ใครอธิบายได้บ้างครับ ....

คุณสมบัติของน้ำ
น้ำบริสุทธิ์ ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และไม่มีรส น้ำ 1 โมเลกุล (H2O) ประกอบด้วย ไฮโดรเจน 2 อะตอม และออกซิเจน 1 อะตอม เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนท์ (Covalent bonds) ซึ่งใช้อีเล็กตรอนร่วมกัน โดยที่อะตอมทั้งสามตัวเรียงกันทำมุม 105 องศา โดยมีออกซิเจนเป็นขั้วลบ และไฮโดรเจนเป็นขั้วบวก ดังรูปที่ 1

ภาพที่ 1 โมเลกุลน้ำ
โมเลกุลแต่ละโมเลกุลของน้ำเชื่อมต่อกันด้วยพันธะไฮโดรเจน (Hydrogen-bonds) เรียงตัวต่อกันเป็นรูปจัตุรมุข (Tetrahedral) ดังรูปที่ 2 ทำให้น้ำต้องใช้ที่ว่างมากเมื่อเปลี่ยนสถานะเป็นน้ำแข็ง ดังนั้นเมื่อเราเพิ่มความร้อนให้กับก้อนน้ำแข็ง พันธะไฮโดรเจนที่เชื่อมระหว่างโมเลกุลจะถูกทำลาย (พันธะโควาเลนท์มีความแข็งแกร่งกว่าพันธะไฮโดรเจน) ทำให้น้ำแข็งละลายเป็นของเหลว โครงสร้างผลึกยุบตัวลง น้ำในสถานะของเหลวจึงใช้เนื้อที่น้อยกว่าน้ำแข็ง นี่เองคือ สาเหตุว่าทำไมน้ำแข็งจึงมีความหนาแน่นต่ำกว่าน้ำ

ตัวอย่างที่แสดงพันธะไฮโดรเจนที่เห็นได้ชัดคือ แรงตรึงผิวของน้ำ (Surface tension) เราจะเห็นว่า หยดน้ำบนพื้น หรือบนใบบัว จะเป็นทรงกลมคล้ายเลนส์นูน หรือเวลาที่เติมน้ำให้เต็มแก้ว น้ำจะพูนโค้งอยู่สูงเหนือปากแก้วเล็กน้อย หากปราศจากแรงตรึงผิวซึ่งเกิดจากพันธะไฮโดรเจนแล้ว น้ำจะเต็มเรียบเสมอปากแก้วพอดี ไม่มีการนูน แรงตรึงผิวเป็นคุณสมบัติพิเศษของน้ำ ซึ่งมีมากกว่าของเหลวชนิดอื่น ยกเว้นปรอท (Mercury) ซึ่งเป็นธาตุชนิดเดียวที่เป็นของเหลว แรงตรึงผิวทำให้น้ำเกาะรวมตัวกัน และไหลชอนไชไปได้ทุกหนแห่ง แม้แต่รูโหว่และรอยแตกของหิน

ภาพที่ 2 พันธะไฮโดรเจน

การเปลี่ยนสถานะของน้ำ

ภายใต้ความกดอากาศ ณ ระดับน้ำทะเลปานกลาง น้ำมีสถานะเป็นของเหลว น้ำจะเปลี่ยนสถานะเป็นก๊าซ (ไอน้ำ) เมื่อมีอุณหภูมิสูงถึง “จุดเดือด” (Boiling point) ที่อุณหภูมิ 100°C และจะเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง เมื่ออุณหภูมิลดต่ำถึง “จุดเยือกแข็ง” (Freezing point) ที่อุณหภูมิ 0°C การเปลี่ยนสถานะของน้ำมีการดูดกลืนหรือการคายความร้อน โดยที่ไม่ทำให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง เราเรียกว่า “ความร้อนแฝง” (Latent heat)

ความร้อนแฝงมีหน่วยเป็น แคลอรี
1 แคลอรี = ปริมาณความร้อนซึ่งทำให้น้ำ 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 ความร้อนที่ถูกดูดกลืนเข้าไปจะทำลายโครงสร้างผลึกน้ำแข็ง ทำให้น้ำแข็งเปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว ในทางกลับกัน เมื่อน้ำเปลี่ยนสถานะเป็นน้ำแข็ง ก็จะคายความร้อนแฝงออกมา 80 แคลอรี/กรัม
เมื่อน้ำเปลี่ยนสถานะเป็นไอน้ำ น้ำต้องการความร้อนแฝง 600 แคลอรี เพื่อที่จะเปลี่ยน น้ำ 1 กรัม ให้กลายเป็นไอน้ำ ในทำนองกลับกัน เมื่อไอน้ำควบแน่นกลายเป็นหยดน้ำ น้ำจะคายความร้อนแฝงออกมา 600 แคลอรี/กรัม ทำให้เรารู้สึกร้อน ก่อนที่จะเกิดฝนตก
ความหนาแน่นของน้ำ
ภายใต้ความกดอากาศ ณ ระดับน้ำทะเลปานกลาง น้ำจะเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็งเมื่อมีอุณหภูมิ 0°C แต่น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่อุณหภูมิ 4°C เมื่ออยู่ในสถานะของเหลว ตามเส้นกราฟที่แสดงในภาพที่ 7 เมื่อน้ำเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง น้ำจะมีปริมาตรเพิ่มขึ้นถึงร้อยละ 9 เราจะเห็นได้ว่า เมื่อใส่น้ำเต็มแก้วแล้วนำไปแช่ห้องแข็ง น้ำแข็งจะล้นออกนอกแก้ว หรือไม่ก็ดันให้แก้วแตก ในทำนองเดียวกันเมื่อน้ำในซอกหินแข็งตัว มันจะขยายตัวทำให้หินแตกได้

ภาพที่ 4 ความหนาแน่นของน้ำ ณ อุณหภูมิต่างๆ
สสารโดยทั่วไปจะมีความหนาแน่นมากขึ้นเมื่อเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง แต่น้ำมีความหนาแน่นน้อยลงเมื่อเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง น้ำแข็งจึงลอยอยู่บนน้ำ หากน้ำแข็งมีความหนาแน่นกว่าน้ำแล้ว เมื่ออากาศเย็นตัวลง น้ำในมหาสมุทรแข็งตัวและจมตัวลงสู่ก้นมหาสมุทร หากเป็นเช่นนี้แล้ว สัตว์ที่อาศัยอยู่บริเวณพื้นมหาสมุทรจะไม่สามารถมีชีวิตรอดได้เลย การที่น้ำมีคุณสมบัติแตกต่างจากสสารอื่น กลับเป็นผลดีที่เอื้ออำนวยต่อสิ่งมีชีวิตบนโลก เมื่อน้ำในมหาสมุทรเย็นตัวลง น้ำแข็งจะลอยตัวบนผิวมหาสมุทร ทำหน้าที่เป็นฉนวนป้องกัน มิให้น้ำทะเลที่อยู่เบื้องล่างสูญเสียความร้อน จนกลายเป็นน้ำแข็งไปหมด เหตุนี้เองช่วยให้สิ่งมีชีวิตจึงสามารถดำรงชีวิตอยู่ได้ในท้องทะเลและมหาสมุทร