სითბოტევადობა, აორთქლების კუთრი სითბო და წყლის სიმკვრივე

წარმოიდგინეთ, რომ ცხელა, კარგა ხანი მზეზე იყავით და საკმაოდ გაოფლიანდით, ამიტომ ჯდებით და ცივი, ყინულიანი წყლის ჭიქას იღებთ. ზანტად ამჩნევთ ოფლის წვეთებს თქვენს მკლავებზე და ყინულის ნატეხებს, რომლებიც წყლიანი ჭიქის ზედაპირზე ტივტივებს. წყლის თვისებების ბეჯითად შესწავლის შედეგად თქვენ უკვე იცით, რომ ხელებზე ოფლიცა და მოტივტივე ყინულებიც ჭიქაში წყლის საოცარი უნარის — წყალბადური ბმების წარმოქმნის — მაგალითებია.

როგორ ხდება ეს? წყლის მოლეკულები ძალიან ადვილად წარმოქმნიან წყალბადურ ბმებს, სუსტ კავშირებს მოლეკულების ნაწილობრივ დადებითად და ნაწილობრივ უარყოფითად დამუხტულ ბოლოებს შორის. წყალბადური ბმების მეშვეობით აიხსნება აორთქლებით გაგრილების ეფექტურობა (რატომ ვგრილდებით გაოფლიანებისას) და ყინულის დაბალი სიმკვრივე (რატომ ტივტივებს იგი წყალზე).

ამ სტატიაში ჩვენ უფრო ახლოს გავეცნობით წყალბადური ბმების როლს წყლის ტემპერატურის ცვლილებაში, გაყინვასა და აორთქლებაში.

წყალს სამივე მდგომარეობაში — მყარში, თხევადსა და აირადში — უნიკალური ქიმიური თავისებურებები ახასიათებს, რაც მისი მოლეკულების უნარის დამსახურებაა, წარმოქმნან წყალბადური ბმები ერთმანეთთან. ცოცხალი ორგანიზმები, ბაქტერიებიდან ადამიანებამდე, დიდი რაოდენობით შეიცავენ წყალს, შესაბამისად, ამ ნივთიერების სამი აგრეგატული მდგომარეობის უნიკალური ქიმიური თვისებების გაცნობა უმთავრესია ბიოლოგიაში.

თხევად წყალში წყალბადური ბმები მუდმივად წარმოიქმნება და წყდება წყლის მოლეკულების ერთმანეთთან „ჩავლისას". ამ ბმების გაწყვეტას იწვევს წყლის მოლეკულების მოძრაობის ენერგია (კინეტიკური ენერგია), რაც სისტემაში არსებული სითბოთია განპირობებული.

სითბოს მომატებისას (მაგალითად, წყლის ადუღებისას) მოლეკულების კინეტიკური ენერგია კიდევ უფრო იზრდება, ამიტომ წყალბადური ბმები საერთოდ წყდება, წყლის მოლეკულები „თავისუფლდება" და აირად მდგომარეობაში ადის ჰაერში. ამ „აირს" ჩვენ წყლის ორთქლად ვხედავთ.

მეორე მხრივ, ტემპერატურის დაცემისა და წყლის გაყინვისას მისი მოლეკულები წარმოქმნიან კრისტალურ სტრუქტურას, რომელსაც წყალბადური ბმები ამაგრებს (ამ დროს სითბური ენერგია ძალიან ცოტაა იმისთვის, რომ ეს ბმები გაწყდეს). სწორედ ამ სტრუქტურის გამოა, რომ ყინული წყალზე ნაკლებად მკვრივია.

ყინულში წყალბადური ბმების ურთიერთგანლაგების გამო წყალი ნაკლებად მკვრივია მყარ მდგომარეობაში. უფრო ზუსტად რომ ვთქვათ, წყლის მოლეკულები უფრო შორიშორსაა განლაგებული ყინულში, ვიდრე თხევად წყალში.

ეს ნიშნავს, რომ წყალი გაყინვისას ფართოვდება. შესაძლოა, ეს თქვენ თავადაც გინახავთ, თუკი შუშის დახურული კონტეინერი, რომელშიც დიდწილად თხევადი, წყლიანი საკვები იყო (წვნიანი, გაზიანი სასმელი და სხვა), საყინულეში შეგიდგამთ და შემდეგ აღმოგიჩენიათ, რომ მინა გასკდა თხევადი წყლის გაყინვისა და გაფართოების შედეგად.

სითხეების უმრავლესობაში გამყარებისას — ანუ ტემპერატურის დაცემისას და მოლეკულების კინეტიკური (მოძრაობის) ენერგიის შემცირებისას — მოლეკულები უფრო მჭიდროდ განლაგდება ერთმანეთთან, ვიდრე თხევად მდგომარეობაში, ამიტომ გამყარებული ნივთიერება თხევადზე უფრო მკვრივია ხოლმე. წყალი, ამ მხრივ, ანომალიაა (უცნაური, გამორჩეული), რადგან მას მყარ მდგომარეობაში უფრო ნაკლები სიმკვრივე აქვს.

რადგან ყინული ნაკლებად მკვრივია, იგი თხიერი წყლის ზედაპირზე ტივტივებს, როგორც ჩვენ ვხედავთ აისბერგს ან ყინულის კუბებს ცივი ჩაის ჭიქაში. ტბებსა და წყალსატევებში ყინულის ფენა წარმოიქმნება წყლის ზემოთ, რაც საიზოლაციო ბარიერს ქმნის წყალსატევების სიღრეში მცხოვრები ცხოველებისა და მცენარეების გაყინვისგან დასაცავად.

რატომაა ცოცხალი ორგანიზმებისთვის გაყინვა საზიანო? ამის გასაგებად გაიხსენეთ გაზიანი სასმლის ბოთლის გასკდომის ამბავი საყინულეში. უჯრედის გაყინვისას მისი წყლიანი შიგთავსი ფართოვდება და მემბრანა (ისევე, როგორც ბოთლი) ნაწილებად იშლება.

თხევადი წყლის ტემპერატურის გასაზრდელად დიდი რაოდენობით სითბოა საჭირო, რადგან ამ სითბოს ნაწილი მოლეკულებს შორის წყალბადური ბმების გასაწყვეტად უნდა დაიხარჯოს. სხვანაირად რომ ვთქვათ, წყალს მაღალი კუთრი სითბოტევადობა აქვს. კუთრი სითბოტევადობა არის სითბოს ის რაოდენობა, რომელიც საჭიროა 1 გრამი ნივთიერების ტემპერატურის 1 გრადუსი ცელსიუსით გასაზრდელად. 1 გრამი წყლის ტემპერატურის 1°C-ით გაზრდისთვის საჭირო სითბოს რაოდენობას თავისი სახელი აქვს - მას კალორია ეწოდება.

მაღალი სითბოტევადობის გამო წყალში ტემპერატურა მინიმალურად იცვლება. მაგალითად, წყლის კუთრი სითბოტევადობა ხუთჯერ მეტია ქვიშისაზე. მზის ჩასვლის შემდეგ მიწა უფრო სწრაფად ცივდება, ვიდრე ზღვა. რადგანაც წყალი ნელ-ნელა ცივდება, იგი სითბოს გამოყოფს და ნაპირზე არსებულ მიწას ათბობს ღამით. წყალს თბილსისხლიანი ორგანიზმებიც იყენებენ სხეულში სითბოს გადასანაწილებლად: ამ შემთხვევაში იგი იმავე ფუნქციას ასრულებს, რასაც მანქანის გამაგრილებელი სისტემა, ანუ გადააქვს სითბო თბილი უბნებიდან ცივისკენ, რითაც სხეულის ტემპერატურას ათანაბრებს.

რამდენად დიდი რაოდენობის სითბოცაა საჭირო თხევადი წყლის ტემპერატურის გასაზრდელად, ისეთივე უჩვეულო რაოდენობის სითბოა აუცილებელი წყლის მოცემული რაოდენობის ასაორთქლებლად, რადგან მოლეკულების აირად მდგომარეობაში გასასვლელად ჯერ წყალბადური ბმები უნდა გაწყდეს. ეს ნიშნავს, რომ წყალს აქვს მაღალი აორთქლების კუთრი სითბო ანუ ენერგიის ის რაოდენობა, რომელიც საჭიროა 1 გრამი თხევადი ნივთიერების აირად ქცევისთვის, უცვლელ ტემპერატურაზე.

წყლის აორთქლების კუთრი სითბო უდრის დაახლოებით 540 კალ/გ-ს 100 °C-ზე, დუღილის ტემპერატურაზე. აღსანიშნავია, რომ წყლის ზოგი მოლეკულა — კერძოდ, ისინი, რომელთაც უფრო მაღალი კინეტიკური ენერგია აქვთ — წყლის ზედაპირს უფრო დაბალ ტემპერატურაზეც სწყდება და ორთქლდება.

წყლის მოლეკულების აორთქლებასთან ერთად ზედაპირი, რომლიდანაც ისინი აორთქლდნენ, გრილდება, რასაც აორთქლებით გაგრილება ეწოდება. ეს იმიტომ ხდება, რომ აორთქლებისას ყველაზე მაღალი კინეტიკური ენერგიის მქონე მოლეკულები „იკარგება" (მეტი ინფორმაციისთვის იხილეთ აორთქლებით გაგრილება — ვიდეო. ადამიანებსა და სხვა ორგანიზმებში ოფლის (მისი 99% წყალია) აორთქლება აგრილებს სხეულს და სტაბილურ ტემპერატურას უნარჩუნებს მას.