น้ำ สารเคมีธรรมดาที่แสนแปลก

[เลิศชาย ปานมุข]

น้ำ เป็นสิ่งที่แปลกประหลาดอย่างยิ่ง!  แต่คนส่วนใหญ่กลับไม่ค่อยรู้สึกถึง ความ "พิเศษ" ของน้ำเท่าใดนัก

อาจเป็นเพราะวิถีชีวิตของเราเกี่ยวข้องกับน้ำมาโดยตลอด  เราดื่มน้ำ ใช้น้ำ สัมผัสอยู่กับน้ำทุกวัน  (ช่วงนี้อาจจะได้สัมผัสมากหน่อย)
เราจึงเห็นน้ำเป็นของธรรมดาที่พบเห็นได้ทั่วไปและไม่ตระหนักถึงความสำคัญมันมากนัก  จวบจนเมื่อภัยแล้งหรืออุทกภัยมาเยือน
                            


สำหรับนักวิทยาศาสตร์ น้ำเป็นสารเคมีที่แสนประหลาด

สารเคมีที่มีสูตรว่า H2O อันแสนเรียบง่ายนี้ กลับมีคุณสมบัติที่น่าพิศวงมากมาย

คุณสมบัติบางอย่างเราพบเห็นอยู่บ่อยๆ แต่ไม่ค่อยทราบว่านั่นเป็นคุณสมบัติที่พบเห็นได้ยากยิ่ง ตัวอย่างเช่น

           น้ำ ปรากฏอยู่ในธรรมชาติพร้อมกันทั้ง 3 สถานะ แม้ดูเป็นเรื่องธรรมดาที่เราสามารถพบน้ำที่เป็นเหลว น้ำแข็ง และไอน้ำได้พร้อมๆ กัน แต่สสารส่วนใหญ่ในโลกมักอยู่ในสถานะใดสถานะหนึ่ง ตามอุณหภูมิและปัจจัยอื่นๆ เช่น เหล็กเป็นของแข็ง ปรอทเป็นของเหลว ออกซิเจนเป็นก๊าซมีเพียงน้ำเท่านั้นที่ปรากฏทั้ง 3 สถานะ อยู่ด้วยกันในธรรมชาติ

                 
 
           น้ำ มีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวสูงมากเมื่อเทียบกับสารอื่นที่มีองค์ประกอบคล้ายกัน  เราทราบดีว่าจุดหลอมเหลวของน้ำคือ 0 องศาเซลเซียส และจุดเดือดคือ 100 องศาเซลเซียส

          แต่หากลองพิจารณาจุดเดือดและจุดหลอมเหลวของสารประกอบไฮโดรเจนกับธาตุอื่นในหมู่เดียวกันจะพบว่า ตามแนวโน้ม สารประกอบในหมู่เดียวกันจะยิ่งน้ำหนักโมเลกุลต่ำจุดหลอมเหลวและจุดเดือดจะยิ่งต่ำ แต่น้ำซึ่งมีน้ำหนักโมเลกุลต่ำที่สุดกลับมีจุดเดือดและจุดหลอมเหลวสูงสุด ขัดกับแนวโน้ม
                              


           น้ำ มีความจุความร้อน (Cp) สูง แม้จะไม่เป็นที่สุดแต่ก็ติดอันดับต้นๆ นั่นหมายถึง น้ำสามารถดูดซับพลังงานความร้อนไว้ได้มาก โดยที่อุณหภูมิเปลี่ยนไปเพียงเล็กน้อย

           สังเกตได้จากเวลาเดินชายหาด ทรายที่โดนแดดส่องอาจร้อนจนแทบเดินเหยียบไปไม่ได้ แต่ในทะเล น้ำยังเย็นสบายอยู่ ทั้งที่ได้รับพลังงานจากแสงแดดพอๆ กันนอกจากจะดูดซับความร้อนได้มากแล้วยังถ่ายเทความร้อนได้เร็วด้วย เราสามารถใช้ชามกระดาษใส่น้ำแล้วตั้งไฟต้มจนน้ำเดือดได้ โดยที่ชามกระดาษไม่ไหม้ไฟ ทั้งนี้เพราะน้ำดึงความร้อนจากชามกระดาษไปก่อนที่จะทำให้กระดาษติดไฟ

                       

           น้ำ มีปริมาตรเพิ่มขึ้นเมื่อกลายเป็นของแข็ง สังเกตเห็นได้เวลาแช่ขวดน้ำที่ปิดสนิทในช่องแช่แข็งนานๆ น้ำแข็งจะดันจนทะลักจากขวดหรืออาจดันขวดแตกการขยายตัวของน้ำแข็งเกิดจากโมเลกุลของน้ำขยับห่างออกจากกันเล็กน้อยเพื่อสร้างผลึกที่เป็นระเบียบ การจัดเรียงผลึกนี้ยังทำให้เกิดโครงสร้างรูปหกเหลี่ยมอันวิจิตรพิสดารของเกล็ดหิมะด้วย

           แม้เราจะเห็นว่าน้ำแข็งขยายตัวได้บ่อยๆ แต่คุณสมบัตินี้แทบไม่พบในสารอื่นเลย เท่าที่ทราบตอนนี้มีเพียงซิลิกอนเหลวที่มีพฤติกรรมคล้ายกัน

           น้ำ มีแรงตึงผิวสูงมาก ผิวหน้าของน้ำมีแรงยึดเหนี่ยวซึ่งกันและกันสูงทำให้วัตถุแทรกตัวผ่านผิวน้ำได้ยากกว่าของเหลวอื่น แม้แต่หยดน้ำก็ยังต้องผ่านแรงตึงผิวลงไปก่อน มองด้วยตาเปล่าอาจจะไม่เห็นเห็น แต่ภาพจากกล้องความเร็วสูงแสดงให้เห็นว่าเมื่อหยดน้ำกระทบผิวน้ำ พื้นผิวจะยุบตัวลงก่อนจะเด้งกลับไป มีน้ำเพียงบาง่สวนเท่านั้นที่รวมเข้ากับผิวน้ำ กระบวนการนี้เกิดซ้ำไปซ้ำมาแต่ตาเราไม่ไวพอจึงมองเห็นเพียงการกระเพื่อมของน้ำ

            แมลงจิงโจ้น้ำ (water strider) อาศัยแรงตึงผิวทำให้สามารถเดินไปมาบนผิวน้ำได้โดยไม่จมลงไป

            หรือแม้แต่กิ้งก่าเมื่อวิ่งเร็วๆ ก็สามารถวิ่งไปบนผิวน้ำได้ แต่สำหรับคน ต้องวิ่งด้วยความเร็วมากกว่า 105 กิโลเมตร/ชั่วโมง จึงจะไม่จมน้ำขณะวิ่ง

            แรงตึงผิวนี้เป็นผลจาก พันธะไฮโดรเจน ซึ่งเป็นแรงที่ยึดเหนี่ยวแต่ละโมเลกุลของน้ำไว้ด้วยกันอีกที

            พันธะไฮโดรเจนจะเกิดขึ้นระหว่างไฮโดรเจนกับออกซิเจนหรือไนโตรเจนที่ยังว่างอยู่เท่านั้น สารเคมีส่วนใหญ่ไม่มีองค์ประกอบ 2 อย่างนี้ จึงไม่เกิดพันธะไฮโดรเจน ทำให้มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อยกว่า
                                      


            แรงตึงผิวนี้ยังยึดเหนี่ยวระหว่างผิวน้ำกับขอบภาชนะด้วย สังเกตได้จากผิวน้ำในหลอดดูดจะโค้งเว้าเล็กน้อยไปตามผิวหลอด หากหลอดมีขนาดเล็กลงมากๆ แรงดึงดูดระหว่างขอบกับน้ำจะสามารถดึงน้ำขึ้นไปด้านบนได้เลย
            


           แรงดึงนี้มีชื่อเรียกเฉพาะว่าแรงแคปิลารี (capillary) ซึ่งเป็นแรงที่ดึงให้น้ำไหลผ่านไปตามท่อลำเลียงขนาดจิ๋วของพืชขึ้นไปหล่อเลี้ยง กิ่ง ก้าน ใบ ที่อยู่สูงเป็น 10 เมตรได้

           ไม่มีของเหลวอื่นๆ ในอุณหภูมิห้องที่มีแรงตึงผิวมากขนาดนี้ ยกเว้นปรอท

           น้ำเป็นตัวทำละลายได้สารพัด เราคุ้นเคยกับการใช้น้ำชงกาแฟหรือชากินบ่อยๆ ทั้งนี้เพราะสารเคมีส่วนใหญ่ละลายได้ในน้ำ ละลายได้มากบ้างน้อยบ้างต่างกันไป

          โดยทั่วไปสารที่มีขั้วเช่นเกลือ หรือน้ำตาลจะละลายน้ำได้ดี ส่วนสารไม่มีขั้วอย่างน้ำมันจะละลายได้เพียงเล็กน้อย
แม้แต่หินหรือทรายที่ดูเหมือนไม่ละลายน้ำ แต่หากแช่ไว้นานๆ ก็จะมีแร่ธาตุละลายออกมาทีละเล็กทีละน้อย ด้วยเหตุนี้ในทะเลจึงอุดมไปด้วยแร่ธาตุมหาศาลในสัดส่วนต่างๆ กัน

          การที่น้ำสามารถโอบอุ้มสารเคมีจำนวนมากไว้ได้ทำให้ สารเคมีหลายชนิดมีโอกาสรวมตัวกัน เกิดปฏิกิริยากลายเป็นสารที่มีองค์ประกอบซับซ้อนขึ้นได้

           น้ำ จึงเป็นแหล่งกำเนิดของสิ่งมีชีวิต หากไม่มีน้ำสารที่เป็นองค์ประกอบของโปรตีน ไขมัน ดีเอ็นเอ คงไม่อาจมารวมกัน แล้วก่อกำเนิดสิ่งมีชีวิตขึ้นได้

           อีกทั้งคุณสมบัติทั้งหมดที่กล่าวมายังทำให้น้ำเป็นสารเคมีที่เหมาะสมในการหล่อเลี้ยงชีวิตน้ำ ดูดซับความร้อน และช่วยรักษาสมดุลอุณหภูมิในร่างกาย แรงตึงผิวช่วยลำเลียงน้ำและสารอาหารไปยังยอดไม้ และความสามารถในการละลายทำให้น้ำบรรจุสารอาหารและออกซิเจนไปเลี้ยงส่วนต่างๆ ได้ในคราวเดียว นอกจากนี้ยังทำให้ปฏิกิริยานับพันนับหมื่นในร่างกายสามารถเกิดขึ้นพร้อมๆ กันได้

           นี่จึงเป็นเหตุผลที่เมื่อไปสำรวจดาวต่างๆ นักวิทยาศาสตร์จึงมองหาแหล่งน้ำก่อน เพราะสารเคมีที่สนับสนุนให้เกิดระบบสิ่งมีชีวิตได้นั้นมีน้อยเต็มที

           แม้จะมีความเป็นไปได้ที่สิ่งมีชีวิตต่างดาวอาจมีรูปแบบที่ต่างออกไป แต่การมองหาน้ำก่อนก็ช่วยจำกัดวงในการค้นหาได้มาก
เพราะหากมีน้ำอยู่ ย่อมมีโอกาสสูงทีเดียวที่สิ่งมีชีวิตจะเกิดขึ้น


ที่มา  :  วิชาการดอทคอม