บทที่ 5 คุณสมบัติทางเคมีของน้ำทะเล

บทที่ 5 คุณสมบัติทางเคมีของน้ำทะเล

Chapter 5 : Chemical properties of seawater

 หัวข้อภายในบทเรียน

1.       ความสามารถในการละลายของน้ำ 2.       น้ำทะเล 3.       ที่มาของเกลือในมหาสมุทร (Source of the Ocean’s salts) 4.       Salinity and Chlorinity 5.       สมดุลเคมีของน้ำทะเลและระยะเวลาพำนัก 6.       Conservative and nonconservative constituents 7.       ก๊าซในน้ำทะเล 8.       สมดุลของกรด เบส ในน้ำทะเล

ส่วนนำ

เราทราบดีว่าน้ำเป็นสารประกอบชนิดหนึ่ง สารประกอบ หมายถึง สารที่ประกอบด้วยธาตุตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปรวมตัวกันในสัดส่วนที่แน่นอน ส่วนคำนิยามของธาตุซึ่งบัญญัติไว้ในทางวิทยาศาสตร์ยุคใหม่ คือสารที่ประกอบด้วยอนุภาคที่เรียกว่า อะตอม โดยที่อะตอมนี้ไม่สามารถแยกย่อยลงไปได้อีกด้วยวิธีการทางเคมี สูตรทางเคมีของน้ำ คือ H2O ซึ่งหมายถึงเป็นสารประกอบที่ประกอบด้วยธาตุไฮโดรเจนสองอะตอม รวมอยู่กับหนึ่งอะตอมของธาตุออกซิเจน ตัวอย่างของสารประกอบอื่น ๆ ที่เรารู้จักกันดีได้แก่ คาร์บอนไดออกไซด์ สนิมเหล็ก หรือ น้ำตาล เป็นต้น

โมเลกุล หมายถึง กลุ่มของอะตอมที่รวมกันอยู่ด้วยพันธะทางเคมี ซึ่งเป็นพลังงานรูปแบบหนึ่งที่ยึดอะตอมไว้ด้วยกัน พลังงานนี้เกิดจากการรับหรือสูญเสียหรือใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน โมเลกุลของน้ำเกิด ขึ้นได้จากการใช้อิเล็กตรอนร่วมกันของไฮโดรเจนและออกซิเจน โดยพันธะโคเวเลนต์ โมเลกุลของพันธะโคเวเลนต์อื่น ๆ ที่เรารู้จักดีได้แก่ คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน และออกซิเจนเป็นต้น รูปแบบของการเกาะของ อะตอมไฮโดรเจน สองอะตอม จะทำมุมห่างกันประมาณ 105 องศา (ภาพที่ 5.1)

ภาพที่ 5.1 โครงสร้างโมเลกุลของน้ำ

ที่มา Garrison (2007)

การที่อะตอมของน้ำทำมุมในลักษณะนี้ทำให้ปลายด้านหนึ่งของโมเลกุลน้ำมีประจุบวก ส่วนปลายอีกด้านหนึ่งจะมีประจุลบ จึงถือว่าน้ำเป็นสารประกอบมีขั้วชนิดหนึ่ง ความมีขั้วของน้ำนี้ทำให้โมเลกุลของน้ำมีคุณสมบัติคล้ายแม่เหล็ก ซึ่งหมายถึงปลายด้านที่มีประจุบวกก็จะมีแรงดึงดูดกับอนุภาคที่มีประจุลบ ส่วนด้านที่มีประจุลบก็จะมีแรงดูดกับอนุภาคที่มีประจุบวก เมื่อน้ำเข้าไปสัมผัสกับสารประกอบอื่น ๆ ความมีขั้วของมันจะสามารถสลายสารแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลของสารประกอบได้ คุณสมบัติดังกล่าวนี้สามารถอธิบายได้ว่าทำไมน้ำจึงเป็นตัวทำละลายที่ดี

คุณสมบัติอีกอย่างหนึ่งของการที่น้ำเป็นสารประกอบมีขั้วคือ น้ำจะมีแรงดึงดูดระหว่างกันสูงโดยปลายด้านที่มี ประจุบวกก็จะยึดอยู่กับปลายอีกด้านหนึ่งของโมเลกุลน้ำที่มีประจุลบลักษณะดังกล่าวนี้เรียกว่าพันธะไฮโดรเจน เมื่อพิจารณาโดยรวมจะพบว่าโมเลกุลของน้ำอยู่ในลักษณะการต่อเป็นสายใยอย่างหลวม ๆ (ภาพที่ 5.2) การที่น้ำมีพันธะไฮโดรเจนนี้ จะทำให้น้ำมีแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล (cohesion force) สูง ซึ่งส่งผลทำให้น้ำมีแรงตึงผิวสูงด้วย นอกจากนี้ยังมี adhesion force ซึ่งหมายถึงแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลน้ำกับโมเลกุลอื่นที่อยู่ข้างเคียงสูงอีกด้วย

หากโมเลกุลของน้ำยึดเกาะกันด้วยพันธะโคเวเลนต์เพียงอย่างเดียวโดยไม่มีแรงที่เกิดจากพันธะไฮโดรเจน น้ำจะเปลี่ยนสถานะจากของเหลวไปเป็นก๊าซได้โดยง่าย เมื่อเปรียบเทียบกับไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) ซึ่งมีองค์ประกอบทางเคมีคล้ายกับน้ำแต่ต่างกันที่สารดังกล่าวไม่ได้ยึดเหนี่ยวกัน ด้วยพันธะไฮโดรเจน ดังนั้นสถานะของไฮโดรเจนซัลไฟด์ในอุณหภูมิห้องและความดันปกติจะเป็นก๊าซมากกว่าของเหลว

ภาพที่ 5.2 พันธะไฮโดรเจนที่ยึดอยู่ระหว่างโมเลกุลของน้ำ
ที่มา Garrison (2007)