آب
آب یک ترکیب معدنی شفاف، بی‌مزه، بدون بو و تقریباً بی‌رنگ است که به عنوان مادهٔ اصلی تشکیل‌دهندهٔ هیدروسفر زمین و مایعات موجود در همهٔ موجودات زنده شناخته می‌شود و به عنوان حلال عمل می‌کند. با اینکه آب هیچ نوع کالری یا مواد مغذی آلی ندارد، وجودش برای همه اَشکال شناخته شدهٔ حیات الزامی است و در صورت نبود آن، حیات روی کره زمین پایان می‌یابد. فرمول شیمیایی آن H₂O است، به این معنی که هر مولکول آب شامل یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن است که با پیوندهای کووالانسی به هم متصل شده‌اند. دو اتم هیدروژن با زاویه ۱۰۴٫۴۵ درجه به اتم اکسیژن متصل می‌شوند.
نقش اقتصادی آب
آب نقش حیاتی در اقتصاد جهانی دارد. تقریباً ۷۰٪ آب شیرین مصرفی توسط انسان در بخش کشاورزی استفاده می‌شود. ماهی‌گیری در آب‌های شیرین و شور یکی از منابع اصلی درآمد در بسیاری از کشورها است. بیشتر کالاهای مصرفی و اساسی از طریق مسیرهای آبی و توسط کشتی‌ها و قایق‌ها حمل می‌شود. در کاربردهای سرمایش و گرمایش خانگی و صنعتی نیز مقادیر زیادی آب و بخار مصرف می‌شود. آب به دلیل خاصیت حلالی بالای خود، در بسیاری از فرآیندهای صنعتی و خانگی مانند آشپزی و شستشو کاربرد دارد. همچنین، آب، یخ و برف در برخی از ورزش‌ها و فعالیت‌های تفریحی مانند شنا، قایقرانی، اسکی روی یخ و غیره نقش اساسی دارند.
حالات مختلف آب
آب یکی از دو نام رسمی برای ترکیب شیمیایی H₂O است؛ همچنین به فاز مایع آن نیز آب گفته می‌شود. دو حالت متداول دیگر آب، فاز جامد آن که یخ نامیده می‌شود و فاز گازی آن که بخار آب یا بخار گفته می‌شود. افزودن یا حذف گرما می‌تواند باعث تغییر فاز شود: انجماد (آب به یخ)، ذوب (یخ به آب)، تبخیر (آب به بخار)، چگالش (بخار به آب)، تصعید (یخ به بخار) و رسوب (بخار به یخ).
.jpg)
چگالی و خواص ویژه
چگالی آب برخلاف اکثر مایعات با انجماد کاهش می‌یابد. در فشار ۱ اتمسفر و دمای ۳٫۹۸ درجه سلسیوس، آب به بالاترین چگالی خود یعنی ۱۰۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب می‌رسد. چگالی یخ ۹۱۷ کیلوگرم بر متر مکعب است و حجم آن ۹٪ افزایش می‌یابد. این افزایش حجم می‌تواند باعث ایجاد فشارهای زیادی شود که منجر به ترکیدگی لوله‌ها و ترک برداشتن تخته‌سنگ‌ها می‌شود. در دریاچه‌ها یا اقیانوس‌ها، آب در دمای ۴ درجه سلسیوس به پایین رفته و یخ در سطح آن تشکیل می‌شود و روی آب مایع شناور می‌شود. این یخ آب زیرین را عایق‌بندی کرده و از انجماد آن جلوگیری می‌کند. اگر این محافظت وجود نداشت، بیشتر موجودات آبزی در زمستان از بین می‌رفتند.
نقطه سه‌گانه و نقطه بحرانی آب
در نمودار فازی فشار-دما، منحنی‌هایی وجود دارد که فازهای ماده را از یکدیگر جدا می‌کنند: جامد از بخار، بخار از مایع و مایع از جامد. این منحنی‌ها در یک نقطه مشترک به نام نقطه سه‌گانه به هم می‌رسند؛ جایی که هر سه حالت ماده می‌توانند همزمان وجود داشته باشند. نقطه سه‌گانه آب در دمای ۲۷۳٫۱۶ کلوین (۰٫۰۱ درجه سلسیوس) و فشار ۶۱۱٫۶۵۷ پاسکال (۰٫۰۰۶۰۴ اتمسفر) قرار دارد. این فشار کمترین فشاری است که در آن آب می‌تواند به صورت مایع وجود داشته باشد. تا سال ۲۰۱۹، از نقطه سه‌گانه برای تعریف مقیاس دمای کلوین استفاده می‌شد.
رنگ و ظاهر آب
آب خالص به دلیل جذب نور در محدوده طول موج ۶۰۰ تا ۸۰۰ نانومتر، به رنگ آبی دیده می‌شود. این رنگ را به راحتی می‌توان با قرار دادن یک لیوان آب خالص زیر نور آفتاب و در برابر یک دیوار سفید مشاهده کرد. در طبیعت، به دلیل وجود مواد جامد معلق یا جلبک، ممکن است این رنگ به سبز تغییر کند.
مولکول قطبی آب
در یک مولکول آب، اتم‌های هیدروژن با اتم اکسیژن زاویه ۱۰۴٫۵ درجه تشکیل می‌دهند. اتم‌های هیدروژن نزدیک به دو گوشه یک چهاروجهی هستند که مرکز آن اتم اکسیژن است؛ دو گوشه دیگر توسط جفت‌های منفرد الکترون‌های ظرفیتی که در پیوند شرکت نمی‌کنند، اشغال شده‌اند. در یک چهاروجهی کامل، زاویه پیوندها ۱۰۹٫۵ درجه است؛ اما دافعه بین جفت‌های الکترون غیرپیوندی بیشتر از دافعه بین اتم‌های هیدروژن است. طول پیوند O–H در حدود ۰٫۰۹۶ نانومتر است.
برخی از مواد دیگر نیز دارای ساختار مولکولی چهاروجهی هستند؛ برای مثال، متان (CH₄) و سولفید هیدروژن (H₂S). با این حال، اکسیژن به دلیل الکترونگاتیویته بالاتر خود (توانایی نگه داشتن الکترون‌ها) بار منفی را حفظ می‌کند، در حالی که اتم‌های هیدروژن بار مثبت دارند. این امر باعث ایجاد یک ساختار مولکولی منحنی و یک گشتاور دوقطبی الکتریکی می‌شود و آن را به عنوان یک مولکول قطبی دسته‌بندی می‌کند.
آب به عنوان حلال
آب به عنوان یک حلال قطبی خوب، بسیاری از نمک‌ها و مولکول‌های آلی آب‌دوست مانند قندها و الکل‌های ساده، مانند اتانول را حل می‌کند. همچنین، بسیاری از گازها، مانند اکسیژن و دی‌اکسید کربن نیز در آب حل می‌شوند. علاوه بر این، بسیاری از مواد موجودات زنده مانند پروتئین‌ها، DNA و پلی‌ساکاریدها در آب حل می‌شوند. بسیاری از مواد آلی مانند چربی‌ها و روغن‌ها و آلکان‌ها آبگریز هستند؛ یعنی در آب محلول نیستند. همچنین بسیاری از مواد غیر آلی مانند اکثر اکسیدهای فلزات، سولفیدها و سیلیکات‌ها نیز در آب حل نمی‌شوند.
منابع آب در زمین
دیدگاه فضایی به سیاره آبی
نگاه به زمین از فضا، تصویری از یک سیاره آبی رنگ و پوشیده از آب را نشان می‌دهد. حجم کل آب‌های موجود در زمین حدود ۱٬۳۶۰ میلیون کیلومتر مکعب برآورد می‌شود که دائماً در چرخه آب میان منابع مختلف جابه‌جا می‌شوند.
منابع آب طبیعی
منابع اصلی آب در زمین شامل:
- آب‌های زیرزمینی (چاه‌ها، چشمه‌ها و قنات‌ها)
- آب‌های جوی (باران و برف)
- آب‌های سطحی (رودخانه‌ها، دریاچه‌ها، دریاها و اقیانوس‌ها)
بخشی از آب نیز به صورت بخار در اتمسفر و یخ در یخچال‌های طبیعی وجود دارد.
میزان آب ذخیره‌شده
حجم تقریبی آب موجود در منابع مختلف به شرح زیر است:
- اقیانوس‌ها: حدود ۱٬۳۲۰ میلیون کیلومتر مکعب (۹۷٫۲٪)
- یخچال‌های طبیعی: حدود ۲۵ میلیون کیلومتر مکعب (۱٫۷٪)
- سفره‌های زیرزمینی: ۱۳ میلیون کیلومتر مکعب (۰٫۹٪)
- آب‌های شیرین سطحی: ۲۵۰ هزار کیلومتر مکعب (۰٫۰۲٪)
- بخار آب در اتمسفر: حدود ۱۳ هزار کیلومتر مکعب (۰٫۰۰۱٪)
استفاده از آب
آب شیرین: منبعی تجدیدپذیر
آب شیرین از طریق چرخه آب طبیعی به گردش در می‌آید، اما توزیع نابرابر و تقاضای اقتصادی، رشد جمعیت و توسعه صنعتی فشارهایی را بر دسترسی به آب ایجاد کرده‌اند. در حال حاضر، نزدیک به یک میلیارد نفر به آب سالم دسترسی ندارند. سازمان جهانی بهداشت تخمین می‌زند که دسترسی به آب سالم می‌تواند سالانه از مرگ ۱٫۴ میلیون کودک به علت اسهال جلوگیری کند.
بحران دسترسی و تنش آبی
نزدیک به ۵۰ کشور با یک سوم جمعیت جهان از تنش آبی متوسط تا زیاد رنج می‌برند و برخی کشورها بیش از میزان تجدیدپذیر منابع خود آب استخراج می‌کنند. این بحران نه تنها بر آب‌های شیرین سطحی تأثیر می‌گذارد بلکه منابع زیرزمینی را نیز تخریب می‌کند.
مصارف انسانی
کشاورزی و زراعت
بخش کشاورزی اصلی‌ترین مصرف‌کننده آب است که بین ۸۰ تا ۹۰٪ از کل آب مصرفی توسط انسان را شامل می‌شود. در ایالات متحده، ۴۲٪ آب شیرین برای آبیاری استفاده می‌شود. تولید محصولاتی نظیر پنبه که نیازمند آب زیادی هستند، باعث تشدید کمبود آب می‌شود.
آشامیدن
بدن انسان بین ۵۵٪ تا ۷۸٪ از آب تشکیل شده و برای عملکرد صحیح بدن روزانه به یک تا هفت لیتر آب نیاز دارد. مقدار دقیق آن به عواملی چون سطح فعالیت و دما بستگی دارد. کلیه‌های سالم قادر به دفع ۰٫۸ تا ۱ لیتر آب در ساعت هستند.
شستشو
آب به دلیل قابلیت حل‌کنندگی خود در شستشو و بهداشت شخصی نقش اساسی دارد. بیشترین مصرف آب شخصی برای حمام کردن، شستن لباس و ظرف است.
کاربردهای صنعتی
فرآیندهای شیمیایی و صنعتی
بسیاری از فرآیندهای صنعتی به واکنش‌های مواد شیمیایی محلول در آب وابسته هستند. از آب برای حل و استخراج مواد یا شستشوی محصولات استفاده می‌شود. صنایع مختلفی مانند استخراج مواد شیمیایی، کاغذسازی، رنگرزی و خنک‌سازی نیروگاه‌ها نیازمند مقدار زیادی آب هستند.
تولید برق
آب در تولید برق نیز استفاده می‌شود. برق آبی از نیروگاه‌های آبی تولید می‌شود که با هدایت آب از طریق توربین‌ها، ژنراتورها را به حرکت درمی‌آورند.
حمل و نقل
آب برای انتقال مواد از طریق رودخانه‌ها، کانال‌ها و خطوط حمل و نقل بین‌المللی استفاده می‌شود و نقش مهمی در اقتصاد جهانی دارد. حدود ۸۰٪ تجارت بین‌المللی از طریق حمل و نقل دریایی انجام می‌شود.
کاربردهای تفریحی
ورزش‌های آبی و تفریح
فعالیت‌هایی مانند شنا، اسکی روی آب، قایقرانی و غواصی نمونه‌هایی از ورزش‌های آبی هستند. همچنین ورزش‌هایی مانند هاکی روی یخ و اسکیت روی یخ نیز بر روی یخ انجام می‌شوند.
کاربردهای پزشکی و استانداردهای علمی
آب قابل تزریق (WFI) در فهرست داروهای اساسی سازمان بهداشت جهانی قرار دارد و به عنوان استاندارد علمی در فرآیندهای مختلف استفاده می‌شود.
بحران آب
با وجود حجم زیاد آب‌های موجود بر روی زمین، بیش از ۹۷٪ از این آب‌ها در دریاها و اقیانوس‌ها هستند و حدود ۲٪ دیگر به صورت یخ و یخچال‌ها در مناطق قطبی وجود دارند. از یک درصد باقی‌مانده، مقدار زیادی در اعماق زمین است که استخراج آن دشوار و دور از دسترس انسان می‌باشد.
توزیع نابرابر منابع آب
منابع آب شیرین به‌طور یکنواخت در سطح زمین توزیع نشده‌اند. در حال حاضر، ۹ کشور ۶۰٪ کل منابع آب شیرین جهان را دارند که شامل کانادا، چین، کلمبیا، پرو، برزیل، روسیه، ایالات متحده، اندونزی و هند هستند. در مقابل، حدود ۸۰ کشور با کمبود آب مواجه‌اند و برخی از آن‌ها تقریباً هیچ منبع آب شیرین قابل توجهی ندارند، از جمله کویت، بحرین، مالت، امارات متحده عربی، سنگاپور، اردن و لیبی.
افزایش جمعیت و توسعه صنعتی
با افزایش جمعیت و توسعه صنایع، آلودگی منابع آب شیرین نیز افزایش یافته و دسترسی به آب کافی و مناسب در برخی کشورها به بحران جدی تبدیل شده‌است. طبق آمار برنامه عمران سازمان ملل متحد در سال ۲۰۰۶:
- ۱٫۱ میلیارد نفر به آب آشامیدنی دسترسی ندارند.
- ۲٫۶ میلیارد نفر به آب کافی برای بهداشت دسترسی ندارند.
- ۷۰۰ میلیون نفر در ۴۳ کشور با مشکل کمبود آب مواجه‌اند.
- ۱٫۸ میلیون کودک زیر ۵ سال هر ساله به علت مصرف آب ناسالم به اسهال مبتلا شده و می‌میرند.
آب در ادیان
اهمیت آب در مذهب
آب از دیرباز به دلیل حیاتی بودنش در ادیان مختلف مقدس شمرده شده است. آب هم نماد زندگی و هم نماد پالایش و طهارت است و در آیین‌های مذهبی بسیاری از ادیان به عنوان مایع پاک‌کننده استفاده می‌شود.
آب در مزدیسنا
در مزدیسنا، یکی از اولین ادیان جهان، آب جایگاه مهمی دارد. جشن آبانگان در ستایش ایزدبانو آناهیتا، ایزد آب‌های روان، برگزار می‌شد. آناهیتا هدایت و نگهبانی تمام آب‌های جهان را بر عهده دارد.
آب در شینتو
آب در میان پیروان دین شینتو در ژاپن از اهمیت بالایی برخوردار است. تسوکوبای و تمیزویا دو مکان مقدس برای شستشوی دست و دهان بازدیدکنندگان هستند که به عنوان آیین طهارت رسمی انجام می‌شود.
آب در یهودیت
در یهودیت، آب تقدس خاصی دارد. نمونه‌هایی از اهمیت آب شامل نجات موسی در رودخانه و میقوه، حمامی برای غسل کردن است. در تلمود نیز الزام شستن دست‌ها با آب پاک آمده‌است.
آب در مسیحیت
در مسیحیت، آب نماد پاکی و حیات است. غسل تعمید با آب نشان‌دهنده پاک کردن نفس از ناپاکی‌هاست. تبدیل آب به شراب در ازدواج در قانا، اولین معجزه عیسی در انجیل یوحنا است. همچنین در آیاتی از انجیل آمده که عیسی به شاگردانش آموزش می‌داد تا پای یکدیگر را بشویند.
آب در اسلام
در اسلام، آب مایعی پاک و پاک‌کننده است و برای وضو و غسل استفاده می‌شود. استفاده بهینه از آب و جلوگیری از اسراف آن وظیفه هر مسلمان است.
آب در ادیان دیگر
در اسطوره‌های ایزدان مصری، آمده که پیکر مرده ایزیس در آب‌های نیل شناور بود و به زندگی بازگشت زیرا در این آب‌ها غسل داده شد. همچنین در اساطیر قبایل مائوری نیوزیلند و جزایر پلی‌نزی مرکزی، آب به عنوان مایع زندگی و تندرستی شناخته می‌شود.