คุณสมบัติของน้ำ
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
![](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_ta37CO0-ezn06TYFswBgERdW4W8AWmvJ6v6ivZzJ1qy1PrVprH_H-C4eYm7IuxMPTXwlns5gxGrpRK8Tgwssk1nr62XL2MfnXzAex6P1_8Qj8=s0-d)
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
![](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_v5oYRzsk_RamlI3dlWOS5auP2Tc8D5HSG2wd-Y6HIjfkgNQ8a7zsNeirHVIJQri5k_0Xmkq3sEkW1lrSDBJu_gfOLUA51fdDE8yrifHH7HyYGm=s0-d)
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)
![](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_uoM7gfmEXNJjzb1atotxwrAMHuCF58eWC5H2P82pvbj02jyZVsw0B2zLqB-jJ8nLDxrbLJ2d3WJzo9iDCsdPaG40AvcRTSiFT8AdxVbmWxFnvB=s0-d)
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
![](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_tgY48zT3oSMhz6S5W3stTLz-_o9oQimPJw8DFVwEKEyKQmkCDYE1-6IZAUA0rPQQnCJdqSqL2PPxZUAIauZAtAdmUwA1c7_yTBNxKU3CYFmmU=s0-d)
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
![](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_tDlxBPihDWwr32hg1ekt_cDCRkRrcPhJDcMc9K7_B5yDbWt8Rh__A_WHk9yEP2pFxNW9KyjCLBTihO9LFSWH0daIjDqLXrEYo6OpRjDJ2hUEdg=s0-d)
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)
![](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_sB3vLOIRuQd2LRF1_VA5z_feRZoUklr8gx1V7F44qvEuJbjtOam0FqfMKXwp9rKXM1sPI9on7Iu1O5CGyuUfW2vdIF_8zWosIeNOF3QQXepe_9=s0-d)
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
![](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_tNZ-wGUFwPewqCvVdjZzyOQ5lhE3xfSsJYuvljMylY-FmFtqDao_TM4zgr4UM4G6vwY9w4c0rDm_61hSRPFCkKg0O2b6-U47JQnThM_1EDfw_T=s0-d)
ภาพที่ 6 pH ของสารประกอบชนิดต่างๆ
ขอขอบคุณโครงการการเรียนรู้ในเรื่องวิทยาศาสตร์โลกและดาราศาสตร์
ภายใต้ความร่วมมือระหว่าง LESA โครงการวิจัยโดยหอดูดาวเกิดแก้ว , สำนักงานกองทุนกองทุนสนับสนุนการวิจัย(สกว.),
จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย และวิชาการดอทคอมhttp://203.114.105.84/virtual/lesa/index1.htm