนสถานะของน้ำทำให้น้ำมีสมบัติในการพาความร้อน (Convection) ดังนั้นเมืื่อน้ำเคลื่อนที่ไปตามพื้นผิวโลก ในมหาสมุทร หรือในอากาศ ก็จะพาพลังงานความร้อนไปด้วย ทำให้อุณหภูมิของพื้นผิวโลกในเวลากลางวันและกลางคืนไม่แตกต่างกันมากนัก  โลกจึงมีภาวะที่เอื้ออำนวยต่อสิ่งมีชีวิต  

ความหนาแน่นของน้ำ

        ภายใต้ความกดอากาศ ณ ระดับน้ำทะเลปานกลาง  น้ำจะเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งเมื่อมีอุณหภูมิ 0°C  เมื่อพิจารณากราฟในภาพที่ 4  จะเห็นว่าน้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่อุณหภูมิ 4°C และมีสถานะเป็นของเหลว เมื่อน้ำเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งที่อุณหภูมิ 0°C น้ำจะมีปริมาตรเพิ่มขึ้นถึงร้อยละ 9 โดยเราจะเห็นได้ว่า เมื่อใส่น้ำเต็มแก้วแล้วนำไปแช่ห้องแข็ง น้ำแข็งจะล้นออกนอกแก้วหรือดันให้แก้วแตก ในทำนองเดียวกันเมื่อน้ำในซอกหินแข็งตัว มันจะขยายตัวจนทำให้หินแตกเกิดกระบวนการผุพังของหิน (Weathering) ซึ่งทำให้เกิดตะกอน 

ภาพที่ 4 ความหนาแน่นของน้ำ ณ อุณหภูมิต่างๆ

        น้ำ เป็นสิ่งมหัศจรรย์ของจักรวาล สสารทั่วไปมีความหนาแน่นมากขึ้นเมื่อเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง แต่น้ำมีความหนาแน่นน้อยลงเมื่อเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง ด้วยเหตุนี้น้ำแข็งจึงลอยอยู่บนน้ำ ถ้าหากน้ำแข็งมีความหนาแน่นกว่าน้ำ เมื่ออุณหภูมิของอากาศลดลง น้ำในมหาสมุทรแข็งตัวและจมตัวลงสู่ก้นมหาสมุทร ทำให้สิ่งมีชีวิตที่อาศัยอยู่บริเวณพื้นมหาสมุทรไม่สามารถดำรงชีวิตอยู่ได้ ดังนั้นการที่น้ำมีความหนาแน่นน้อยลงเมื่อเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งจึงเป็นผลดีที่เอื้ออำนวยต่อสิ่งมีชีวิตบนโลก   เมื่ออุณหภูมิของอากาศลดต่ำกว่าจุดน้ำแข็ง น้ำแข็งจะเกิดขึ้นบนผิวมหาสมุทร ทำหน้าที่เป็นฉนวนป้องกันไม่ให้น้ำทะเลที่อยู่เบื้องล่างสูญเสียความร้อนจนกลายเป็นน้ำแข็งไปหมด สิ่งมีชีวิตจึงสามารถดำรงชีวิตอยู่ได้ในท้องทะเลได้อย่างอบอุ่น 

ความจุความร้อน

        ท่านเคยสังเกตหรือไม่ว่า เวลาเล่นน้ำทะเลในตอนกลางวันจะรู้สึกเย็นสบาย  แต่ถ้าเล่นน้ำทะเลในตอนกลางคืนจะรู้สึกอบอุ่น ทั้งนี้เนื่องจากน้ำมีความจุความร้อน (Heat capacity) น้ำมีความร้อนจำเพาะ 4.184 จูล/กรัม/องศาเซลเซียส ซึ่งหมายถึงการที่จะทำให้น้ำ 1 กรัม มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1°C จะต้องใช้พลังงาน 4.184 จูล  ถ้าต้องการให้น้ำจำนวน 1 กิโลกรัม  มีอุณหภูมิสูงขึ้น 1°C จะต้องใช้พลังงาน 4,184 จูล  ดังนั้นการที่จะทำให้อุณหภูมิของน้ำทะเลสูงขึ้นได้ จะต้องอาศัยพลังงานมหาศาลจากดวงอาทิตย์ นั่นจึงเป็นสาเหตุที่ทำให้ในตอนกลางวันอุณหภูมิของน้ำทะเลต่ำกว่าอุณหภูมิของอากาศ  และหลักฐานของการคงอยู่ของความจุความร้อนของน้ำก็คือ ในตอนกลางคืนน้ำทะเลมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิอากาศ เนื่องจากการดูดกลืนพลังงานจากดวงอาทิตย์ในเวลากลางวัน ความจุความร้อนของน้ำทะเลทำให้สภาพภูมิอากาศของแต่ละภูมิภาคแตกต่างกัน พื้นที่ห่างไกลจากทะเล เช่น บริเวณใจกลางทวีป อุณหภูมิกลางวันกลางคืนแตกต่างกันมาก ส่วนพื้นที่ชายฝั่งและหมู่เกาะกลางมหาสมุทร มีอุณหภูมิกลางวันกลางคืนแตกต่างกันเพียงเล็กน้อย

ตัวทำละลาย

          เมื่อเปรียบเทียบน้ำกับสารประกอบชนิดอื่นแล้ว น้ำเป็นตัวทำละลายที่ดีที่สุด โมเลกุลของน้ำยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะไฮโดรเจน โดยแรงอิเล็กโตรสแตติก (Electrostatic forces)  นอกจากโมเลกุลของน้ำจะเชื่อมต่อกันเองแล้ว โมเลกุลของน้ำยังสามารถยึดเหนี่ยวกับโมเลกุลอื่นด้วย โมเลกุลของสารประกอบบางชนิดยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะไอออน (Ionic bonds) โดยมีแรงอิเล็กโตรสแตติกระหว่างประจุบวกและประจุลบของอะตอมแต่ละตัว แรงอิเล็กโตรสแตติกของโมเลกุลเหล่านี้จะลดลงเหลือเพียง 1/80 เมื่อถูกรบกวนจากแรงอิเล็กโตรสแตติกของน้ำ น้ำจึงเป็นตัวทำละลายที่ดี เนื่องจากแรงอีเล็กโตรสแตกติกของโมเลกุลน้ำมีพลังมากกว่าแรงอิเล็กโตรสแตกติกของโมเลกุลอื่นเสมอ 

        ยกตัวอย่าง เกลือโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) ประกอบด้วยโซเดียมประจุบวก (Na+) เชื่อมต่อกับคลอรีนประจุลบ (Cl-) ด้วยพันธะไอออน  เมื่อใส่ผลึกเกลือลงในน้ำ แรงอีเล็กโตรสแตติกระหว่างโซเดียมกับคลอรีนจะลดลง 80 เท่า ทำให้ไฮโดรเจนประจุบวกของน้ำ (H+)  ยึดจับคลอรีนประจุลบของเกลือ (Cl-) ของเกลือ และออกซิเจนประจุลบของน้ำ (O-) ยึดจับโซเดียมประจุบวกของเกลือ (Na+) ทำให้เกิดสารละลายโซเดียมคลอไรด์ ในภาพที่ 5

            ในการวัดความเป็น กรด – เบส ในสารละลาย เราใช้คำว่า pH เป็นตัวบ่งชี้ ตัว p ย่อมาจาคำว่า power ซึ่งมีความหมายในเชิงยกกำลัง ส่วน H หมายถึง ความเข้มของประจุไฮโดรเจน pH  ซึ่งมีค่าเป็นตัวเลข 0 – 14 สารประกอบที่มีค่า pH 5 มีประจุไฮโดรเจนมากกว่าสารประกอบที่มีค่า pH 6 ถึง 10 เท่า

            น้ำบริสุทธิ์มีค่าเป็นกลางอยู่ที่ pH 7 หมายถึง น้ำ 1 ลิตร ที่อุณหภูมิ 25°C มีประจุไฮโดรเจน และประจุไฮดรอกไซด์ อยู่จำนวนเท่ากันคือ 1 x 10–7 โมล

            ค่า pH ต่ำ แสดงว่า สารประกอบมีความเป็นกรดสูง เช่น น้ำมะนาวมี pH 2.3

            ค่า pH สูง แสดงว่า สารประกอบมีความเป็นเบสสูง เช่น น้ำยาทำความสะอาดพื้นมี pH 13

            สิ่งมีชีวิตในน้ำส่วนมากอาศัยอยู่ในน้ำที่มีค่า pH 6.5 – 9 โดยปกติน้ำฝนตามธรรมชาติมีความเป็นกรดเล็กน้อย เนื่องจากการละลายแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศ แต่ทว่าในเขตอุตสาหกรรมที่มีการปล่อยแก๊สเสียออกมา จะทำให้เกิดสภาวะฝนกรด น้ำฝนที่สะสมอยู่ในแหล่งน้ำทำให้ค่า pH ต่ำลง 

            เมื่อ pH ต่ำกว่า 5.5  ปลาจะตายหมด  เมื่อ pH ต่ำกว่า 4  สิ่งมีชีวิตในน้ำจะไม่สามารถทนทานได้เลย การศึกษาความเป็นกรด – เบสของน้ำ จึงมีความสำคัญมากต่อการประมงและการเกษตร

ภาพที่ 6 pH ของสารประกอบชนิดต่างๆ