คุณสมบัติของน้ำ

ทุกคนจะรู้ว่าน้ำบริสุทธิ์ ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และไม่มีรส แต่รู้หรือว่าคุณสมบัติและส่วนประกอบของน้ำแล้วจริงๆแล้วเป็นอย่างไร...

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 1000C และจะเปลี่ยนสถานะเป็นของแข็ง เมื่ออุณหภูมิลดต่ำถึง “จุดเยือกแข็ง” (Freezing point) ที่อุณหภูมิ 00C การเปลี่ยนสถานะของน้ำมีการดูดกลืนหรือการคายความร้อน โดยที่ไม่ทำให้อุณหภูมิเปลี่ยนแปลง เราเรียกว่า “ความร้อนแฝง” (Latent heat)
ความร้อนแฝงมีหน่วยเป็น แคลอรี
1 แคลอรี = ปริมาณความร้อนซึ่งทำให้น้ำ 1 กรัม มีอุณหภูมิสูงขึ้น 10C (ดังนั้นหากเราเพิ่มความร้อน 10 แคลอรี
ให้กับน้ำ 1 กรัม น้ำจะมีอุณหภูมิสูงขึ้น 100C)

ภาพที่ 3 พลังงานที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะของน้ำ

ก่อนที่น้ำแข็งละลาย น้ำแข็งต้องการความร้อนแฝง 80 แคลอรี/กรัม เพื่อทำให้น้ำ 1 กรัม เปลี่ยนสถานะเป็นของเหลว น้ำแข็งดูดกลืนความร้อนนี้ไว้โดยยังคงรักษาอุณหภูมิ 00C 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 00C แต่น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่อุณหภูมิ 40C 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

ความจุความร้อน
เคยสังเกตบ้างไหมว่า เวลาเล่นน้ำทะเลตอนกลางวัน เรารู้สึกเย็นสบาย แต่เมื่อเล่นน้ำทะเลตอนกลางคืน เรากลับรู้สึกว่าน้ำทะเลมีความอบอุ่น ทั้งนี้เนื่องจากความจุความร้อนของน้ำ (Heat capacity) น้ำมีความร้อนจำเพาะเท่ากับ 4.184 จูล/กรัม/องศาเซลเซียส นั่นหมายถึง การที่จะทำให้น้ำ 1 กรัม มีอุณหภูมิสูงขึ้น 10C จะต้องใช้พลังงานเท่ากับ 4.184 จูล ถ้าต้องการให้น้ำจำนวน 1 กิโลกรัม (1,000 กรัม) มีอุณหภูมิสูงขึ้น 10C จะต้องใช้พลังงานถึง 4,184 จูล ดังนั้นการที่จะทำให้อุณหภูมิของน้ำทะเลสูงขึ้นได้ จะต้องอาศัยพลังงานมหาศาลจากดวงอาทิตย์ นั่นเป็นเหตุให้อุณหภูมิของน้ำทะเลต่ำกว่าอุณหภูมิของอากาศเวลากลางวัน หลักฐานของการคงอยู่ของความจุความร้อนของน้ำก็คือ ความอบอุ่นของน้ำทะเลในเวลากลางคืน ซึ่งเกิดจากการดูดกลืนพลังงานจากดวงอาทิตย์เวลากลางวัน ความจุความร้อนทำให้สภาพภูมิอากาศในแต่ละภูมิภาคแตกต่างกัน ในพื้นที่ห่างไกลจากทะเล เช่น บริเวณใจกลางทวีปมีอุณหภูมิกลางวัน – กลางคืน แตกต่างกันมาก ส่วนบริเวณพื้นที่ชายฝั่งและหมู่เกาะกลางมหาสมุทร มีอุณหภูมิกลางวัน – กลางคืน แตกต่างกันเพียงเล็กน้อย

ตัวทำละลาย
เมื่อเทียบกับสารประกอบชนิดอื่นแล้ว น้ำเป็นตัวทำละลายที่ดีที่สุด เมื่อโมเลกุลของน้ำอยู่รวมตัวกัน ยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะไฮโดรเจน โดยมีแรงที่ชื่อว่า “อีเล็กโตรสแตติก” (Electrostatic forces) นอกจากโมเลกุลของน้ำจะเชื่อมต่อกันเองแล้ว โมเลกุลของน้ำยังสามารถยึดเหนี่ยวกับโมเลกุลอื่นได้ด้วย โมเลกุลของสารประกอบบางชนิดยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะไอออนิก (Ionic bonds) โดยมีแรงอีเล็กโตรสแตติกระหว่างประจุบวกและประจุลบของอะตอมแต่ละตัว แรงอีเล็กโตรสแตติกของโมเลกุลเหล่านี้จะลดลงเหลือเพียง 1 / 80 เมื่อถูกรบกวนจากแรงอีเล็กโตรสแตติกของน้ำ

น้ำเป็นตัวทำละลายที่ดี เนื่องจากแรงอีเล็กโตรสแตกติกของโมเลกุลน้ำจะมีพลังมากกว่าแรงอีเล็กโตรสแตกติกของโมเลกุลอื่นเสมอ ตัวอย่างเช่น เกลือโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) มีโมเลกุลของโซเดียม (Na+) เป็นประจุบวก ยึดติดกับโมเลกุลของคลอรีน (Cl-) ซึ่งเป็นประจุลบ เมื่อใส่ผลึกเกลือลงในน้ำ แรงอีเล็กโตรสแตติกระหว่างโมเลกุลของโซเดียมคลอไรด์จะถูกลดลง 80 เท่า ทำให้ขั้วบวกของโมเลกุลน้ำ (ไฮโดรเจน) ดึงดูด Cl- ไว้ และขั้วลบของโมเลกุลน้ำ (ออกซิเจน) ดึงดูด Na+ ไว้ ตามที่แสดงในภาพที่ 5

ภาพที่ 5 การทำละลายของน้ำ

น้ำทะเล มีรสเค็มเนื่องจากเป็นที่รวมของสารละลายชนิดต่างๆ ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็น ประจุโซเดียม และประจุคลอไรด์ นอกจากน้ำเป็นตัวทำละลายของแข็งแล้ว น้ำยังเป็นตัวทำละลายก๊าซอีกด้วย น้ำฝนละลายคาร์บอนได้ออกไซด์ในอากาศ จึงมีฤทธิ์เป็นกรดอ่อน น้ำในแหล่งน้ำทำละลายออกซิเจนในฟองอากาศ ทำให้สิ่งมีชีวิตในน้ำได้หายใจ การทำละลายก๊าซของน้ำขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของอากาศ ปลาหลายชนิดชอบน้ำเย็นมากกว่าน้ำอุ่น ก็เพราะว่า น้ำเย็นละลายก๊าซออกซิเจนได้ดีกว่าน้ำอุ่น ความเข้มข้นของก๊าซซึ่งละลายอยู่ในน้ำมักมีหน่วยวัดเป็น ppb หรือ parts per billion นั่นก็คือ ต่อพันล้านส่วน เช่น ค่าออกซิเจนในน้ำ = 5 ppb ย่อมหมายถึง ในน้ำ 1 พันล้านส่วน มีก๊าซออกซิเจนละลายอยู่ 5 ส่วน

สภาพการนำไฟฟ้าของน้ำ
ตามปกติแล้ว น้ำบริสุทธิ์จะไม่มีการเหนี่ยวนำไฟฟ้า การนำไฟฟ้าของน้ำแสดงถึง การเจือปนของสารละลายในน้ำ การเหนี่ยวนำไฟฟ้าของน้ำมีหน่วยวัดเป็น ไมโครซีเมนส์ ต่อ เซนติเมตร (S/cm) น้ำสะอาดจะมีค่าการนำไฟฟ้าเพียง 5–30 S/cm

น้ำอ่อน – น้ำกระด้าง
เมื่อเราใช้น้ำในบางแห่งอาบน้ำ โดยเฉพาะน้ำบาดาล จะพบว่า น้ำไม่ทำให้สบู่เป็นฟอง และเช็ดคราบสบู่ออกจากตัวไม่เกลี้ยง เราเรียกน้ำในลักษณะนี้ว่า “น้ำกระด้าง (Hard water)” ซึ่งหมายถึง น้ำที่มีสารละลายแคลเซียมคาร์บอเนตปนอยู่มาก และมักมีฤทธิ์เป็นกรดอ่อน ซึ่งมักเกิดจากหินปูนละลายปนอยู่ในน้ำ เมื่อนำน้ำไปต้มจนแห้ง ก็จะมีซากตะกรันแข็งติดอยู่ที่ผนังกา ส่วน “น้ำอ่อน” (Soft water) หมายถึง น้ำในสภาพปกติทั่วไป

ความเป็น กรด – เบส
กรด (Acid) หมายถึง สสารที่ปล่อยประจุไฮโดรเนียม (H3O+) ให้กับสารละลาย ตัวอย่างเช่น เมื่อผสมน้ำกับกรดเกลือ ทำให้เกิด ประจุไฮโดรเนียม และประจแคลเซียม ตามสูตร H2O + HCl --> (H3O+) + Cl- สสารที่เป็นกรด ได้แก่ กรดกำมะถัน (H2SO4) น้ำส้มสายชู (CH3COOH)
เบส (Base) หมายถึง สสารที่ปล่อยประจุไฮดรอกไซด์ (OH-) ให้กับสารละลาย ตัวอย่างเช่น โซเดียมไฮดรอกไซด์ เมื่อแตกตัวจะให้ประจุไฮดรอกไซด์ ตามสูตร NaCL --> Na+ + OH- เมื่อโลหะไฮดรอกไซด์ละลายน้ำ มันจะปล่อยประจุไฮดรอกไซด์ออกมา เราเรียกว่า “ด่าง” (Alkali) สสารที่เป็นเบส ได้แก่ ปูนซีเมนต์ (CaO) แอมโมเนีย (NH3)

ในการวัดความเป็น กรด – เบส ในสารละลายนั้น เราใช้คำว่า “pH” เป็นตัวบ่งชี้ ตัว p ย่อมาจาคำว่า power ซึ่งมีความหมายในเชิงยกกำลัง ส่วน H นั้นหมายถึง ความเข้มของประจุไฮโดรเจน pH มีค่าเป็นตัวเลขตั้งแต่ 0 – 14 สารประกอบที่มีค่า pH 5 มีประจุไฮโดรเจนมากกว่า สารประกอบที่มีค่า pH 6 ถึง 10 เท่า

น้ำบริสุทธิ์มีค่า pH เป็นกลางอยู่ที่ pH 7 นั้นหมายถึง น้ำ 1 ลิตร ที่อุณหภูมิ 250C มีประจุไฮโดรเจน และประจุไฮดรอกไซด์ อยู่จำนวนเท่ากันคือ 1 x 10 –7 โมล
pH มีค่าน้อย แสดงว่า สารประกอบนั้นมีความเป็นกรดสูง เช่น น้ำมะนาวมี pH = 2.3
pH มีค่ามาก แสดงว่า สารประกอบนั้นมีความเป็นเบสสูง เช่น น้ำยาทำความสะอาดพื้นมี pH = 13

สิ่งมีชีวิตในน้ำส่วนมากมักอาศัยอยู่ในน้ำที่มีค่า pH 6.5 – 9 โดยปกติน้ำฝนตามธรรมชาติจะมีความเป็นกรดเล็กน้อย เนื่องจากการละลายก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศ แต่ทว่าในเขตอุตสาหกรรมที่มีการปล่อยก๊าซเสียออกมา จะทำให้เกิดสภาวะฝนกรด น้ำฝนที่สะสมอยู่ในแหล่งน้ำทำให้ค่า pH ต่ำลง เมื่อ pH ต่ำกว่า 5.5 ปลาจะตายหมด เมื่อ pH มีค่าต่ำกว่า 4 จะไม่มีสิ่งมีชีวิตใดทนทานได้เลย การศึกษาความเป็นกรด – เบส ของน้ำจึงมีความสำคัญมากต่อการประมงและการเกษตร

ภาพที่ 6 pH ของสารประกอบชนิดต่างๆ

ขอขอบคุณโครงการการเรียนรู้ในเรื่องวิทยาศาสจร์โลกและดาราศาสตร์
ภายใต้ความร่วมมือระหว่าง LESA โครงการวิจัยโดยหอดูดาวเกิดแก้ว , สำนักงานกองทุนกองทุนสนับสนุนการวิจัย(สกว.),
จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย และวิชาการดอทคอม
http://203.114.105.84/virtual/lesa/index1.htm