2.2. آب

مم

مفاهیم

  • مولکول­‌های آب قطبی هستند و بین آن­‌ها پیوندهای هیدروژنی برقرار است.
  • پیوند هیدروژنی و دوقطبی بودن مولکول‌های آب، ویژگی­‌های چسبندگی، پیوستگی، خواص حرارتی و قدرت حلالیت آب را توضیح می‌دهند.
  • مواد آب‌دوست یا آب‌گریز هستند.

ماهیت علم

  • استفاده از نظریه‌­ها برای توضیح پدیده­‌های طبیعی: طبق یک نظریه، برقراری پیوند هیدروژنی بین مولکول­‌های آب ویژگی­‌های آب را توضیح می‌دهد.

کاربرد علم

  • مقایسه خواص حرارتی آب و متان.
  • استفاده از آب به عنوان خنک‌کننده در عرق بدن.
  • روش­ نقل و انتقال گلوکز، اسیدآمینه‌ها، کلسترول، چربی­، اکسیژن و سدیم کلرید در خون، به میزان انحلال این مواد در آب بستگی دارد.

پیوند هیدروژنی در آب

مولکول­‌های آب قطبی هستند و بین آن­‌ها پیوندهای هیدروژنی برقرار است.

یک مولکول آب از برقراری پیوندهای کووالانسی میان یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن تشکیل می­‌شود. اشتراک‌گذاری نامتقارن الکترون­‌ها باعث تشکیل پیوند میان اتم‌های هیدروژن و اتم اکسیژن می‌شود که به آن پیوند کووالانسی قطبی گفته می‌شود. این مساله به خاطر کشش بیشتر الکترون­‌ها توسط هسته اتم اکسیژن نسبت به اتم هیدروژن رخ می­‌دهد( شکل شماره 1).ثیس

اشتراک‌گذاری نامتقارن الکترون­‌ها در مولکول­‌های آب، سبب ایجاد بار جزئی مثبت در اتم­‌های هیدروژن و بار جزئی منفی در اتم‌­های اکسیژن می‌شود. چون مولکول­‌های آب به نسبت شکل خمیده‌ای دارند، دو اتم هیدروژن در یک سمت مولکول قرار می­گیرند و یک قطب مولکول را می‌سازند و اتم اکسیژن در قطب دیگر مولکول قرار می‌گیرد.

ذرات با بار مثبت (یون‌­های مثبت) و ذرات با بار منفی (یون­‌های منفی) جذب یکدیگر می­‌شوند و پیوند یونی میان آن‌ها تشکیل می­‌شود. بارهای جزئی موجود در مولکول­‌های آب، قدرت جذب کمی دارد اما برای ایجاد یک اثر قابل توجه کافی است. به جاذبه بین مولکول­‌های آب “پیوند هیدروژنی” می­‌گویند.  توجه شود که این جاذبه یک نوع جاذبه بین مولکولی ا­ست که با جاذبه درون مولکولی و پیوندهای آن متفاوت است. پیوند هیدروژنی زمانی تشکیل می­‌شود که یک اتم هیدروژن در یک قطب مولکول جذب اتمی با بار جزئی منفی در قطب مخالف مولکول دیگر شود.

با توجه به ضعیف بودن پیوند هیدروژنی و کوچک بودن مولکول­‌های آب، تعداد بسیار زیادی مولکول آب و پیوند هیدروژنی در واحد حجم آب وجود دارد( شکل شماره 2). این پیوندها در کنار یکدیگر باعث ویژگی­‌های قابل توجهی در آب می‌شوند؛ ویژگی‌­هایی که برای حیات موجودات زنده بسیار ضروری هستند.کگ

پیوند هیدروژنی و ویژگی­‌های آب

استفاده از نظریه‌­ها برای توضیح پدیده‌­های طبیعی: طبق یک نظریه، برقراری پیوند هیدروژنی بین مولکول­‌های آب ویژگی­‌های آب را توضیح می‌دهد.

شواهد آزمایشگاهی قدرتمندی در مورد پیوندهای هیدروژنی وجود دارد ولی همچنان یک نظریه وجود دارد که می­‌گوید این پیوندها بین مولکول­‌ها برقرار می­‌شوند. بدون شک دانشمندان نمی­‌توانند بدون مشاهده این پیوندها، وجود آن­‌ها را تأیید کنند. با این وجود، بررسی پیوندهای هیدروژنی روش بسیار مناسبی برای توضیح ویژگی­‌های آب است. وجود پیوندهای هیدروژنی توضیحی است برای ویژگی‌های چسبندگی، پیوستگی، خواص حرارتی و قدرت حلالیت آب. این ویژگی­‌های به نسبت متفاوت، وجود آب را برای حیات ضروری کرده است. شاید چندان هوشمندانه نباشد که فهم خود از جهان پیرامونمان را بر مبنای اطلاعاتی قرار دهیم که تا به امروز، وجودش اثبات نشده است. با این حال این شیوه‌ی علم است، بدین معنی که اگر شواهدی برای یک نظریه وجود داشته باشد که به پیش­بینی رفتارها کمک کند، منسوخ نشده باشد و توضیحی برای پدیده‌های طبیعی باشد ، علم آن را می‌­پذیرد.

ویژگی­‌های آب

پیوند هیدروژنی و دوقطبی بودن مولکول‌های آب، ویژگی­‌های چسبندگی، پیوستگی، خواص حرارتی و قدرت حلالیت آب را توضیح می­‌دهند.

ویژگی پیوستگی

به اتصال دو مولکول شبیه به هم(از یک نوع) برای مثال دو مولکول آب، پیوستگی گفته می‌شود. بین مولکول­‌های آب نیروی پیوستگی وجود دارد؛ یعنی به واسطه پیوند هیدروژنی به یکدیگر متصل می‌شوند. این ویژگی برای انتقال آب در گیاهان بسیار مفید است. آب با فشار کم داخل مجاری آوند چوبی کشیده می‌شود. به ­خاطر وجود پیوندهای هیدروژنی، مولکول­‌های آب از هم گسسته نمی‌شوند در نتیجه آب از طریق آوندها تا نوک بلندترین درخت­ها ( گاهی بیش از صد متر) حرکت می‌کند.

ویژگی چسبندگی

پیوندهای هیدروژنی بین مولکول­‌های آب و سایر مولکول­‌های قطبی نیز تشکیل می‌شوند و به همین دلیل آب به آن مولکول­‌ها نیز متصل می‌شود. این ویژگی در برگ­‌ها بسیار حائز اهمیت است؛ جایی که آب به مولکول­‌های سلولز در دیواره سلولی متصل می­‌شود. اگر آب از دیواره سلولی تبخیر شود و از طریق شبکه­‌ای از مجاری هوایی از برگ‌­ها خارج شود، ویژگی چسبندگی باعث می­‌شود آب از نزدیک­ترین مجرای آوند چوبی بیرون کشیده شود. این اتفاق دیواره‌­ها را مرطوب نگه می­دارد و کربن دی اکسید مورد نیاز برای فتوسنتز  را جذب می‌کند.

ک

خواص حرارتی

آب خواص حرارتی متعددی دارد که همگی برای حیات ضروری هستند:

  • بالا بودن ظرفیت گرمایی ویژه: پیوندهای هیدروژنی، حرکت مولکول­‌های آب را محدود می­‌کنند و به دمای بیشتری برای شکستن پیوندهای هیدروژنی میان مولکول­‌های آب نیاز است. افزایش دما نیازمند افزایش انرژی است؛ در نتیجه مقدار انرژی مورد نیاز برای بالابردن دمای آب نسبتاً زیاد است. برای سرد شدن، آب باید انرژی زیادی را از دست بدهد. در مقایسه با خاک یا هوا، دمای آب به نسبت ثابت است که این مساله منجر به تشکیل شدن یک زیستگاه پایدار از نظر دمایی برای ارگانیسم­‌های آبزی می­‌شود.
  • بالا بودن گرمای نهان تبخیر. زمانی­که یک مولکول آب تبخیر می‌­شود، در حقیقت از سایر مولکول­‌ها در مایع جدا شده و به مولکول گازی تبدیل می‌­شود. به گرمای مورد نیاز برای این کار، گرمای نهان تبخیر می­‌گویند. تبخیر، ویژگی خنک‌کنندگی نیز دارد و مقدار گرمای قابل توجهی برای تبخیر آب مورد نیاز است؛ زیرا برای تبخیر، پیوندهای هیدروژنی باید شکسته شوند. این امر آب را به خنک‌کننده‌­ای مناسب تبدیل می‌­کند. عرق بدن نمونه­‌ای از کاربرد طبیعی آب به عنوان خنک کننده است.
  • بالا بودن نقطه جوش. نقطه جوش یک ماده، بالاترین دمایی­ست که ماده می­‌تواند در آن دما به حالت مایع باقی بماند. به همان دلیل که آب گرمای نهان تبخیر بالایی دارد، نقطه جوش بالایی نیز دارد. آب در طیف گسترده‌­ای از دماها، مایع است، از 0 تا 100 درجه سانتی گراد. این طیف دمایی در اکثر زیستگاه‌­های طبیعی روی زمین یافت می­‌شود.

ویژگی حلالیت

قطبی بودن مولکول آب باعث می­‌شود در اطراف مولکول­‌های قطبی و باردار، لایه‌ای از آب تشکیل شود تا از چسبیدن آن­‌ها به یکدیگر ممانعت شده و مولکول­‌ها در آب به صورت محلول باقی بمانند. آب باعث برقراری پیوندهای هیدروژنی با سایر مولکول­‌های قطبی می‌شود. در این پیوندها، اتم اکسیژن که بارجزئی منفی دارد، جذب یون­‌هایی با بار جزئی مثبت می‌شود و به همین ترتیب اتم‌های هیدروژن که بار جزئی مثبت دارند جذب یون‌هایی با بار منفی می‌شوند. در نتیجه هر دو ماده در یکدیگر حل می­‌شوند. سیتوپلاسم ترکیب پیچیده‌ای از مواد محلولی حاصل از واکنش­‌های شیمیایی متابولیسم سلولی است.

نظریه علم

توضیحات علمی چه تفاوتی با توضیحات شبه علمی دارند؟

هومئوپاتی روشی­ است که در آن داروها از طریق حل کردن موادی مانند ذغال، سم عنکبوت و یا شب ­بوهای کشنده در آب به دست می‌آیند. این “محلول مادر” ساخته شده از مواد آسیب رسان، آنقدر رقیق می­شود تا جایی که تقریباً هیچ مولکولی از آن ماده حل شده در آب، در محلول وجود نداشته باشد. ادعا می­‌شود این محلول فوق رقیق شده خواص درمانی نیز دارد. خواصی که برای توصیف آن­‌ها از لفظ ” حافظه آب ” استفاده می‌­شود. فارغ از عوامل متعدد دخیل در این روش، هیچ داروی هومئوپاتیکی تا امروزه مشاهده نشده است که بتواند در کارآزمایی­‌های بالینی بزرگ و کنترل شده، بیماری‌ها را درمان کند.

ویژگی آب دوستی و آب گریزی

مواد آب‌دوست یا آب‌گریز هستند.

هیدروفیل به معنای آب‌دوست بودن است. از این عبارت برای توصیف موادی که از لحاظ شیمیایی جذب آب می­‌شوند، استفاده می‌­شود. تمامی موادی که درآب حل می­‌شوند، هیدروفیل یا آب‌دوست هستند؛ از جمله مولکول­‌های قطبی مانند گلوکز و ذراتی با بار مثبت یا منفی مانند یون­‌های سدیم و کلر. موادی که آب به آن­‌ها می­‌چسبد مانند سلولز نیز هیدروفیل هستند.

برخی از مواد اگرچه در سایر حلال­‌ها مانند پروپانون (استون) حل می­‌شوند ولی در آب نامحلول هستند. از کلمه هیدروفوب برای توصیف این مواد استفاده می‌­شود. اگرچه آن‌ها کاملاً  هم آب‌گریز نیستند. مولکول­‌های هیدروفوب، مولکول‌هایی غیرقطبی فاقد بار مثبت یا منفی هستند. تمامی لیپیدها از جمله چربی­‌ها و روغن­‌ها هیدروفوب هستند.

مک

اگر یک مولکول غیرقطبی توسط مولکول­‌های آب احاطه شود، پیوندهای هیدروژنی بین مولکول­‌های آب تشکیل می‌­شود ولی بین مولکول­‌های آب و مولکول­‌های غیر قطبی پیوندی تشکیل نمی­‌شود. اگر دو مولکول غیرقطبی توسط مولکول­‌های آب احاطه شوند و حرکات تصادفی آن­‌ها را کنار یکدیگر بیاورد، به گونه‌ای رفتار خواهند کرد که گویا به یکدیگر متصل هستند. جاذبه بسیار اندکی بین مولکول­‌های غیرقطبی وجود دارد ولی مساله مهم­تر این است که اگر این مولکول­‌ها با یکدیگر در ارتباط باشند پیوندهای هیدروژنی بیشتری می‌­تواند میان مولکول­‌های آب تشکیل شود. این مساله به خاطر آب‌گریز بودن مولکول­‌های غیرقطبی نیست؛ بلکه به خاطر آن است که نسبت به مولکول­‌های غیر قطبی، مولکول‌های آب بیشتر جذب مولکول‌های هم نوع خود می‌­شوند. در نتیجه مولکول­‌های غیرقطبی تمایل دارند در آب به یکدیگر ملحق شوند تا گروه­‌های بزرگ­تری بسازند. نیرویی که باعث اتصال مولکول­‌های غیر قطبی به یکدیگر در آب می‌شود، برهمکنش­‌های هیدروفوبیک یا آب‌گریز نامیده می‌شوند.

ک

مقایسه میان آب و متان

مقایسه خواص حرارتی آب و متان.

ویژگی­‌های آب در بخش­‌های قبل توضیح داده شده‌­اند. متان محصول فرعی تنفس بی هوازی در برخی از پروکاریوت­‌ها است که در محیط‌های بدون اکسیژن زندگی می­‌کنند. پروکاریوت­‌های متانوژنیک در مرداب­‌ها و سایر نواحی باتلاقی و همچنین در روده جانورانی مانند موریانه، گاو و گوسفند زندگی می‌­کنند. علاوه بر این محیط‌ها، این موجودات در محل­های انباشت زباله‌ها نیز زندگی می­‌کنند و تمایل بسیار زیادی به تولید متان در فرآیند هضم غیرهوازی دارند. از متان می­‌توان به عنوان سوخت استفاده کرد ولی اگر متان داخل جو آزاد شود منجر به تولید اثر گلخانه‌­ای می‌شود.

آب و متان هر دو مولکول­‌های کوچکی هستند که  اتم­‌های آن‌ها با پیوند یگانه به یکدیگر متصل شده‌­اند. با این وجود مولکول­‌های آب قطبی هستند و توانایی تشکیل پیوند هیدروژنی را دارند در صورتی که مولکول­‌های متان غیرقطبی هستند و پیوند هیدروژنی تشکیل نمی‌دهند. در نتیجه ویژگی­‌های فیزیکی این دو ماده با هم متفاوت است.

داده­‌های جدول شماره 1، بخشی از ویژگی­‌های فیزیکی متان و آب را نشان می­‌دهد. چگالی و ظرفیت گرمایی ویژه هر دو در شرایط مایع بررسی شده است. داده‌­ها نشان می­‌دهند آب ظرفیت گرمایی ویژه، گرمای نهان تبخیر، نقطه جوش و نقطه ذوب بالاتری نسبت به متان دارد. درحالی که متان تا دمای حدود 22 درجه سانتی گراد مایع است ولی آب تا حدود 100 درجه سانتی گراد حالت مایع دارد.

ویژگی متان آب
فرمول CH4 H2O
جرم مولکولی 16 18
چگالی 0.46g per 1g per cm3
ظرفیت گرمایی ویژه 2.2 J per g pe 4.2 J per g per°C
گرمای نهان تبخیر 760 J/g 2,257 J/g
نقطه ذوب −182 °C 0 °C
نقطه جوش −160 °C 100 °C

جدول شماره 1. مقایسه‌ی متان و آب

خنک کردن بدن با تعرق

 استفاده از آب به عنوان خنک کننده در عرق بدن.

عرق از طریق مجاری باریکی به غدد روی سطح پوست انتقال یافته و از طریق آن‌ها به بیرون ترشح می­‌شود. نگرمای مورد نیاز برای تبخیر آب عرق، از بافت­‌های پوست گرفته می­‌شود و بدین شکل دمای بافت­‌ها کاهش پیدا می‌­کند. با خروج عرق از پوست، خونی که در پوست جریان دارد نیز خنک می‌­شود. از آن جایی که گرمای نهان تبخیر آب بالاست، این راه، روشی مناسب برای کاهش دمای بدن است. ترکیبات حل شده درون عرق به ویژه یون‌­هایی مانند سدیم روی سطح پوست باقی می­‌مانند و می­‌توان آن‌­ها را از مزه شورشان تشخیص داد.

ترشح عرق توسط هیپوتالاموس مغز تنظیم می‌­شود. هیپوتالاموس، گیرنده­‌هایی دارد که به وسیله آن­‌ها دمای خون را بررسی می­‌کند و از طریق گیرنده‌­های روی سطح پوست می­‌تواند دمای اندام را بررسی کند. اگر دمای بدن بسیار بالا باشد، هیپوتالاموس غدد ترشح کننده‌ی عرق را تحریک می­‌کند، تا در جهت ایجاد دمای مطلوب در بدن، عرق ترشح کنند. در موارد حاد این میزان می‌تواند به 2 لیتر در ساعت برسد. معمولاً زمانی که دمای بدن پایین­تر از دمای هدف باشد، عرق ترشح نمی­‌شود. اما در زمان ترشح آدرنالین، فارغ از دمای بدن، غدد ترشح عرق نیز فعال می‌‌شوند. دلیل این مساله این است که مغز در زمان ترشح آدرنالین وقوع یک دوره فعالیت شدید در بدن را پیش‌بینی می­‌کند که نتیجه آن افزایش قابل توجه دمای بدن است.

روش­‌های دیگری نیز برای کاهش دمای بدن به جز تعریق وجود دارد، هرچند خیلی از این­ روش‌­ها به از دست دادن دما در اثر تبخیر آب وابسته هستند. نفس نفس زدن در سگ­‌ها و پرندگان نمونه‌ای از این روش‌­هاست. تعریق در گیاهان در حقیقت از دست دادن آب از برگ‌­های گیاه است که اثرات خنک کنندگی دارد و در محیط­های گرم بسیار مفید است.

نقل و انتقال در پلاسمای خون

روش­ نقل و انتقال گلوکز، اسیدآمینه‌ها، کلسترول، چربی­، اکسیژن و سدیم کلرید در خون، به میزان انحلال این مواد در آب بستگی دارد.

خون طی انتقال طیف وسیعی از مواد با استفاده از روش­‌های مختلف، اطمینان حاصل می‌­کند که مشکلی طی این فرآیند به وجود نیاید و مواد به اندازه‌­ای که بدن به آن­‌ها نیاز دارد، جابه­ جا شوند.

سدیم کلرید ترکیبی یونی است که آزادانه در آب حل می­‌شود تا یون سدیم (Na+) و یون کلر (Cl) ایجاد شوند. این یون­‌ها در پلاسمای خون حمل می‌­شوند.

اسیدهای‌آمینه هم بار مثبت و هم بار منفی دارند. به همین دلیل در آب محلول هستند. اما میزان حلالیت آن­‌ها به گروه جانبی(R) آن‌ها بستگی دارد. برخی از گروه‌­های R هیدروفیل و برخی دیگر هیدروفوب هستند. انحلال‌پذیری تمامی اسیدهای‌آمینه­ به حدی هست که بتوانند به شکل حل شده در پلاسمای خون جابه­ جا شوند.

گلوکز موکولی قطبی است. آزادانه در آب حل می­‌شود و به شکل حل شده در پلاسمای خون حمل می‌­شود.

اکسیژن، مولکولی غیرقطبی است. به خاطر اندازه کوچک به شکل حداقلی در آب حل می‌­شود، به نحوی که آب در غلظت­‌های نسبتاً پایینی از اکسیژن اشباع می­‌شود. همچنین زمانی که دمای آب افزایش پیدا می­‌کند، میزان حلالیت اکسیژن در آب نیز کاهش می‌­یابد. در نتیجه پلاسمای خون در 37 درجه سانتی‌گراد به میزان بسیار کمتری نسبت به آب 20 درجه یا پایین­تر، توان حل کردن اکسیژن را دارد.

میزان اکسیژنی که توسط پلاسمای خون می‌­تواند جابه­ جا شود بسیار کمتر از آن­ چیزی است که برای تنفس هوازی سلول­‌ها مورد نیاز است. برای حل این مشکل از هموگلوبین درون گلبول­‌های قرمز استفاده می­شود. هموگلوبین، مکان­‌هایی برای اتصال به اکسیژن دارد و بدین ترتیب ظرفیت حمل اکسیژن توسط خون را به شکل چشمگیری افزایش می­‌دهد.

مولکول‌­های چربی، به طور کامل غیرقطبی، از اکسیژن بزرگتر و در آب نامحلول هستند. مولکول‌های چربی در خون در توسط لیپوپروتئین­‌ها حمل می­‌شوند. لیپوپروتئین­‌ها گروهی از مولکول­‌ها هستند که در ناحیه خارجی خود یک لایه فسفولیپیدی و در ناحیه داخل حاوی چربی هستند. سرهای فسفاتی فسفولیپیدها، آب‌دوست هستند و به سمت بیرون(به طرف آب پلاسمای خون) قرار دارند در صورتی که دم‌های هیدروکربنی در فسفولیپیدها، آب‌گریز و در تماس با چربی­‌ها هستند و به سمت داخل قرار دارند. همچنین در لایه فسفولیپیدی مقداری پروتئین نیز وجود دارد، به همین دلیل به این ساختارها لیپوپروتئین گفته می‌شود.

کلسترول‌­‌‌ها مولکول­‌هایی آب‌گریز هستند؛ به جز بخش کوچک آبدوستی که در یکی از انتهاهای آن‌ها وجود دارد. این بخش آب‌دوست برای حل شدن کلسترول در آب کافی نیست در عوض کلسترول­‌ها همراه با چربی­‌ها در ترکیبات لیپوپروتئینی حمل می­‌شوند. مولکول­‌های کلسترول در لایه فسفولیپیدی قرار می­‌گیرند به گونه‌­ای که ناحیه آب‌دوست آن­‌ها همراه با سرهای آب‌دوست فسفولیپیدها به سمت بیرون قرار می­‌گیرد.مک

 

اشتراک گذاری:

دیدگاهتان را بنویسید