2.1 โมเลกุลของน้ำ

น้ำเป็นสารประกอบที่มีสูตรโมเลกุลเป็น H, O ประกอบด้วยธาตุไฮโดรเจน 2 อะตอมและออกซิเจน 1 อะตอมยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะเคมี (chemical bond) โดยพันธะเคมีระหว่างอะตอมไฮโดรเจนกับอะตอมออกซิเจนเป็นพันธะโคเวเลนต์และน้ำจัดเป็นสารโคเวเลนต์

สารโคเวเลนต์อาจเป็นธาตุหรือสารประกอบส่วนใหญ่เกิดจากการรวมตัวกันของธาตุอโลหะโดยอะตอมจะยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะที่เรียกว่าพันธะโคเวเลนต์ (covalent bond) ซึ่งเป็นพันธะที่เกิดจากการใช้เวเลนซ์อิเล็กตรอนร่วมกันและคู่อะตอมที่ใช้เวเลนซ์อิเล็กตรอนร่วมกันเรียกว่าอะตอมคู่ร่วมพันธะจำนวนและชนิดของธาตุองค์ประกอบภายในโมเลกุลของสารโคเวเลนต์แสดงได้ด้วยสูตรโมเลกุล (molecular formula) นอกจากน้ำแล้วในธรรมชาติยังมีสารโคเวเลนต์ชนิดอื่น

สูตรโมเลกุลบอกชนิดและจำนวนอะตอมของธาตุที่เป็นองค์ประกอบใน 1 โมเลกุล แต่สูตรโมเลกุลไม่ได้แสดงว่าอะตอมคู่ใดยึดเหนี่ยวกันซึ่งการยึดเหนี่ยวกันของคู่อะตอมมีความสำคัญต่อสมบัติทางกายภาพและเคมีของสาร

2.1.1 สารโคเวเลนต์

     การแสดงการยึดเหนี่ยวกันของอะตอมภายในโมเลกุลสารโคเวเลนต์ทำได้โดยใช้สูตรโครงสร้าง (structural formula) ซึ่งแสดงคู่อิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันในการเกิดพันธะโคเวเลนต์ด้วยเส้นพันธะโดยพันธะที่เกิดจากการใช้เวเลนซ์อิเล็กตรอนร่วมกัน 1 คู่เรียกว่าพันธะเดี่ยวซึ่งเขียนแทนด้วยเส้น 1 เส้นและพันธะที่เกิดจากการใช้เวเลนซ์อิเล็กตรอนร่วมกัน 2 และ 3 คู่เรียกว่าพันธะคู่และพันธะสามซึ่งเขียนแทนด้วยเส้น 2 และ 3 เส้นตามลำดับ

โมเลกุลของสารโคเวเลนต์อาจประกอบด้วยหลายพันธะและอาจมีพันธะโคเวเลนต์ที่เป็นพันธะเดี่ยวพันธะคู่หรือพันธะสามมากกว่า 1 ชนิด

2.1.2 การเปลี่ยนสถานะของน้ำแล้วความมีขั้ว

ที่อุณหภูมิห้องและความดัน 1 บรรยากาศน้ำมีสถานะเป็นของเหลวมีจุดเยือกแข็งหรือจุดหลอมเหลวที่ 0 องศาเซลเซียสและจุดเดือดที่ 100 องศาเซลเซียสเมื่อน้ำได้รับพลังงานจากสิ่งแวดล้อมหรือจากการให้ความร้อนโดยตรงโมเลกุลของน้ำในสถานะของเหลวซึ่งอยู่ชิดกันจะเคลื่อนที่ห่างกันมากขึ้นและอาจเปลี่ยนสถานะเป็นแก๊สโดยความร้อนที่ใช้ในการเปลี่ยนสถานะของน้ำให้เป็นไอน้ำต้องมีค่ามากพอที่จะทำลายแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของน้ำ

สารโคเวเลนต์แต่ละชนิดมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่างกัน เมื่อต้องการเปลี่ยนสถานะของสารเหล่านั้นจึงใช้พลังงานความร้อนไม่เท่ากันแสดงว่าแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของสารโคเวเลนต์แต่ละชนิดไม่เท่ากัน

สารโคเวเลนต์ที่มีจุดเดือดแตกต่างกันเกิดจากความแตกต่างของแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลซึ่งเป็นผลมาจากสภาพขั้วของโมเลกุลที่เกิดจากพันธะโคเวเลนต์ระหว่างอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันหรืออะตอมของธาตุต่างชนิดกันเช่นโมเลกุลของน้ำมีพันธะโคเวเลนต์ที่เชื่อมต่อระหว่างอะตอมต่างชนิดกันและน้ำจัดเป็นสารมีขั้วทำให้มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลมากจึงมีจุดเดือดสูงเมื่อเปรียบเทียบกับโมเลกุลของแก๊สออกซิเจนซึ่งมีพันธะโคเวเลนต์ที่เชื่อมต่อระหว่างอะตอมของธาตุเพียงชนิดเดียวและออกซิเจนจัดเป็นสารไม่มีขั้วทำให้มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลน้อยกว่าน้ำแก๊สออกซิเจนจึงมีจุดเดือดต่ำกว่าน้ำสารโคเวเลนต์ที่โมเลกุลประกอบด้วย 2 อะตอมหากเป็นธาตุชนิดเดียวกันจัดเป็นสารไม่มีขั้ว (non-polar substance) เช่นแก๊สไฮโดรเจน (Hy) แก๊สไนโตรเจน (N2) หากเป็นธาตุต่างชนิดกันจัดเป็นสารมีขั้ว (polar substance) เช่นไนโตรเจนมอนอกไซด์ (NO) ไฮโดรเจนคลอไรด์ (HCI) ส่วนสารโคเวเลนต์ที่ประกอบด้วยอะตอมมากกว่า 2 อะตอมอาจเป็นสารมีขั้วหรือไม่มีขั้วก็ได้ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับรูปร่างโมเลกุลของสารแต่ละชนิดเช่นน้ำ (HO) แก๊สไข่เน่าหรือแก๊สไฮโดรเจนซัลไฟด์ (HS) แอมโมเนีย (NH) เป็นสารมีขั้วส่วนคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) มีเทน (CH.) เป็นสารไม่มีขั้วนอกจากสภาพขั้วของโมเลกุลที่ส่งผลต่อแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลแล้วมวลและรูปร่างของโมเลกุลยังส่งผลต่อแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลอีกด้วยถ้าสารมีมวลและรูปร่างของโมเลกุลใกล้เคียงกันจุดเดือดจะขึ้นอยู่กับสภาพขั้วของโมเลกุลที่อุณหภูมิห้องน้ำ (HO) มีสถานะเป็นของเหลวส่วนไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) เป็นแก๊สแสดงว่าน้ำมีจุดเดือดสูงกว่าไฮโดรเจนซัลไฟด์ทั้งที่สารทั้งสองชนิดเป็นสารมีขั้วและมีองค์ประกอบแตกต่างกันเพียงอะตอมเดียวปรากฏการณ์นี้เป็นผลมาจากพันธะไฮโดรเจน (hydrogen bond)

    พันธะไฮโดรเจนเป็นแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลของสารมีขั้วที่ภายในโมเลกุลมีพันธะ N-H หรือ F-H ทำให้สารมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดสูงกว่าสารมีขั้วทั่วไปที่มีขนาดโมเลกุลไกเคียงกันนอกจากนี้พันธะไฮโดรเจนในผลึกน้ำแข็งยังทำให้โมเลกุลของน้ำจัดเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบโดยมีช่องว่างระหว่างโมเลกุลมากกว่าช่องว่างระหว่างโมเลกุลของน้ำที่อยู่ในสถานะของเหลวทำให้น้ำแข็งมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำน้ำแข็งจึงลอยน้ำเนื่องจากน้ำมีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลเป็นพันธะไฮโดรเจนที่แข็งแรงจึงทำให้ต้องใช้ความร้อนมากในการทำให้อุณหภูมิของน้ำสูงขึ้นหรือทำให้กลายเป็นไอดังนั้นน้ำจึงช่วยรักษาอุณหภูมิของพื้นผิวโลกไม่ให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วซึ่งเอื้อต่อการดำรงชีวิตของสิ่งมีชีวิตบนโลกและช่วยรักษาอุณหภูมิของร่างกายโดยการระเหยของเหงื่อขณะออกกำลังกายหรือทำงานกลางแจ้ง