سوال ۱۴۶ کنکور ارشد مهندسی مکانیک ۱۴۰۴

پرسش دنبال علت ریشه‌ای است، نه یک ویژگی

سه گزینه از چهار گزینه — کشش سطحی بالا، مایع‌بودن در دمای اتاق، و ظرفیت گرمایی بالا — همگی پیامد هستند. تنها یکی از آن‌ها علت مولکولی زیربنایی است: قطبیت مولکول آب.

چرا آب قطبی است

آب $\mathrm{H_2O}$ است با هندسهٔ خمیده (زاویهٔ پیوند $\approx 104.5^{\circ}$، ناشی از هیبریداسیون $sp^{3}$ با دو جفت الکترون ناپیوندی روی اکسیژن). الکترونگاتیوی اکسیژن بسیار بیشتر از هیدروژن است:

$$\chi_{\mathrm{O}} \approx 3.44 \quad\text{vs}\quad \chi_{\mathrm{H}} \approx 2.20 \;\Rightarrow\; \Delta\chi \approx 1.24$$

بنابراین هر پیوند $\mathrm{O\!-\!H}$ گشتاور دوقطبی بزرگی دارد. چون مولکول خمیده است (و مانند $\mathrm{CO_2}$ خطی نیست)، دو دوقطبی پیوندی یکدیگر را خنثی نمی‌کنند:

$$\vec{\mu}_{\text{net}} = \sum_i \vec{\mu}_i \neq 0, \qquad \mu_{\mathrm{H_2O}} \approx 1.85\ \mathrm{D}$$

سمت اکسیژن دارای بار جزئی $\delta^{-}$ و سمت هیدروژن‌ها دارای $\delta^{+}$ است. این دوقطبی دائمی سبب می‌شود هر مولکول بتواند تا چهار پیوند هیدروژنی (هر یک حدود $\sim 20\ \mathrm{kJ/mol}$) با همسایگان خود برقرار کند.

همهٔ گزینه‌های دیگر از همین ویژگی ناشی می‌شوند

ویژگی	چگونه قطبیت / پیوند هیدروژنی آن را ایجاد می‌کند
(۱) کشش سطحی بالا ($\sigma \approx 72\ \mathrm{mN/m}$ در $20^{\circ}\mathrm{C}$)	مولکول‌های سطح آزاد بخشی از شرکای پیوند هیدروژنی خود را از دست می‌دهند، پس شبکهٔ چسبندهٔ پیوند هیدروژنی آن‌ها را به داخل می‌کشد — بالاترین $\sigma$ در میان مایعات متداول. دقیقاً به همین دلیل سورفکتانت آلوئولی برای کاهش $\sigma$ در قانون لاپلاس $\Delta P = \tfrac{2\sigma}{r}$ لازم است.
(۲) مایع در دمای اتاق	جرم مولی $\mathrm{H_2O}$ برابر $M \approx 18\ \mathrm{g/mol}$ است؛ هیدریدهای ناقطبی هم‌وزن ($\mathrm{CH_4}$، $\mathrm{H_2S}$) در $25^{\circ}\mathrm{C}$ گاز هستند. چسبندگی اضافی ناشی از پیوند هیدروژنی نقطهٔ جوش را تا $100^{\circ}\mathrm{C}$ بالا می‌برد.
(۳) ظرفیت گرمایی بالا ($c_p \approx 4.18\ \mathrm{kJ/(kg\cdot K)}$)	گرمای داده‌شده ابتدا صرف شکستن پیوندهای هیدروژنی می‌شود نه افزایش انرژی جنبشی انتقالی، پس $\Delta T$ به ازای واحد $Q$ کوچک است — همین آب را به یک بافر حرارتی و خنک‌کنندهٔ عالی تبدیل می‌کند.
(۴) قطبیت	علت — خودِ عدم‌تقارن الکتریکی. هیچ‌یک از موارد فهرست آن را توضیح نمی‌دهد؛ بلکه این ویژگی همهٔ آن‌ها را توضیح می‌دهد.

قطبیت همچنین مستقیماً سایر خواص کلاسیک آب را که در گزینه‌ها نیامده‌اند پدید می‌آورد: نقش آن به‌عنوان حلال جهانی برای یون‌ها و مواد قطبی (ثابت دی‌الکتریک بالا $\varepsilon_r \approx 80$ که جاذبهٔ یونی را با ضریبی حدود $\sim 80$ تضعیف می‌کند)، اثر آب‌گریزی که پروتئین‌ها را تا می‌کند و دولایه‌های لیپیدی می‌سازد، مویینگی، گرمای نهان تبخیر بالا، و چگالی کمتر یخ.

نتیجه‌گیری

تنها ویژگی‌ای که بقیه از آن مشتق می‌شوند قطبیت است ← گزینهٔ ۴، هم‌خوان با کلید رسمی پاسخ.

نکتهٔ کنکوری: وقتی صورت سؤال می‌پرسد کدام مورد «عامل سایر خصوصیات» است، دنبال چشمگیرترین ویژگی نگردید — زنجیرهٔ علّی را بسازید و موردی را که در ریشهٔ آن قرار دارد انتخاب کنید. اینجا زنجیره چنین است: قطبیت ← پیوند هیدروژنی ← (کشش سطحی، $c_p$ بالا، نقطهٔ جوش بالا، قدرت حلالیت)؛ پس قطبیت بالادست همهٔ گزینه‌های دیگر است.