دید کلی

شیمی در محیط زیست ما نقش اساسی دارد. در واقع در بین مردم متداول است که بیشتر مسائل آلودگی جاری را به گردن مواد شیمیایی سنتزی و پدید آورندگان آنها بیاندازند. اما این نکته ناگفته می‌ماند که بیشتر مسائل زیست محیطی ، قرنها و دهه‌های گذشته ، مانند آلودگی میکروبی آب آشامیدنی ، تنها زمانی برطرف شدند که روشهای علمی بطور کلی و شیمی بطور اخص در مورد آنها بکار گرفته شد. افزایش شگفت‌ انگیز عمر انسان و بهبود کیفیت زندگی در دهه‌های اخیر به مقدار زیاد به علت پیشرفت شیمی و پدید آمدن مواد شیمیایی جدید بوده است.

محصولات فرعی اجسامی که برای بهتر شدن سلامتی و بالا رفتن استاندارد زندگی ما بکار گرفته شده‌اند، در مواردی بوسیله تنزل دادن سلامتی ما و همچنین سلامتی گیاهان و حیوانات ، همچون ش

مواد شیمیایی و نظرات دانشمندان

مقدمه

برف‌، از پدیده‌های‌ جوی‌ که‌ اغلب‌ طبیعى‌دانان‌ قدیم‌، در چگونگى‌ پیدایش‌ آن‌ سخنانى‌ گفته‌اند. در این‌ مقاله‌ نخست‌ آراء یونانیان‌، با تکیه‌ بر الاثار العلویه‌ ، نوشته ارسطو و رساله‌ای‌ به‌ همین‌ نام‌ از تئوفراستوس‌ و نیز الاراء الطبیعیه‌ منسوب‌ به‌ پلوتارک‌ که‌ امروزه‌ آن‌ را از آئتیوس‌ آمدی‌ مى‌دانند، نقل‌ و سپس‌ تأثیر آنها بر نظرات‌ دانشمندان‌ مسلمان‌ بررسى‌ شده‌ است‌. آناکسیمنس‌ گمان‌ داشت‌ که‌ هرگاه‌ باران‌ یخ‌ بزند، برف‌ پدید مى‌آید و اگر در این‌ هنگام‌ با آب‌ و هوا آمیخته‌ شود، تگرگ‌ تولید مى‌شود. در ضمن نظریه‌ای‌ که‌ به‌ فیثاغورس‌ و پیروان‌ او منسوب‌ شده ‌، آمده‌ است‌ که‌ هوای‌ پدید آورنده برف‌ و باران‌ سردتر از هوای‌ پدید آورنده تگرگ‌ است‌، در حالى‌ که‌ محل‌ پدید آمدن‌ آنها گرم‌تر از محل‌ تولد تگرگ‌ است.‌ به‌ گفته ابن‌ رشد ، اسکندر افرودیسى‌ این‌ مطالب‌ را از الاثار العلویه ارسطو نقل‌ کرده‌، ولى‌ ارسطو در این‌ کتاب‌ چنین‌ مطلبى‌ را از آنها یاد نکرده‌ است‌. ارسطو خود ، بارش‌ باران ‌، برف‌ و تگرگ‌ را پى‌آمد سرد شدن‌ ابر مى‌دانست‌.

نگاه اجمالی

• آیا می توانید روزی را تجسم کنید که آب نداشته باشید؟
• آیا آب را به بطور سالم و در حد نیاز استفاده می کنید؟
• آیا آب به اندازه کافی و در همه جا در دسترس بشر هست؟
• برای استفاده مطلوب از آب چه کار باید کرد؟ و غیره

موقعیت جهانی آب

آب شیرین

دید کلی

هیدرولوژی علمی است که در مورد پیدایش خصوصیات و نحوه توزیع آب در طبیعت بحث می‌کند ولی عملا واژه هیدرولوژی به شاخه‌ای از جغرافیای فیزیکی اطلاق می‌شود که گردش آب در طبیعت را مورد بررسی قرار می‌دهد. انجمن علوم و فنون ایالات متحده تعریف زیر را برای هیدرولوژی برگزیده است:


هیدرولوژی علم مطالعه آب کره زمین است و در مورد پیدایش ، چرخش و توزیع آب در طبیعت خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آب ، واکنش‌های آب در محیط و ارتباط آن با موجودات زنده بحث می‌کند بنابراین ملاحظه می‌شود که هیدرولوژی در برگیرنده تمامی داستان آب است.

تاریخچه و تکامل آب شناسی

تا جایی که تاریخ نشان می‌دهد اولین تجارب آب شناسی مربوط به سومریها و مصریها در منطقه خاورمیانه است بطوری که قدمت سد سازی روی رودخانه نیل به 4000 سال قبل از میلاد مسیح می‌رسد در همین زمان فعالیتهای مشابهی در چین نیز وجود داشته است. از بدو تاریخ تا حدود 1400 سال بعد ازمیلاد مسیح فلاسفه و دانشمندان مختلفی از جمله هومر طالس ، افلاطون ، ارسطو و پلنی در مورد سیکل هیدرولوژی اندیشه‌های گوناگونی ارائه کرده‌اند و کم کم مفاهیم فلسفی هیدرولوژی جای خود را به مشاهدات علمی دادند.

سیر تحولی و رشد

• شاید بتوان گفت هیدرولوژی جدید از قرن 17 با اندازه گیریهای مختلف آغاز شد در این دوره پرالت ترانست مقدار بارندگی تبخیر و صعود موئینه‌ای را در حوضه آبریز رودخانه سن اندازه گیری کند ماریوت با اندازه گیری سرعت و سطح مقطع جریان دبی رودخانه سن را در پاریس اندازه گیری کرد.
  
  
• در قرن 18 مطالعات تجربی در زمینه‌های هیدرولوژی شکوفایی خاصی را پیدا کرد. بر اساس این مطالعات بود که بسیاری از اصول هیدرولیکی پایه گذاری گردید. از آن جمله می‌توان وسایلی مانند پیزو ستروبرنولی ، لوله پیتر ، جریان سنج ولت من ، لوله بوردا ، و نظریه‌هایی مانند نظریه برنولی ، (فرمول شزی و قوانین دالامبرت را نام برد. از آن زمان به بعد هیدرولوژی از جنبه کیفی به کمی سوق داده شده و اندازه گیری بسیاری از پدیده‌های هیدرولوژی امکان پذیر گردید.
  
  
• قرن 19 را می‌توان دوره طلایی هیدرولوژی دانست در این زمان زمین شناسی نیز به عنوان یک علم تکمیل کننده در آبهای زیرزمینی وارد گردید. قانون دارسی و فرمولهای دو پوئی- تیم (Dmpmit-Thiem) نمونه‌ای از پیشرفت‌های آبهای زیرزمینی همراه با هیدرولوژی می‌باشد. در زمینه هیدرولوژی آبهای سطحی نیز بخصوص به هیدرومتری توجه فراوانی مبذول گردید. فرمولهای فرانسیس در مورد سرریزها ، گانگیه (Gangmillet) کوته (kmtter) و مانینگ (Manning) درباره جریان آب در کانالهای روباز از جمله این مواردند.
  
  
• فعالیتهای دالتون در زمینه تبخیر نیز بسیار حائز نیز بسیار حائز اهمیت بود. گرچه قسمت اعظم هیدرولوژی جدید در قرن 19 پایه گذاری شد. ولی تا امروز هنوز هیدرولوژی علمی از تکامل زیادی برخوردار نبود.
  
  
• در اواخر قرن 19 و بخصوص در 30 سال اول قرن 20 صدها فرمول تجربی پیشنهاد گردید که می‌بایست ضرایب و پارامترهای آنها بر اساس قضاوت و تجربه بدست می‌آمده و برای حل این مشکل در بسیاری از کشورها موسسات و انیستیتو‌های تحقیقی در زمینه هیدرولوژی تاسیس گردید. در این دوره دانشمندان زیادی ظهور کردند از جمله می‌توان در سال 1932 شرمن (Sherman) نظریه روش هیدروگراف واحد برای تخمین رواناب پیشنهاد کرد.
  
  
• نظریه تیس (Thies) در حل مسائل مربوط به هیدرولوژی چاهها و روش پیشنهادی گامبل (Gammble) در سال 1941 برای تجزیه و تحلیل آماری داده‌ها و روشهای انیشتین (Einstein) را در مطالعات رسوب رودخانه‌ها نام برد. و از سال 1650 به بعد روشهای نظری در هیدرولوژی بسیار معمولی گردید بطوری که اکثر فرمولها و روشهای تجربی در قالب ریاضی در رد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.

زیرشاخه‌های هیدرولوژی

هیدرومتئورولوژی (Hydrometeorology) یا آب و هواشناسی

کاربرد هواشناسی را در مسائل هیدرولوژی مورد بررسی قرار می‌دهد. به عبارت دیگر هیدرومتئورولوژی را می‌توان علمی دانست که درباره مسائل مشترک بین هواشناسی و هیدرولوژی بحث می‌کند.

لیمنولوژی

علم مطالعه آبهای داخل خشکی (دریاچه‌ها و برکه‌ها و ...) را لیمنولوژی (Limnology) گویند. در این رابطه خصوصیات فیزیکی ، شیمیایی ، و بیولوژیکی آب توده‌های آب موجود در داخل خشکیها مورد مطالعه قرار می‌گیرد.

کرایولوژی

یخ شناسی یا کرایولوژی (Cryology) علمی است که در آن خصوصیات مختلف آب در حالت جامد (برف یا یخ) بررسی می‌شود. به زبان دیگر کرایولوژی علم یخ شناسی و بررسی یخچالهاست هرچند یخچال شناسی نیز امروزه خود علم جداگانه‌ای را تشکیل می‌دهد.

ژئوهیدرولوژی (geohydrology)

به معنی هیدرولوژی آبهای زیرزمینی یا علم مطالعه آبها در زیر زمین است که در مقابل آن علم مطالعه آب در سطح زمین که هیدرولوژی آبهای سطحی گفته می‌شود قرار دارد. غالبا دو واژه ژئوهیدرولوژی و هیدروژئولوژی باهم اشتباه می‌شوند. اما در اولی تکیه بر هیدرولوژی و در دومی تکیه بر زمین شناسی می‌باشد. در فارسی برای مطالعه آب در زیر زمین از واژه هیدروژئولوژی استفاده می‌شود.

پوتامولوژی

رودخانه شناسی یا پوتامولوژی (Potamology) مسائل مربوط به جریان آب در رودخانه را مورد بررسی قرار می‌دهد در این رابطه تاکید بر جنبه‌های فیزیکی موضوع است تا بیولوژیکی آن.

هیدروگرافی

علم مطالعه وضعیت و خصوصیات فیزیکی آب بخصوص در رابطه با مسائل کشتیرانی را هیدروگرافی (Hydrography ) گویند. مطالعه جزر و مد در دریاهای آزاد و نوسانات سطح آب و نیز موج شناسی در قلمرو این علم قرار دارد.

هیدرومتری

آب سنجی که به آن هیدرومتری (Hydrometry) نیز گفته می‌شود. علم اندازه گیری آب و مسائل مربوط به آن می‌باشد، در واقع این علم سنجشهای مختلف مرکز آب ، مقادیر جریان و موارد مشابه به آن را در برمی‌گیرد.

اقیانوس سنجی

در علم اقیانوس سنجی (Oceanolography) خصوصیات فیزیکی ، شیمیایی ، بیولوژیکی و دیگر ویژگیهای اقیانوس و دریاهای آزاد مورد مطالعه قرار می‌گیرد. این علم خود بخشی از دانش وسیع اقیانوس شناسی (Oceanology) به شمار می‌آید

کاربردهای هیدرولوژی

• امروزه این علم در طراحی و طرز عمل سازه‌های هیدرولیکی نظیر سدهای ذخیره‌ای و انحرافی ، کانالهای آبیاری و زهکشی و پل ، مهندسی رودخانه و کنترل سیلاب ، آبخیزداری ، جاده سازی ، طراحی تفرجگاه مسائل بهداشتی و فاضلاب شهری و صنعتی و زمینه‌های زیست محیطی بطور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ضرورت این علم (هیدرولوژی)

هر سال به سطح خشکیهای کره زمین حدود 110000 کیلومتر مکعب آب بصورت نزولات جوی فرو می‌ریزد در عوض 70000 کیلومتر مکعب آن بصورت تبخیر خارج می‌شود. تفاوت این دو رقم 40000 کیلومتر مکعب است که منابع تجدید شونده آب را تشکیل می‌دهند. مقدار سرانه آب تجدید شونده در سطح دنیا رقمی حدود 7400 متر مکعب در سال برای هر نفر است. اما این مقدار بطور یکنواخت تقسیم نشده است.


متخصصان هیدرولوژی رقم 1000 متر مکعب در سال برای هر نفر را مرز کم آبی یک کشور تعیین کرده‌اند. این رقم در مصر 30 در قطر 40 در لیبی 160 در عربستان 140 متر مکعب در سال برای هر نفر برآورد شده است. همگی جز کشورهای کم آب محسوب می‌شوند. در ایران این سرانه 1500 متر مکعب در سال تخمین زده شده است. با این حساب نمی‌توان ایران را یک کشور کم آب تلقی کرد. یکی از راههای سازگاری با خشکی استفاده بهینه از منابع آب است. باید سعی کرد که تا حد امکان از ریزشهای جوی ، جریان آبهای سطحی و منابع زیرزمینی به نحو مطلوب استفاده شود و این کار عملی نخواهد بود مگر با شناخت پدیده‌های هیدرولیکی.

نگاه کلی

توجیه خواص ویژه آب با پیوند هیدروژنی

بالابودن گرمای ویژه آب

بالا بودن گرمای ویژه آب نسبت به دیگر مایعات و جامدات ، نشان دهنده مقدار بالای انرژی لازم برای شکستن پیوندهای هیدروژنی آب است. تعداد پیوندهای هیدروژنی با افزایش دما کم می‌شود، ولی حتی تا 100 درجه ، آن‌قدر پیوند هیدروژنی موجود است تا باعث شود گرمای تبخیر آب در مقایسه با سایر مایعات بالاتر باشد (540cal/gr). همان گونه که اشاره شد، این خاصیت آب ، سبب شده است که آب نقش تنظیم کننده حرارتی داشته باشد و جهان را در برابر تغییرات ناگهانی دما حفظ کند.

بالا بودن گرمای تبخیر آب به مقدار زیادی باعث ثابت ماندن دمای بدن در محدوده کم می‌شود. مقدار زیادی از گرمای حاصل از سوخت و ساز بدن از طریق تبخیر سطحی آب از میان روزنه‌های پوست خارج می‌شود

افزایش حجم آب هنگام انجماد

هنگام انجماد آب ، مولکولهای H₂O در یک شش ضلعی باز قرار می‌گیرند. هر اتم اکسیژن در بلور یخ به 4 هیدروژن وصل می‌شود که با 2 اتم هیدروژن پیوند کووالانسی معمولی و با دو تای دیگر پیوند هیدروژنی تشکیل می‌دهد. بالا بودن نسبت فضای خالی در ساختمان یخ ، باعث کمتر شدن تراکم آن نسبت به آب می‌شود. افزایش حجم ، باعث کاهش چگالی آب می‌شود. سرد شدن آب تا زیر 4 درجه باعث کاهش تدریجی چگالی آب می‌شود و این نشان می‌دهد که در نقطه انجماد آب انتقال از یک ساختمان مولکولی فشرده و بسته به یک ساختمان باز به‌طور ناگهانی صورت نمی‌گیرد، بلکه به‌تدریج و در گستره دما انجام می‌شود.

با کاهش دما مولکولهای بیشتری به شکل ساختمان یخ می‌پیوندند و در دمای زیر 4 درجه تبدیل به ساختمان باز بر انقباض حاصل از سرد کردن غلبه کرده ، با پایین آمدن دما به سمت 0 درجه آب منبسط می‌شود. انبساط آب به هنگام انجماد هم اثرات مفید و هم اثرات مضری دارد. انجماد آب در بافتهای گیاهی و جانوری باعث تخریب دیواره سلولی در اثر انبساط می‌شود. اما همین فرایند انبساط در اثر یخ زدن آب در حفره‌های سنگها و صخره‌ها باعث شکستن سنگها شده و ایجاد خاکهای حاصلخیز می‌کند.

دانسیته آب

تغییر دانسیته آب با دما که این تغییر در 4 درجه به حداکثر مقدار خود می‌رسد در ناحیه‌هایی که آب و هوای زمستانی دارند اهمیت فراوانی دارد با پائین آمدن دمای هوا لایه‌های متراکم‌تر آب در سطح دریاچه به کف آن جابجا می‌شوند و در این فرایند گردشی اکسیژن و مواد غذایی تقریبا بطور یکنواخت به تمام قسمتهای دریاچه می‌رسد.

بعد از رسیدن به حالت پایدار دمای قسمت زیرین آب به 4 درجه می‌رسد و باعث می‌شود تا جانوران آبزی در زمستان به زندگی خود ادامه دهند. از طرف دیگر کم بودن دانسیته یخ نسبت به آب باعث شناور شدن یخ در سطح آب می‌شود. اگر یخ سنگین‌تر از آب بود آب کف دریاها و رودخانه‌ها یکپارچه منجمد می‌شد و عواقب خطرناکی برای آبزیان در پی داشت.

کشش سطحی

پیوند هیدروژنی بین مولکولهای آب باعث تشکیل غشای نسبتا محکمی در سطح آن می‌نمایند که در نتیجه باعث می‌شود که یک سوزن یا تیغ بر روی آب بماند یا برخی حشرات در سطح آب راه روند همچنین این خاصیت باعث بالا رفتن آب از لوله‌های موئین می‌شود. کشش سطحی آب با افزایش دما به دلیل کم شدن پیوندهای هیدروژنی کاهش می‌یابد.

خاصیت تر کنندگی

اگر نیروهای ما بین مولکولی مایع کمتر از نیروی متقابل بین مایع و یک جسم جامد باشد مایع در سطح جامد پخش می‌شود که خاصیت تر کنندگی نام دارد. ایجاد سطح مقعر بر آب موجود در لوله‌های نازک با توجه به پدیده تر کردن توجیه می‌شود. خاصیت تر کنندگی آب باعث استفاده از آن در شستشو می‌شود. دمای بالا و شوینده‌ها خاصیت تر کنندگی آب را بالا می‌برند.

قطبیت

قطبیت آب به دلیل اختلاف الکترونگاتیوی بین اتمهای اکسیژن و هیدروژن می‌باشد.

استفاده از آب به عنوان حلال

آب به دلیل ثابت دی‌الکتریک بالا و همچنین داشتن قطبیت ترکیبات یونی را در خود حل می‌کند. ثابت دی‌الکتریک بالای آب باعث کاهش نیروی جاذبه میان یونها می‌شود. در نتیجه احتمال ترکیب مجدد آنها و خارج شدن به صورت رسوب را کم می‌کند. آب از معدود مایعاتی است که می‌تواند در دمای اتاق مقدار زیادی از ترکیبات یونی را در خود حل کند. همچنین آب مواد مولکولی مانند متانول ، آمونیاک ، اوره و … را که می توانند با آب پیوند هیدروژنی برقرار کنند هم در خود حل می‌کند.