1-وقتی یخ صفر به آب صفر تبدیل شود آیا حجمش ثابت است؟

بله حجم اب صفر درجه نسبت به يخ صفر درجه كمتر است براي اثبات اين فرضيه راه ساده اي وجود دارد و ان هم اينست كه اب و يخ را با هم مخلوط كنيد تا هر دو به نقطه تعادل برسند در حالي كه هنوز يخ در اين مخلوط وجود داشته باشد يعني هر دو به دماي صفر درجه رسيده اند انگاه مشاهده ميكنيد كه يخ روي اب قرار ميگيرد يعني چگالي يخ صفر درجه از چگالي اب صفر درجه كمتر است و يعني در جرم برابر يخ ميزان حجم بيشتري دارد و اين ثابت ميكند كه در فرايند انجماد در صفر درجه حجم يخ از اب بيشتر ميباشد

نمودار تغييرات حجم يخ را در شكل مقابل مشاهده ميكنيد:

براي توضيحات بيشتر مطالبي را درباره اين افزايش حجم غير عادي اب ذكر ميكنيم كه خالي از فايده نيست:

تئوری انجماد

خواص حالت مایع حد واسط بین بی‌نظمی کامل مولکولی در حالت گاز و آرایش منظم مولکولی در حالت جامد است. در مایعات ، مولکولها به قدری آهسته حرکت می‌کنند که نیروهای جاذبه بین مولکولی می توانند آنها را در حجم معینی نگه دارند. با این حال ، جنبش مولکولها هنوز آنقدر سریع است که نیروهای جاذبه بین مولکولی بتوانند آنها را در مواضع مشخصی از شبکه بلوری ثابت نگه دارند.

با سرد شدن مایع ، حرکت مولکولهای آن بیش از پیش کند می‌شود و سرانجام در دمای معینی انرژی جنبشیتعدادی از مولکولها به قدری کم می‌شوند که نیروهای بین مولکولی می‌توانند آنها را در یک شبکه بلوری نگه دارند. در این حال انجماد آغاز می‌شود و مولکولهای کم‌انرژی به‌تدریج در نقاطی از شبکه بلوری قرار می‌گیرند.

نقطه انجماد نرمال

نقطه انجماد نرمال یک مایع ، دمایی است که در آن ، مایع و جامد تحت فشار کل 1atm در حال تعادل هستند. در نقطه انجماد ، دمای سیستم مایع - جامد ثابت می‌ماند تا تمام مایع منجمد شود. مقدار گرمایی که بایستی از مواد در نقطه انجماد گرفته شود تا یک مول آن منجمد گردد، گرمای مولی تبلور نامیده می‌شود. این مقدار برابر با تفاوت محتوای گرمایی (ΔH) مایع و جامد است.

مولکول آب از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن تشکیل شده است و دارای ساختمانی خمیده با زاویه '10430 می‌باشد. خواص غیر عادی آب حاکی از آن است که در این مولکول یک نوع نیروی بین مولکولی قوی وجود دارد. این نیروی قوی ، جاذبه میان H از یک مولکول آب و اکسیژن از مولکول دیگر می‌باشد و به پیوند هیروژنی موسوم است.

اختلاف الکترونگاتیوی میان O و H به اندازه ایست که ابر الکترونی در H₂O (و مولکولهای مشابه مانند NH3 , NF) از هیدروژن به طرف اکسیژن جابجا می‌شود و هیدروژن در تاثیر متقابل با مولکولهای مجاور تقریبا مانند یک پروتون عمل می‌کند. اندازه کوچک هیدروژن باعث می‌شود که اتم اکسیژن از مولکول مجاور به آن نزدیک شده و پیوندی میان آنها ایجاد شود. نکته مهم این است که پیوند هیدروژنی فقط بین H و اکسیژن و نیتروژن و فلوئور ایجاد می‌شود. خواص غیر عادی آب با پیوند هیدروژنی توجیه می‌شود.

بالابودن گرمای ویژه آب

بالا بودن گرمای ویژه آب نسبت به دیگر مایعات و جامدات نشان دهنده مقدار بالای انرژی لازم برای شکستن پیوندهای هیدروژنی آب است. تعداد پیوندهای هیدروژنی با افزایش دما کم می‌شود ولی حتی تا100 درجه آن قدر پیوند هیدروژنی موجود است تا باعث شود گرمای تبخیر آب در مقایسه با سایر مایعات بالاتر باشد (540cal/gr). همان گونه که اشاره شد این خاصیت آب سبب شده است که آب نقش تنظیم کننده حرارتی داشته باشد و جهان را در برابر تغییرات ناگهانی دما حفظ کند.

بالا بودن گرمای تبخیر آب به مقدار زیادی باعث ثابت ماندن دمای بدن در محدوده کم می‌شود. مقدار زیادی از گرمای حاصل از سوخت و ساز بدن از طریق تبخیر سطحی آب از میان روزنه‌های پوست خارج می‌شود.

افزایش حجم آب هنگام انجماد

هنگام انجماد آب مولکولهای H₂O در یک شش ضلعی باز قرار می‌گیرند هر اتم اکسیژن در بلور یخ به 4 هیدروژن وصل می‌شود که با 2 اتم هیدروژن پیوند کووالانسی معمولی و با دوتای دیگر پیوند هیدروژنی تشکیل می‌دهد. بالا بودن نسبت فضای خالی در ساختمان یخ باعث کمتر شدن تراکم آن نسبت به آب می‌شود. افزایش حجم باعث کاهش چگالی آب می‌شود. سرد شدن آب تا زیر 4 درجه باعث کاهش تدریجی چگالی آب می‌شود و این نشان می‌دهد که در نقطه انجماد آب انتقال از یک ساختمان مولکولی فشرده و بسته به یک ساختمان باز به طور ناگهانی صورت نمی‌گیرد بلکه به تدریج و در گستره دما انجام می‌شود.

با کاهش دما مولکولهای بیشتری به شکل ساختمان یخ می‌پیوندند و در دمای زیر 4 درجه تبدیل به ساختمان باز بر انقباض حاصل از سرد کردن غلبه کرده و با پایین آمدن دما به سمت 0 درجه آب منبسط می‌شود. انبساط آب به هنگام انجماد هم اثرات مفید و هم اثرات مضری دارد. انجماد آب در بافتهای گیاهی و جانوری باعث تخریب دیواره سلولی در اثر انبساط می‌شود. اما همین فرایند انبساط در اثر یخ زدن آب در حفره‌های سنگها و صخره‌ها باعث شکستن سنگها شده و ایجاد خاکهای حاصلخیز می‌کند.

دانسیته آب

تغییر دانسیته آب با دما که این تغییر در 4 درجه به حداکثر مقدار خود می‌رسد در ناحیه‌هایی که آب و هوای زمستانی دارند اهمیت فراوانی دارد با پائین آمدن دمای هوا لایه‌های متراکم‌تر آب در سطح دریاچه به کف آن جابجا می‌شوند و در این فرایند گردشی اکسیژن و مواد غذایی تقریبا بطور یکنواخت به تمام قسمتهای دریاچه می‌رسد.

بعد از رسیدن به حالت پایدار دمای قسمت زیرین آب به 4 درجه می‌رسد و باعث می‌شود تا جانوران آبزی در زمستان به زندگی خود ادامه دهند. از طرف دیگر کم بودن دانسیته یخ نسبت به آب باعث شناور شدن یخ در سطح آب می‌شود. اگر یخ سنگین‌تر از آب بود آب کف دریاها و رودخانه‌ها یکپارچه منجمد می‌شد و عواقب خطرناکی برای آبزیان در پی داشت.

: تغيير حجم آب بر حسب تغيير دماي آن غير عادي است. به طوري كه حجم بيشتر مايعات با كم شدن دما كاهش مي يابد و با رسيدن به نقطه انجماد اين كاهش ادامه پيدا مي كند. اما آب رفتاري متفاوت دارد، به اين ترتيب كه آب از 100 تا 4 مانند هر مايع معمولي با كاهش دما كاهش حجم پيدا مي كند. ولي از 4 تا 0 اين رفتار عوض مي شود و كاهش دما باعث افزايش حجم آب مي شود. و با انجماد آب اين افزايش حجم نيز ادامه پيدا مي كند. تغييرات حجم آب نسبت به دما در شكل مقابل نشان داده شده است.

تمرين 6-5: آب در چه دمايي كم ترين حجم را دارد؟ در اين دما چگالي بيشترين مقدار خود را دارد يا كمترين آن را؟

جواب: كمترين حجم آب در دماي 4 است و در اين دما بيشترين چگالي را دارد.

2- با مطلبی به عنوان "آب در مایکروویو" در وبلاگ من موافقید یا نه؟

توجيه خواص ويژه آب با پيوند هيدروژني

مولكول آب از يك اتم اكسيژن و دو اتم هيدروژن تشكيل شده است و داراي ساختماني خميده مي‌باشد. خواص غير عادي آب حاكي از آن است كه در اين مولكول يك نوع نيروي بين مولكولي قوي وجود دارد. اين نيروي قوي ، جاذبه ميان H از يك مولكول آب و اكسيژن از مولكول ديگر مي‌باشد و به پيوند هيروژني موسوم است.

اختلاف الكترونگاتيوي ميان O و H به اندازه ايست كه ابر الكتروني در H2O (و مولكولهاي مشابه مانند NH3 , NF) از هيدروژن به طرف اكسيژن جابجا مي‌شود و هيدروژن در تاثير متقابل با مولكولهاي مجاور تقريبا مانند يك پروتون عمل مي‌كند. اندازه كوچك هيدروژن باعث مي‌شود كه اتم اكسيژن از مولكول مجاور به آن نزديك شده و پيوندي ميان آنها ايجاد شود. نكته مهم اين است كه پيوند هيدروژني فقط بين H و اكسيژن و نيتروژن و فلوئور ايجاد مي‌شود. خواص غير عادي آب با پيوند هيدروژني توجيه مي‌شود.

مايكروويو درست مانند امواج نور و امواج راديويي نوعي انرژي الكترومغناطيسي است. اين امواج در واقع امواجي با طول موج بسيار كوتاه از انرژي الكترومغناطيس هستند كه با سرعت نور سفر مي كنند (186,282 مايل در ساعت). از اين امواج براي ارسال برنامه هاي راديو، تلويزيون، اطلاعات كامپيوتري و سيگنالهاي تلفن استفاده مي شود. اما اين كلمه در ذهن ما به مفهوم دستگاه طبخ غذا جا افتاده است.
پرتوهاي مايكروويو فعل و انفعالاتي روي مولكولهاي غذا انجام مي دهند و با هر سيكل گردشي، موج پولاريته بار مولكولها را از مثبت به منفي تغيير مي دهند. در مايكروويو اين تغييرات پولاريته در هر ثانيه ميليونها بار رخ مي دهند. برخي از مولكولهاي غذا، بويژه مولكولهاي آب، داراي دو انتهاي مثبت و منفي هستند، درست به همان صورتي كه يك قطعه آهن ربا داراي دو قطب شمال و جنوب است.
اشعه هاي مايكروويو مولكولهاي غذاي در حال پخت را بمباران نموده و آنها را به مولكولهاي قطبي اي تبديل مي كنند كه در هر ثانيه با همان فركانس، ميليونها بار تغيير قطب مي دهند. همه اين تحريكات باعث ايجاد اصطكاك و در نتيجه گرما شده و غذا را گرم مي كنند. اين اصطحكاك همچنين موجب آسيبي جدي همچون متلاشي كردن يا از شكل انداختن سلولهاي اطراف مي شود كه با نام علمي "ايزومريسم ساختاري" معروف است.
در روش هاي پخت سنتي، گرما از بيرون (شعله آتش يا اجاق گاز) به غذا داده مي شود و درنتيجه ماده غذايي از بيروني ترين قسمت گرم شده و به تدريج گرما به داخلي ترين نقاط نفوذ مي كند. اما در اجاق هاي ماكروفر، اساس كار استفاده از امواج ماكروويو است.
امواج ماكروويو نوعي از امواج الكترومغناطيسي با فركانس بالاو طول موج كوتاه هستند.
اين امواج اگر به سطح فلز تابيده شوند، منعكس خواهند شد، از شيشه و پلاستيك عبور مي كنند و موادي كه حاوي آب هستند مانند غذاها، انرژي اين امواج را جذب مي كنند. ديواره هاي فلزي داخل ماكروفر اين امواج را منعكس مي كنند تا به غذا تابيده شود. مولكول هاي آب درون غذا داراي دو قطب مثبت و منفي هستند و زماني كه در معرض امواج ماكروويو قرار مي گيرند، با همان فركانس امواج شروع به نوسان مي كنند و مرتباً جهت قطب مثبت و منفي آنها جابه جا مي شود. مولكول ها حدود ميليون ها بار در ثانيه نوسان مي كنند و در حين حركت به مولكول هاي اطراف شان برخورد مي كنند. درنتيجه به علت اصطكاك دماي ماده غذايي به سرعت بالامي رود. در اين روش، درست برعكس روش سنتي، غذا از داخل به بيرون گرم مي شود.
از آنجايي كه بدن انسان نيز حاوي آب است، مي تواند امواج ماكروويو را جذب كند.
قرار گرفتن در معرض تابش مستقيم امواج ماكروويو مي تواند موجب سوختگي هاي عميق بافتي و آب مرواريد شود

هر چیزی که در مجاورت دستگاه نوسان ساز اجاق های مایکروویو معمول قرار داشته باشد، به شدت تحت تاثیر ارتعاشات قرار می گیرد. در حالی که اگر نیم متر از منبع ارتعاش دور شود، قدرت امواج به یک صدم کاهش خواهد یافت. برای مقایسه اثر مایکروویو بر روی ساختار مولکولی مواد، دو گیاه کاملاً مشابه که یکی از آنها توسط آب گرم شده در مایکروویو و دیگری توسط آب گرم شده بر روی کتری سیراب شده بودند، مورد مقایسه قرار گرفتند.

این فکر جالب به ذهن یک دختربچه رسیده بود و خودش نیز آن را اجرا کرد. وی مقدار معینی آب را در مایکروویو جوشاند و پس از سرد شدن به یکی از گیاهان داد و همان مقدار آب را در کتری و روی اجاق گاز جوشاند و پس از سرد شدن به گیاه دیگر داد و این کار را به مدت 9 روز ادامه داد.

نتیجه این آزمایش (طبق تصاویر) پس از روز نهم نشان دهنده این بود که گلدانی که توسط آب جوشانده شده به روش سنتی سیراب شده بود (گلدان سمت راست) مانند روز اول کاملاً سالم و شاداب بود ولی گلدانی که توسط آب جوشانده شده در مایکروویو سیراب شده بود رفته رفته پژمرده و نهایتاً در روز نهم کاملاً خشک شد.


3- اگر سطح آب چرب شود موج کمتری در آن بوجود می آید پیوند هیدروژنی بین مولکولهای آب باعث تشکیل غشای نسبتا محکمی در سطح آن می‌نمایند که در نتیجه باعث می‌شود که یک سوزن یا تیغ بر روی آب بماند یا برخی حشرات در سطح آب راه روند همچنین این خاصیت باعث بالا رفتن آب از لوله‌های موئین می‌شود. کشش سطحی آب با افزایش دما به دلیل کم شدن پیوندهای هیدروژنی کاهش می‌یابد.

اگر نیروهای ما بین مولکولی مایع کمتر از نیروی متقابل بین مایع و یک جسم جامد باشد مایع در سطح جامد پخش می‌شود که خاصیت تر کنندگی نام دارد. ایجاد سطح مقعر بر آب موجود در لوله‌های نازک با توجه به پدیده تر کردن توجیه می‌شود. خاصیت تر کنندگی آب باعث استفاده از آن در شستشو می‌شود. دمای بالا و شوینده‌ها خاصیت تر کنندگی آب را بالا می‌برند. در حالي افزودن چربيها باعث كم شدن تر كنندگي ميشود

اين سوال را با يك سوال ديگر پاسخ ميدهم بادكنكي را با پوسته نازك با دست فشار دهيد سپس بادكنكي را با پوسته ضخيمتر با دست فشار دهيد در كدام بادكنك برامدگي ايجاد شده از اين فشار بيشتر ميشود؟

سطح اب نيز همانند اين پوسته بادكنك ميماند و در اثر وجود نيروي كشش سطحي ميان مولكولهاي سطح اب مانند ان است كه مولكولهاي اب را در يك پوسته نامرئي جمع كرده باشيم افزودن روغن به سطح اب باعث افزايش ضخامت پوسته سطحي اب شده و در نتيجه اين پوسته نا مرئي را محكمتر ميكند كه در اثر تغييرات فشار و نيروي وارد شده بر اين پوسته محكم مقدار موج كمتري ايجاد ميشود

اما پاسخ دومي كه ميتوان به اين مسئله داد و علمي تر به نظر ميرسد اينست كه كشش سطحي روغن از اب كمتر است در نتيجه در اثر نيروي وارده از طرف باد بر سطح ان باعث ميشود كه مولكولهاي روغن كه نيروي ضعيفي انها را به يكديگر متصل كرده است \ پيوند هايشان گسسته شود و مولكولهاي ان به اطراف حركت كنند و موج كم ارتفاع تري را ايجاد كنند و در حقيقت دامنه نوسان كمتري داشته باشند