آب؛ از خوشه تا توده

اشاره

تالس، فیلسوف یونانی، حدود 600 سال پیش از میلاد چنین ادعا کرد: آب ماده اصلی است و همه چیز از آن نشات می‌‌گیرد. دویست سال بعد، ارسطو تصریح کرد افزون بر آتش، هوا و زمین، آب هم یکی از چهار عنصر اساسی است. امروزه آب به عنوان فراوان‌‌ترین مولکول روی کره زمین شناخته می شود و تقریباً 70 درصد سیاره زمین را می‌‌پوشاند. آب عاملی مهم در فرایندهای زیستی است و حیات به شکلی که در کره زمین وجود دارد بدون آب غیر ممکن است. در نگاه اول آب ترکیبی ساده، شامل دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن به نظر می‌رسد. اما در مقایسه با ترکیبی مانند H2S یا H2Se که اتم هم گروهی آن یعنی گوگرد یا سلنیم به دو اتم هیدروژن متصل شده است، ویژگی‌‌های شیمیایی و فیزیکی نامتعارفی نشان می‌دهد. برای نمونه، هر دوی این ترکیب‌‌ها در دمای اتاق گاز هستند در حالی که مولکول آب که جرم مولکولی بسیار کمتری دارد، به شکل مایع است و نقطه جوش بسیار بالاتری (به ترتیب 160 و 139 درجه سلسیوس بیشتر) هم دارد. در توجیه این تفاوت چشم‌گیر، به‌وجود برهم کنش‌های دوقطبی- دوقطبی قوی بین مولکول‌های آب اشاره می‌شود که به علت استحکام بیشتری که در مقایسه با برهم‌کنش‌های مشابه دیگر دارند از آن به‌عنوان «پیوند هیدروژنی» یاد می‌شود. داستان ما به وجود این پیوندها مربوط است.



آب مولکول‌هایی اجتماعی دارد!

مولکول‌‌های آب با تشکیل پیوند هیدروژنی کنار یکدیگر قرار می‌‌گیرند و تجمع‌هایی با اندازه و شکل‌های گوناگون ایجاد می‌کنند. چگونگی قرارگرفتن مولکول‌‌ها در این تجمع‌ها توجه بسیاری از دانشمندان را به خود جلب کرده است. این پرسش مطرح است که آیا مولکول‌‌های آب زنجیروار و مانند ریسمانی بلند با یکدیگر پیوند دارند و در مجموع، توده آب را تشکیل می‌دهند یا مجموعه‌ای از تجمع‌های غیرخطی به شکل‌ها و اندازه‌‌های گوناگون، توده‌‌ آب را به‌وجود می‌‌آورند؟

بلور برف یکی از شگفتی‌های طبیعت است که نشان می‌دهد تنها از قرارگیری زنجیروار مولکول‌‌های آب در کنار یکدیگر توده آب به‌‌‌وجود نمی‌‌آید. بررسی‌ها نشان می‌دهد که به هنگام تشکیل بلور یخ، مولکول‌‌های آب با پیوندهای هیدروژنی، نخست یک تجمع شش ضلعی تشکیل می‌‌دهند و سپس با افزوده شدن مولکول‌های بعدی این شش ضلعی رشد می‌کند و بلورهای زیبای یخ را ایجاد می‌کنند، شکل 1.

 شکل ۱. نمایی از برخی بلورهای شناخته شده برف

دما، رطوبت و فشار هوا در چگونگی تشکیل بلور برف و شکل نهایی آن بسیار مؤثر است. تا به امروز بیش از 120 شکل مختلف برای دانه‌های برف گزارش شده است. به راستی چرا و چگونه این عوامل بر شکل و رشد بلور یخ اثر می‌‌گذارند؟

بنابر پژوهش‌‌ها، ساده‌‌ترین سامانه آب، خوشه‌‌های آب هستند که از اتصال مولکول‌های آب با کمک پیوند هیدروژنی ایجاد می‌شوند. این خوشه‌ها در شکل‌‌ها و اندازه‌‌های متفاوت شناسایی شده‌اند و هر یک از آن‌ها ویژگی‌‌های ساختاری و پایداری خاص خود را دارد، شکل 2.

شکل ۲. شماری از خوشه‌های کوچک شناخته شده

خوشه‌‌های آب در چند دهه گذشته بسیار مورد توجه شیمی‌دانان و فیزیک‌دانان بوده‌اند. بررسی تجربی خوشه‌‌های آب در فاز گازی، نیازمند تجهیزات ویژه و شرایط دشوار است، با این حال دانشمندان توانسته‌‌اند خوشه‌‌های آب را شناسایی کنند. همچنین مطالعات نظری بی‌شماری نیز در این زمینه انجام گرفته است. در این مطالعات چهره بندی و پایداری نسبی خوشه‌ها به دقت مورد بررسی قرار گرفته است.

داده‌‌های حاصل از مطالعات تجربی و نظری نشان می‌‌دهند خوشه‌‌های آب در دماهای پایین تشکیل می‌‌شوند و با تغییر دما، ساختار و چهره بندی خوشه‌‌ها تغییر می‌‌کند. حال سؤال اینجاست که آیا می‌‌توان گفت هنگام تشکیل بلور برف این خوشه‌‌های آب هستند که در کنار هم قرار می‌‌گیرند و بلور برف را می‌‌سازند یا مولکول‌های آب یک به یک به هم متصل می‌شوند و بلور یخ را می‌سازند؟ آیا در هر دما و فشاری، خوشه‌ای‌‌ خاص، فراوانی بیشتری می‌یابد و این خوشه‌‌ها با قرار گرفتن کنار یکدیگر بلور یخ در شکل‌‌هایی زیبا و شگفت‌انگیز را ایجاد می‌‌کنند؟ آیا می‌‌توان فرض کرد که در ارتفاعات با توجه به شرایط هواکره  جمعیت یک خوشه خاص بر بقیه برتری می‌‌یابد و به همین دلیل بلورهای برف شکل‌هایی متفاوت به خود می‌گیرند؟، شکل 3.

شکل ۳. مدلی فرضی در مورد تشکیل بلور برف از خوشه‌های آب

تمامی این پرسش‌ها در مورد چگونگی تشکیل برف، دانشمندان را به بررسی خوشه‌‌های آب سوق داده است. بنا به این بررسی‌‌ها، هر خوشه رفتاری متفاوت با خوشه‌‌ دیگر، یا حتی متفاوت با توده آب دارد. برای نمونه، خوشه‌‌ مکعبی شکل آب - که از هشت مولکول آب ایجاد می‌‌شود - گشتاور دوقطبی ندارد و برخلاف آب مایع، غیر‌‌قطبی است! این خوشه همراه نوعی خوشه آب که از چهار مولکول آب تشکیل می‌‌شود، جزء خوشه‌‌های پایدار و غیرقطبی آب هستند. در واقع، خوشه‌‌های چهارتایی¹ و هشتایی² تنها خوشه‌‌هایی هستند که در دمای پایین در حلال‌‌های غیرقطبی تشکیل می‌‌شوند.

خوشه‌‌های آب بزرگ‌‌تر، از به هم پیوستن خوشه‌‌های پایدار و کوچک‌‌تر‌‌ به وجود می‌‌آیند که در نهایت توده آب را تشکیل می‌‌دهند، شکل 4.

 شکل ۴. نمایی از به هم پیوستن خوشه‌‌های آب به یکدیگر و تشکیل توده آب

بررسی‌‌ها در مورد خوشه‌‌های آب همچنان ادامه دارد، زیرا با پی‌‌بردن به ویژگی خوشه‌‌های آب به راحتی می‌توان به ویژگی‌‌های غیر عادی آن نیز پی‌‌برد.

پی‌نوشت‌ها

1. tetramer  

2. octamer