چرخه ي اب

 

اگرچه کره زمین ، دنیایی است که سه چهارم سطح آن را آب پوشانده و حجم آب آن به 3/1 میلیارد کیلومتر مکعب می رسد ، ولی باید دانست که از کل آب موجود در جهان ، تنها بخش بسیار کم آن ، یعنی حدود 33 میلیون کیلومتر مکعب شیرین بوده و برای موجودات خشکزی قابل استفاده است. بخش اعظم این مقدار آب شیرین ، به صورت کلاه های یخی در عرض بالای جغرافیایی وجود دارد که با تکنولوژی امروزی بهره برداری از آن ، اگر غیرممکن نباشد ، با هزینه زیادی همراه خواهد بود. آنچه که باقی    می ماند ، حدود 4 میلیون کیلومتر مکعب (معادل 3/0 % کل آب موجود در جهان) آب است که قابل بهره برداری و مصرف می باشد. به بیان دیگر جمعیت 6 میلیارد نفری کنونی کره زمین ، بیش از 6 میلیون کیلومتر مکعب آب در اختیار ندارد. اگرچه برخی از کشورهای جهان در زمینه فنون مربوط به شیرین کردن آبهای شور و یا تصفیه و استفاده دوباره از آبهای آلوده ، موفقیت های زیادی داشته اند ، با این وجود این قبیل اقدامات ، هم بسیار پرهزینه اند و هم اثرات تخریبی زیست محیطی زیادی را در پی دارند. با این حساب روشن است که فراوانی آب در جهان تصوری است باطل.

 

 

 

 

 

 

 

ساختمان ملکولی آب

 

آب با تمام اهمیت و نقشی که در طبیعت و زندگی موجودات زنده و انسان دارد ، تنها از دو عنصر هیدروژن و یک عنصر اکسیژن (H2o) ساخته شده و فرمول شیمیایی آن بسیار ساده است. طرز قرارگیری و ارتباط بین دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن به گونه ای است که اگر خط راستی از مرکز اتم های هیدروژن به اتم اکسیژن بکشیم ، زاویه بین این دو خط 1050 می باشد. بدین ترتیب اتم های هیدروژن در یک طرف اتم اکسیژن نسبت به طرف دیگر آن به یکدیگر نزدیکترند ، از سوی دیگر نیروی کششی که از هسته اتم اکسیژن به هسته اتم هیدروژن ها وارد می آید ، به دلیل بزرگی و سنگینی هسته اکسیژن ، به مراتب بیشتر از نیرویی است که از هسته اتم های هیدروژن بر اتم اکسیژن وارد می شود. در اثر این کشش مداوم هسته اکسیژن ، مدار مشترک بین اکسیژن و هیدروژن ها به یکدیگر نزدیکتر شده و لذا در قطبی از مولکولهای آب که هیدروژن ها به یکدیگر نزدیکترند ، قطب مثبت و طرف دیگر آن قطب منفی خواهد بود (شکل 1-1) در نتیجه آب به صورت مولکول دوقطبی در می آید. اجسامی که دارای مولکول دوقطبی هستند در طبیعت در فعل و انفعالات شیمیایی با قدرت بیشتری عمل می کنند.

 

گرما و درجه حرارت

 

اتمها و مولکولهای هر ماده ، گاز ، مایع و جامد ، همواره در حال حرکت می باشند. بدین ترتیب هر اتم یا مولکول ، دارای مقدار معینی از انرژی جنبشی بوده که برابر است با نصف حاصلضرب جرم جسم (m) در مجذور سرعت (v) آن (Ek = 2 m v2  انرژی جنبشی). حتی اجسام جامد که اتم ها و مولکولهای آنها کاملا متراکم بوده و در محلهای خود مستقر هستند و مانند گازها و سیالات نمی توانند از نقطه ای به نقطه دیگر ، جابجا شوند ، نیز دارای انرژی جنبشی اند. این انرژی جنبشی در جسم آنها ایجاد حرارت و گرما        مینماید

 

 

 

 

 

 

 

 

گرما ، سنجشی برای کل انرژی جنبشی اتمها و مولکولهای هر جسم می باشد. مجموع گرما در مقیاس کالری اندازه گیری می شود. یک کالری مقداری از گرماست که برای بالا بردن حرارت 1 گرم از آب به اندازه 1 درجه سانتیگراد ، یعنی 5/14 به 5/15 درجه سانتیگراد ، مصرف می شود.

 

درجه حرارت ، شاخصی برای سنجش متوسط انرژی جنبشی اتمها و مولکولهای جسم     می باشد. درجه حرارت را بر حسب کلوین ، فارنهایت و سانتی گراد(سلزیوس) ، نشان     می دهند. هرقدر یک ماده سردتر باشد ، بدیهی است که حرکت مولکولها و اتمهای آن کندتر می باشد. بالعکس ، هرقدر جسم گرمتر باشد ، به معنی حرکت بیشتر مولکولها و اتمهای جسم است.

 

فرق بین گرما و درجه حرارت را می توان با یک مثال ساده تا حدودی روشن ساخت. آب موجود در یک ظرف کوچک که در حال جوشیدن است را با آب یک استخر در حیاط منزل مقایسه کنید. مولکولها و اتمهای آب در ظرف در حال جوش ، دارای انرژی جنبشی خیلی زیادتری از مولکولها و اتمهای آب استخر می باشد. ولی کل انرژی جنبشی موجود در آب استخر به مراتب بیشتر از آب ظرف است.

 

 

 

 

 

تغيير حالت آب

 

آب در طبیعت به سه شکل جامد ، مایع و بخار ظاهر می شود. هنگامی که به شکل جامد است ، به صورت یخ در می آید و وقتی به شکل بخار است گازی شکل است. یخ خالص در صفر درجه سانتیگراد ذوب می شود و آب خالص در 100 درجه سانتیگراد ، در فشار هوای استاندارد (76 سانتیمتر جیوه) به جوش می آید. وقتی درجه حرارت هوا آنقدر کم می شود که به زیر نقطه شبنم می رسد ، بخار آب متراکم گشته و به مایع تبدیل می شود ؛ و هنگامی که آب مایع ، گرما از دست می دهد ، درجه حرارت به نقطه انجماد می رسد و یخ تشکیل می گردد (شکل 2-1).

 

برای تغییر آب خالص از حالت جامد (یخ) به مایع در صفر درجه سانتیگراد ، برای هر گرم یخ به 80 کالری گرما نیاز است. در این حالت ، درجه حرارت محیط تغییر نمی کند بلکه تغییری در حالت فیزیکی آب برای شکستن پیوند هیدروژنی ، به وجود می آید. برای برگشت این فرآیند ، یعنی از حالت مایع به یخ ، نیز نیاز به جابجایی 80 کالری گرما         می باشد. این گرفتن یا از دست دادن گرما در طبیعت به زمان نیاز دارد. یک دریاچه به سرعت یخ نمی زند ، حتی اگر درجه حرارت سطح آب آن به صفر درجه سانتیگرادبرسد. همچنین یخ ، به سرعت در مراحل اولیه افزایش گرما ، فورا ذوب نمی شود.

 

برای تغییر حالت از مایع به بخار ، به 540 کالری گرما نیاز است ، تا 1 گرم آب را به بخار در 100 درجه سانتیگراد تبدیل نماید. گرمای مورد نیاز برای تغییر حالت از مایع به بخار ، گرمای نهان تبخیر1 نامیده می شود. آب می تواند همچنان در حالت مایع در حالت .c100 باقی بماند ، وقتی که فشار ، بیشتر از یک اتمسفر می شود. تحت شرایط معینی این امکان وجود دارد که آب در زیر صفر درجه نیز همچنان مایع باقی بماند و یا یخ مستقیما به بخار و یا آب در زیر 100 درجه به جوش آید که آن را حالت تصعید شدن آب می گویند.

 

ظرفيت گرمايش يا گرمای ويژه آب

 

گرمای ویژه مواد ، کمینی از گرماست که جسم نیاز دارد تا به اندازه یک واحد درجه حرارت ، در یک واحد مواد ، تغییر ایجاد کند. ظرفیت گرمایی آب ، 1 کالری به ازای هر گرم در درجه سانتیگراد است (cal/g/.c). این ارقام به مراتب بیشتر از اغلب سیالهاست ، این به دلیل پیوند هیدروژنی گسترده آب است. انرژیی که لازم است پیوند هیدروژنی بین مولکولهای آب را بشکند ، در سیالهای دیگر مستقیما توسعه یافته و سبب حرکت مولکولی و تغییر درجه حرارت می شود. تنها در آمونیاک ، ظرفیت گرمایی ویژه ، از آب بیشتر بوده و رقم 13/1 را نشان می دهد.

 

کشش سطحی

 

نیروی چسب مولکولی به کشش سطحی وابسته بوده و سنجشی بر این است که با چه دشواری سطح یک سیال کشیده یا شکسته می شود. در سطح بین هوا و آب ، مولکولهای آب با یکدیگر ردیف می شوند و پیوند هیدروژنی وسیعی بین مولکولهای سطحی با مولکولهای زیر خود برقرار می سازند. این نظم مولکولهای آب ، یک قشر نازک و ارتجاعی در سطح آب بوجود می آورد که در حین پرکردن دقیق یک لیوان متجلی        می گردد. به این صورت که لبه برآمده در لیوان بوجود می آورد ولی آب آن نمی ریزد؛ و یا دیده می شود که حشرات با پاهای بلند خود ، روی آب راه می روند. این وضعیت به این دلیل ممکن می شود که یک کشش سطحی  زیادی  در  آب  وجود  دارد.  با  افزایش

 

 

 

1- Latent heat of evaporation

 

میزان نمک آب ، کشش سطحی افزایش می یابد. همچنین کاهش دمای آب ، سبب افزایش کشش سطحی می شود و بالعکس.

 

چگالی يا وزن مخصوص آب

 

به طور کلی ، چگالی بعنوان جرم بر واحد حجم تعریف می شود ، و چگالی آب معمولا بر حسب گرم به ازای سانتیمتر مکعب (g/cm3) بیان می گردد. چگالی آب در 4 درجه سانتیگراد ، یک گرم بر سانتیمتر مکعب است. به همین دلیل یک مکعب از آب خالص با یک سانتیمتر طول ، یک سانتیمتر عرض و یک سانتیمتر ارتفاع ، دارای یک گرم وزن یا یک گرم بر سانتیمتر مکعب چگالی است. وزن مخصوص آب دریا به دلیل شوری آن ، بیشتر بوده و در 4 درجه سانتیگراد به 0278/1 گرم بر سانتیمتر مکعب می رسد.

 

خاصيت انتقال دهندگی انرژِی

 

آبهای شیرین ، یا شور انتقال دهنده انرژی می باشند. انرژی ممکن است به صورت گرما ، نور ، یا صوت باشد. وقتی یک نقطه از آب گرم می شود ، آن را به نقطه دیگر منتقل     می سازد. نور تا عمق نسبتا زیادی (200 متری) در آب نفوذ می کند و مورد استفاده موجودات زنده واقع می شود. امواج صوتی نیز در آب نفوذ نموده و در آن به حرکت در می آیند. با استفاده از انعکاس امواج صوتی است که می توان پستی و بلندی زیر آب اقیانوسها را مطالعه کرد.

 

خواص شيميايی آب

 

اسيدی يا بازی بودن آب (pH)

 

pH آب نشان دهنده توانایی یا غلظت یون1 هیدروژن (H+) در آب است. هر مولکول آب به دو یون H+  و هیدروکسیل OH- ، یونیزه می شود (H2O <=> OH- + H+) . حاصلضرب آنها مقداری است ثابت [H+] × [OH-] = K. در آب خنثی یا بدون املاح ، تعداد یونهای هیدروژن و هیدروکسیل برابر بوده و pH  آن رقم 7- 10 را نشان می دهد. این رقم به معنی این است که در هر لیتر آب به اندازه  7- 10 گرم یون هیدروژن وجود

 

1- به اتمهای دارای بار الکتریکی یون می گویند

 

دارد. حال چنانچه بر مقدار املاح آب افزوده شود ، بسته به نوع نمک ، مقدار H+ افزایش

 

یافته و یا کم می شود. این کم و زیاد شدن pH ، واکنش شیمیایی آب را تضعیف یا تشدید می کند. به طوری که بعضی از فعل و انفعالات شیمیایی تنها در محیطهای مشخصی از pH  صورت می گیرند. به همین دلیل سنجش pH  روشن کننده محیطی است که در آن واکنش شیمیایی انجام می شود.

 

قدرت حل کنندگی آب

 

مولکولهای دوقطبی آب ، عامل اصلی قدرت حل کنندگی آن بوده و آب را قادر به حل کردن انواع مختلف کانیها و مواد می نماید. در یک لیوان آب ، مولکولهای دوقطبی به صورت خوشه ای به دنبال هم؛و تا حدودی مرتبط به هم قرار می گیرند. حال اگر قطعه ای نمک طعام در لیوان قرار گیرد ، مولکولهای آب در برابر کاتیونها1 (Na+)  و آنیونهای2  (CI-)  نمک طعام به گونه ای قرار می گیرند که قطب منفی هر مولکول آب به طرف یون مثبت یا سدیم و قطب مثبت هر مولکول به طرف یون منفی یا کلر هدایت می شود و آنها را به طرف خود می کشند. از آنجائی که نیروی کششی آنها بیشتر از نیروی اتصال بین آنیونها و کاتیونهای بلور نمک طعام است ، در نتیجه ارتباط بین آنیونها و کاتیونهای بلور نمک طعام گسیخته شده و نمک در آب حل می شود.

 

 

 

 

 

 

1-     به یون های دارای بار مثبت کاتیون گویند

 

2-     به یون های دارای بار منفی آنیون گویند

 

هدايت الکتريکی1 و باقيمانده خشک

 

آب مقطر ، جریان الکتریسیته را به مقدار بسیار اندک هدایت می کند. ولی آب معمولی که در آن انواع مختلف نمک وجود دارد ، بخوبی جریان الکتریسیته را هدایت می نماید. زیادی یا کمی جریان ، به زیادی و کمی نمک محلول بستگی دارد. قدرت هدایت الکتریسیته آب را EC  آب می نامند. وقتی که آب از درون خاک یا سازند زمین شناسی عبور می کند ، مقداری از نمکهای قابل حل آن را در خود حل کرده و از محل دور        می سازد. مقدار مواد حل شده در یک نمونه آب را می توان با تبخیر کردن آن به دست آورد و تحت عنوان کل مواد محلول یا باقیمانده خشک بر حسب میلی گرم در لیتر ارائه داد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1- Conductivity

 

اثر آب بر فلزات

 

به گونه ای که قبلا آمده ، آب یونیزه می شود و با فلزات ترکیب شده و ایجاد باز می کند. در اثر این ترکیب گاز هیدروژن آزاد می گردد.

 

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2 ↑

 

 

 

اثر آب بر شبه فلزات

 

آب بر شبه فلزات نیز ، همانند فلزات اثر کرده ، اسید و گاز تولید می کند.

 

CI2 + H2O ↔ CIOH ↔ 2CIH + ½ O2

 

 

 

اثر آب بر نمکها

 

آب بر نمکها اثر کرده و موجب حل شدن آنها می شود. رابطه شیمیایی آن در مورد حل شدن سنگ آهک در آب ، به صورت زیر است :

 

CaCO3 + H2CO3 ↔ Ca(CO3H)2

 

 

 

 

 

چرخه آب در طبيعت

 

آب در کره زمین ، همواره در حال چرخش به سر می برد که در آن ، مسیرها و مراحل گوناگون وپیچیده ای را طی می کند و به حالت اول برمی گردد. به این گردش چرخه ای آب ، یعنی تبدیل از حالتی به حالت دیگر و برگشت از نقطه ای به نقطه دیگر ، اصطلاحا سیکل هیدرولوژی یا چرخه آب در طبیعت گفته می شود.

 

 

 

 

در این شکل پیداست که در اثر تابش انرژی حرارتی خورشید ، مقداری آب از سطوح : دریاها ، دریاچه ها ، رودخانه ها و خاک ، به صورت تبخیر (E)،وبخشی نیز از روزنه های برگ درختان و گیاهان ، به شکل تعرّق ، به سوی جو بر می گردد. بخار آب در جو به شکل ابر درآمده و آب موجود در ابرها نیز طی فرآیند پیچیده ای ، سرانجام به صورت قطره های باران و برف (P) مجددا به زمین بر می گردد. مقداری از باران در حین ریزش و بخشی دیگر پس از فرودآمدن به سطح زمین ، طی پدیده تبخیر ، و کمی هم از سطح برگ و ساقه درختان ، بدون اینکه به سطح زمین برسد ، طی یک پدیده مجددا به جو      بر می گردد.

 

بخشی از نزولات جوی پس از فرود در زمین نفوذ می کند (I) و قسمتی از آن نیز ، در سطح زمین و در جهت شیب به حرکت درآمده و جریان سطحی (R) نام می گیرد. باید دانست که همه مراحل چرخه آب به یکدیگر پیوسته بوده و مکمّل یکدیگر می باشند. شکل ریاضی سیکل هیدرولوژی را می توان به صورت رابطه زیر نشان داد.

 

P = E + R + I

 

در مورد چرخه آب در طبیعت ، ذکر دو نکته ضروری است : یکی این که عامل اصلی چرخه آب در طبیعت ، ناشی از موقعیت زمین در منظومه شمسی است. زیرا اگر زمین در فاصله 150 میلیون کیلومتری خورشید قرار نمی داشت ، آب هرگز به شکل های کنونی آن یعنی گاز ، مایع و جامد ، پدیدار نمی شد. برآورد شده که اگر زمین نزدیکتر از 134 میلیون کیلومتری خورشید قرار می داشت ، همه آب موجود در آن ، به بخار تبدیل       می شد.برعکس اگرزمین در فاصله بیش از 166 میلیون کیلومتری خورشید قرار می داشت عصر یخ هرگز پایان نمی یافت. بدین ترتیب روشن است که قرار گرفتن زمین در فاصله مشخصی از مرکز حرارتی و درخشان منظومه شمسی ، یعنی خورشید ، سبب ایجاد چرخه آب در طبیعت می شود.

 

 

 

 

 

توزيع آب در جهان

 

آب در کره زمین به طور یکنواخت توزیع نشده است ، زیرا زمین یک سیاره کاملا هموار نیست ، در غیر اینصورت ، به زیر قشری حدود 3 کیلومتر آب ، فرو می رفت. وجود پستیها و بلندیها در نقاط مختلف زمین ، سبب شده است که آب در مناطق فرورفته آن تجمع یافته و به صورت گسترده ؛ دریاچه ها ، دریاها و اقیانوسها را بوجود آورد. ضمنا در بعضی از مناطق که دارای آب و هوایی مرطوب می باشد ، مقدار آب ، چه سطحی و چه زیرزمینی ، بیشتر از مناطق خشک است.

 

در جدول زیر مقادیر تخمین آب در موجود در جهان آمده است. از جدول پیداست که نزدیک به 97% کل آبهای موجود در جهان ، به صورت آب شور در دریاها و اقیانوسها متمرکز است. مجموع آب شیرین رقم 5/2 % را نشان می دهد و بخش اعظم آبهای شیرین، یعنی 7/1 درصد آن به صورت یخهای قطبی یافت می شود که استفاده از آن ، ممکن و توجیه پذیر نیست. بدین ترتیب ، کل آب شیرین قابل دسترس برای بشر حداکثر حدود 7/0 الی 8/0 درصد می باشد و این نگران کننده است که کل جمعیت جهان باید با این مقدار آب شیرین کم کنار آید. نگرانی هنگامی بیشتر می شود که جمعیت جهان هرساله روبه فزونی می رود و نیاز آبی آن افزایش می یابد ، ولی از سوی دیگر حجم آب شیرین در جهان ثابت باقی می ماند. اگر هم با کمک فناوری پیشرفته بتوان آب شور دریاها و اقیانوسها را شیرین کرد ، علاوه بر مشکلات زیست محیطی عدیده ای که بوجود خواهد آمد ، هزینه بسیار زیادی نیز صرف این کار خواهد شد. زیرا شیرین کردن هر متر مکعب آب حدود یک دلار هزینه در بر خواهد داشت.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

برآورد مقادير آب در کره زمين

بخشهای آب کره   

وسعت میلیون کیلومتر مربع

حجم کیلومتر مکعب           

درصد نسبت به حجم کل آب کره       

درصد نسبت به آب شیرین

 

اقیانوسها

3/361  

1338000000   

5/96    

 

 

آب زیرزمینی      

شیرین   

8/134  

10530000       

76/0    

1/30

 

 

 

 

منبع:     www.ake.blogfa.com     منبع:     www.ake.blogfa.com     منبع:     www.ake.blogfa.com    

چرخه ي اب