น้ำ สสารที่ก่อกำเนิดชีวิต

เพิ่มเพื่อน

         

 

 

         คนส่วนใหญ่คิดว่า น้ำ (H2O) เป็นสสารที่ไม่น่าสนใจ  เป็นแค่ของเหลวใส  ไร้กลิ่น  ไร้รส  มีอยู่ทั่วไป     น้ำ เป็นสารประกอบที่ธรรมดาที่สุด  ประกอบไปด้วยธาตุ 2 ชนิดที่พบได้บ่อยที่สุดในจักวาล   นั่นคือ น้ำ ประกอบด้วย "ไฮโดรเจน 2 อะตอม จับกับออกซิเจน 1 อะตอม            และมีสสารอยู่เพียงไม่กี่โมเลกุลที่เล็กกว่า หรือเบากว่าน้ำ

         ถึงแม้ว่าเราจะดื่มน้ำ, อาบน้ำ, ว่ายน้ำ และใช้น้ำทำอาหาร  แต่เราก็มักจะมองข้ามความสำคัญของน้ำต่อชีวิตเรา      ความแห้งแล้ง ทำให้เกิดทุพภิกขภัย  แต่หากเกิดน้ำท่วม จะทำให้เกิดโรคและผู้คนล้มตายได้      ร่างกายมนุษย์ประกอบด้วยน้ำกว่า 50%   หากปราศจากน้ำ เราจะตายภายใน 2-3 วัน      น้ำ ทำหน้าที่เป็นทั้งตัวทำละลาย (solvent), ตัวละลาย (solute), ตัวทำปฏิกิริยา (reactant), ตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst), และสารชีวโมเลกุล (biomolecule), ทำหน้าที่เป็นโครงสร้างของโปรตีน, กรดนิวคลีอิก และเซลล์ และควบคุมสติของเรา       H2O เป็นโมเลกุลที่พบได้เป็นอันดับสองในจักรวาล (รองจากไฮโดรเจน -H2)      ร่างกายเรามีโมเลกุลของน้ำมากกว่าโมเลกุลอื่นๆรวมกันหลายร้อยเท่า    ในดีเอ็นเอ 1 โมเลกุล  จะมีน้ำหลายพันล้านโมเลกุล      Image result for water and dna          ชีวิต จะไม่สามารถมีวิวัฒนาการได้หากปราศจากน้ำ  ดังนั้น จึงเป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์มีความตื่นเต้นมากเมื่อมีการพบน้ำบนดาวอังคาร และดาวดวงอื่นๆ รวมทั้งดวงจันทร์      และไม่น่าแปลกใจเลย ที่น้ำมีบทบาทสำคัญในศาสนาหลายๆศาสนาของโลก

         น้ำ เป็นสารที่ถูกค้นคว้าวิจัยมากที่สุดในโลก  แต่ปรากฎว่า ความเข้าใจในหลักการทางวิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังคุณสมบัติ และพฤติกรรมของน้ำ มีอยู่น้อยมาก หรือไม่มีใครใส่ใจ  ไม่เฉพาะคนทั่วไปเท่านั้น  แต่รวมถึงนักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานเกี่ยวกับน้ำอยู่ทุกวี่ทุกวันด้วย      น้ำ สามารถมีคุณสมบัติ ลื่น และเหนียว ในเวลาเดียวกัน  และด้วยคุณสมบัติ 'stick/slip' นี่เอง  ที่ทำให้เราจดจำได้เมื่อเราสัมผัสน้ำ       โมเลกุลที่มีขนาดเล็กของน้ำ กลับตรงข้ามกับการทำงานที่ซับซ้อน และความสามารถอันเฉพาะตัวของมัน      ความพยายามมากมายที่จะสร้างโมเดลของน้ำในลักษณะสารที่มีโครงสร้างเรียบง่าย ต่างก็ประสบความล้มเหลว       คุณสมบัติที่เฉพาะตัวของน้ำ และความสามารถที่จะปรับเปลี่ยนไปตามสิ่งแวดล้อม  ดูเหมือนจะเป็นสิ่งที่ชีวิตต้องการ  โดยที่ไม่มีโมเลกุลอื่นใดสามารถทำได้

จุดกำเนิดของวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับน้ำ

         น้ำ เป็นสิ่งที่มนุษย์เราหลงใหลเสมอมา  สังเกตุได้จาก เราจำเป็นต้องอาศัยอยู่ใกล้แหล่งน้ำเพื่อให้มีชีวิตรอด      ในยุคต้นของอารยธรรมมนุษย์  เรารู้ถึงความสำคัญฝน และช่วงน้ำหลากประจำปี  เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดภัยแล้งที่จะทำให้มนุษยชาติอดอยากและล้มตาย      มนุษย์ในสมัยโบราณต่างก็ใช้น้ำเป็นส่วนในพิธีกรรมทางศาสนา    แต่อย่างไรก็ตาม  ก็ไม่ค่อยจะมีใครพยายามที่จะเข้าใจคุณสมบัติอันพิเศษของน้ำ  จนกระทั่งเมื่อเร็วๆนี้

         นักปรัชญากรีกสมัยโบราณ  ได้จัดน้ำไว้ใน 1 ใน 4 ของธาตุของโลก (ดิน น้ำ ลม ไฟ)      Image result for the four 'elements'

        นักวิทยาศาสตร์ชาวลอนดอน เฮนรี คาเวนดิช (Henry Cavendish) เป็นคนค้นพบไฮโดรเจน (ตอนนั้นเขาเรียกมันว่า  'phlogiston' หรือ 'inflammable air' และเขาได้รายงานว่า มันทำปฏิกิริยากับออกซิเจน เกิดเป็นน้ำ   ดังนั้น  จึงมีการจัดน้ำว่าเป็น สารประกอบ  ไม่ใช่ "ธาตุ"      ต่อมา อ็องตวน-โลร็อง เดอ ลาวัวซีเย (Antoine Lavoisier) ได้ทำการทดลองของ คาเวนดิช ขึ้นอีกครั้ง และตั้งชื่อให้ ไฮโดรเจน (มาจากภาษากรีก แปลว่า "ทำให้เกิดน้ำ")      คาเวนดิช ได้ค้นพบส่วนประกอบของน้ำ (ว่าประกอบด้วยไฮโดรเจน 2 ส่วน  ออกซิเจน 1 ส่วน) ในประมาณปี 1781    และส่วนประกอบนี้ได้รับการยืนยันในปี 1800 เมื่อมีการวัดปริมาณของไฮโดรเจน และออกซิเจนที่เกิดจากกระบวนการ อีเล็คโทรไลซิสของน้ำ โดย โยฮันน์ ริตเตอร์ (Johan Ritter) ซึ่งต่อมา อาเมเดโอ อาโวกาโดร (Amadeo Avogadro) ได้ยืนยันความถูกต้องของสมการนี้

2H2 + O2 → 2H2O

         ในปี 1887  สวานเต อาร์เรเนียส (Svante Arrhenius) ได้อธิบาย ปฏิกิริยาไอออนไนเซซันของน้ำ (ionization of water) เป็นครั้งแรก

 

H2O → H+ + OH-

 

Svante Arrhenius

Svante Arrhenius (1859 – 1927) ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 1903

 

"Water is the driver of Nature"

Leonardo da Vinci 

         โมเลกุลของน้ำ มีลักษณะโค้งงอ  ประกอบด้วยไฮโดรเจน 2 อะตอม และออกซิเจน 1 อะตอม    ที่ไฮโดรเจนอะตอมจะมีประจุบวกเล็กน้อย  ในขณะที่ออกซิเจนอะตอมจะมีประจุลบเล็กน้อย

      A single water molecule

         โมเลกุลของน้ำ สามารถทำปฏิกิริยากันได้ 3 ทาง คือ ทางพันธะไฮโดรเจน (hydrogen-bonding), ทางแรงแวนเดอวาลล์ (van der Waals interactions) และแรงดึงดูดทางไฟฟ้า (electrostatic interactions)      แต่ที่เกิดมากที่สุดคือ พันธะไฮโดรเจน ระหว่างโมเลกุลของน้ำ  ซึ่งเป็นแรงดึงดูดปานกลางระหว่างอะตอมออกซิเจนของโมเลกุลน้ำข้างเคียง กับไฮโดรเจนอะตอมของน้ำอีกโมเลกุลนึง      ดังนั้น  โมเลกุลน้ำจึงสามารถประกอบกันเป็นสาย      A chain of water molecules

         น้ำทุกๆโมเลกุล จะมีไฮโดรเจนอย่างน้อย 1 อะตอม ที่จับกับโมเลกุลของน้ำข้างเคียง   โดยจะไม่พบว่ามีโมเลกุลของน้ำที่เป็นอิสระ  โดยไม่จับกับน้ำโมเลกุลอื่นเลย

 

  น้ำ (H2O) ประกอบด้วยไฮโดรเจนที่น้ำหนักเบา 2 อะตอม  จับกับออกซิเจนอะตอมที่น้ำหนักมากกว่าถึง 16 เท่า    น้ำแต่ละโมเลกุลมีค่าประจุไฟฟ้าเป็นกลาง  แต่มีขั้วไฟฟ้า  โดยจุดศูนย์กลางของขั้วบวกและขั้วลบอยู่คนละตำแหน่งกัน      ไฮโดรเจนแต่ละอะตอม มีนิวเคลียส ซึ่งประกอบด้วย 1 โปรตอนซึ่งมีประจุบวก  ล้อมรอบด้วย กลุ่มเมฆ ('cloud') ของอิเล็คตรอน 1 ตัวซึ่งมีประจุลบ      ออกซิเจนอะตอม มีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอนที่มีประจุบวก 8 ตัว และนิวตรอนที่ไม่มีประจุ 8 ตัว  ล้อมรอบด้วย กลุ่มเมฆ ('cloud') ของอิเล็คตรอนซึ่งมีประจุลบ 8 ตัว     

         น้ำ มีโมเลกุลที่เล็กกว่าโมเลกุลอื่นๆเกือบทุกชนิดมาก  ดังนั้น  ทั้งน้ำและน้ำแข็ง จึงมีความหนาแน่นของโมเลกุลสูง      น้ำ 1 ลิตรที่อุณหภูมิห้อง (25 °C) หนักเกือบ 1 กิโลกรัม (997 กรัม) และมีโมเลกุลของน้ำประทาณ 33 ล้านล้านล้านล้านโมเลกุล

 

Hydrogen ions (ไฮโดรเจนไอออน)            H3O+

         ไฮโดรเจนไอออน เป็นโมเลกุลที่มีประจุ  มีสูตรเคมี คือ H3O+     เกิดจากการมีโปรตอนเพิ่มมาในโมเลกุลของน้ำ

 

Hydroxide ions (ไฮดรอกไซด์ไอออน)                OH-

         ไฮดรอกไซด์ไอออน เป็นโมเลกุลที่มีประจุ  มีสูตรเคมี OH-    เกิดจากโมเลกุลของน้ำสูญเสียโปรตอนไป