آب یکی از مهم‌ترین ترکیبات شیمیایی در جهان است که زندگی بدون آن غیرممکن خواهد بود. این مایع شفاف و بی‌رنگ، نه تنها زیربنای حیات موجودات زنده محسوب می‌شود، بلکه نقش بی‌بدیلی در چرخه‌های طبیعی زمین، صنایع مختلف، تولید انرژی، پزشکی و حتی فناوری‌های نوین دارد. در نگاه ساده، آب چیزی جز مایعی برای آشامیدن یا استفاده در کشاورزی و صنعت نیست؛ اما در لایه‌های عمیق‌تر علمی، آب یک ترکیب شیمیایی بسیار خاص است که از دو عنصر بنیادین یعنی هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده است. پرسش اساسی این است که اگر بخواهیم یک لیتر آب را بررسی کنیم، چه مقدار اکسیژن و چه مقدار هیدروژن در آن وجود دارد؟ پاسخ به این سؤال، ما را وارد دنیای شگفت‌انگیز شیمی و علوم مواد می‌کند.
ساختار مولکولی آب
مولکول آب از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن ساخته شده و فرمول شیمیایی آن H₂O است. همین فرمول ساده بیانگر ترکیب دقیق آب است؛ به این معنا که برای هر مولکول، نسبت دو به یک میان هیدروژن و اکسیژن برقرار است. آنچه این ترکیب را خاص می‌کند، پیوند کووالانسی میان هیدروژن و اکسیژن و همچنین زاویه بین پیوندها است که حدود ۱۰۴٫۵ درجه می‌باشد. همین زاویه باعث ایجاد قطبیت در مولکول آب شده و بسیاری از ویژگی‌های غیرعادی آن مانند نقطه جوش بالا، کشش سطحی زیاد و توانایی انحلال‌پذیری گسترده ناشی از این ساختار است. بنابراین برای پاسخ به پرسش اصلی، ابتدا باید بدانیم که یک لیتر آب شامل چند مولکول است و در دل این مولکول‌ها چه میزان هیدروژن و اکسیژن نهفته است.
مقدار اکسیژن موجود در یک لیتر آب
همان‌طور که گفته شد، اکسیژن بخش اعظم جرم آب را تشکیل می‌دهد. اگر جرم یک لیتر آب را ۱۰۰۰ گرم در نظر بگیریم، حدود ۸۸۸ گرم آن اکسیژن است. این اکسیژن البته به‌صورت مولکولی آزاد در آب وجود ندارد ، بلکه بخشی جدایی‌ناپذیر از ساختار شیمیایی مولکول آب است. به زبان ساده، اگر آب را تجزیه کنیم، می‌توانیم این مقدار اکسیژن را به‌صورت گاز آزاد به دست آوریم . اهمیت این مقدار اکسیژن زمانی روشن می‌شود که بدانیم اکسیژن اصلی‌ترین عنصر برای سوخت‌وساز موجودات زنده و همچنین فرآیندهای صنعتی به شمار می‌رود. بنابراین یک لیتر آب به تنهایی می‌تواند منبع قابل توجهی از اکسیژن باشد، البته به شرط آن‌که انرژی لازم برای آزادسازی آن فراهم گردد.
مقدارهیدروژن موجود در یک لیتر آب
در مقابل، هیدروژن با وجود آن‌که سبک‌ترین عنصر جدول تناوبی است، سهم قابل توجهی از تعداد اتم‌های موجود در آب را دارد. حدود ۱۱۲ گرم از یک لیتر آب را هیدروژن تشکیل می‌دهد. شاید این مقدار در نگاه اول کم به نظر برسد، اما باید توجه داشت که هیدروژن چگالی بسیار پایینی دارد و اگر به صورت گاز آزاد شود، حجم بسیار بزرگی را اشغال خواهد کرد. هیدروژن موجود در آب، به دلیل خواص انرژی‌زای آن، از دیدگاه فناوری‌های نوین انرژی همچون سلول‌های سوختی و اقتصاد هیدروژنی بسیار مهم است.
مقایسه سهم اکسیژن و هیدروژن
در یک لیتر آب، از نظر جرمی سهم اکسیژن حدود هشت برابر بیشتر از هیدروژن است. اما اگر به تعداد اتم‌ها نگاه کنیم، وضعیت برعکس می‌شود؛ زیرا در هر مولکول دو اتم هیدروژن و تنها یک اتم اکسیژن وجود دارد. این تضاد میان جرم و تعداد اتم‌ها باعث می‌شود که آب همزمان ویژگی‌های اکسیژن و هیدروژن را در خود داشته باشد. اکسیژن باعث سنگین‌تر شدن و پایداری مولکول می‌شود، در حالی که هیدروژن خاصیت سبکی و قابلیت واکنش‌پذیری بالا را به آب می‌بخشد.
اهمیت زیستی اکسیژن و هیدروژن در آب
از دیدگاه زیست‌شناسی، آب یک نقش حیاتی در حیات ایفا می‌کند، زیرا هم اکسیژن و هم هیدروژن آن برای فرآیندهای زیستی ضروری‌اند. اکسیژن موجود در آب، پس از آزاد شدن در محیط، به‌عنوان منبع اصلی تنفس موجودات هوازی عمل می‌کند. حتی موجودات آبزی نیز اکسیژن محلول در آب را برای ادامه حیات جذب می‌کنند. در سوی دیگر، هیدروژن در واکنش‌های زیستی همچون فتوسنتز و تنفس سلولی نقشی کلیدی ایفا می‌کند. بنابراین وجود این دو عنصر در ساختار آب، راز تداوم زندگی بر روی زمین است.
نقش صنعتی استخراج اکسیژن و هیدروژن از آب
از منظر صنعتی، یکی از روش‌های مهم تولید اکسیژن و هیدروژن، فرآیند الکترولیز آب است. در این فرآیند، جریان الکتریکی از آب عبور داده می‌شود تا مولکول‌ها شکسته شده و به گازهای تشکیل‌دهنده خود یعنی هیدروژن و اکسیژن تجزیه شوند. اگرچه این فرآیند نیازمند مصرف انرژی است، اما کاربرد گسترده‌ای در صنایع انرژی پاک دارد. از یک لیتر آب می‌توان مقدار زیادی گاز هیدروژن و اکسیژن به دست آورد که برای سوخت‌های جایگزین، تولید برق در سلول‌های سوختی و حتی در صنایع فولاد و شیشه استفاده می‌شود.