أسرار الماء الكيميائية

الماء مركب كيميائي مكون من ذرتي هيدروجين وذرة من الاكسجين. يسمى علميا أكسيد الهيدروجين.

للماء عدة خصائص جعلت له قيمة كبيرة في الحياة، والصناعة، والزراعة،وغيرها من مجالات الحياة، الماء مركب كيميائي من عنصري الاوكسيجين والهيدروجين ذرة من الاوكسيجين و ذرتين من الهيدروجين و تشكل الذرات مثلثامجسما في راسه ذرة الاوكسيجين بشحنة سالبة و في جانبي القاعدة ذرتاالهيدروجين بشحنة موجبة و بنيان الماء بهذه الصورة يجعل منه سائلا فريداكما يصفه الكيميائيون على أساس انه يشذ عن السوائل الأخرى في الكثير منالخصائص.
من الخواص الكيميائية للماء:
1. يتكون الماء من أكسجين وهيدروجين ورمز الماء H2O .
2. الاستقرارية : الماء مركب مستقر كيميائيا .
3. التحلل بالكهرباء يتحلل الماء كهربيا ويعطي هيدروجين وأكسجين .
4. الماء لا يحترق ولا يساعد على الاحتراق .
التفاعل مع الفلزات : وهي على ثلاثة أنواع :
أ- فلزات تتفاعل مع الماء البارد مثل : الصوديوم ؛ البوتاسيوم ؛ الكالسيوم .
ب- فلزات تتفاعل لدى تسخينها مع بخار الماء مثل المغنيسيوم والخارصين
ج- فلزات لا تتفاعل مع الماء أو بخاره ؛ مثل : الذهب والفضة .
تميل جزيئات الماء إلى التصرف كمجموعات مترابطة و ليس كجزيئا منفصلة و مجموعات جزيئات الماء تكون محتوية على فراغات.
التعادلالحمضي :الماء سائل متعادل كيميائيا، إذ أن درجة الحموضة أو القاعدية فيههي 7، وهذا يعني أنه لا يمكن اعتبار الماء مادة حمضية أو قاعدية، لأنهمادة متعادلة كيميائيا.

أسرار الماء الكيميائية

الخصائص الفريده والغامضه

قديكون الماء احد اكثر المواد المالوفة لنا في العالم ، لكنه بالتاكيد ليسشيئا عاديا. والواقع ان الماء يمتاز بخصائص كيميائية فريدة تجعله منالتعقيد بمكان بحيث انه بعد عقود من البحث ، لا يزال أمام العلماء الكثيرليكتشفوه عن هذا الشئ الرائع.

فان المياه ، كما تبدو واضحةالتالق وهي السائل الذي يغطي ثلاثة ارباع سطح الارض ، ناهيك عن دوره فيبناء الحياة كما نعرفها ، وهو كذلك يعتبر المركب الكيميائي الأكثر وضوحا(H2O). الماء موجود في كل مكان. ومع ذلك ، لا يزال العلماء يبحثون لمعرفةخصائصه.
الماء بكل بساطة ليس كغيره من السوائل.

اذا ألقيت بمكعب من الثلجفي كوب من الماء فإنه سيطفوعلى السطح ، . ذلك لان الماء يتمددعند تجمدهبحيث تكون كثافته عند تجمده اقل منها في حالته السائلة.

لكن معظم السوائل يحدث لها العكس من ذلك. فإذا انكمش اصبحت اكثر كثافة ، حيث أنه إذا تجمد غرق ولم يطفو.

اذاحدثهذا الشئ للماء بهذه الطريقة فسوف يتراكم الجليد في اعماق البحيراتوالمحيطات خلال الشتاء ، وسيكون من الصعب عليه الذوبان في الربيع.

وهذا سوف يؤثر علي الاحياء المائية.

وهناكسمة أخرى مثيرة للدهشة, وهي أن الماء يغلي في درجة حرارة مرتفعة وهي 100درجة مئوية عند مستوي سطح البحر ، و إذا ما قارنا هذا مع شئ مماثل فيالحجم لجزيئات الماء.

فاذا انطبق على الماء ما ينطبق على غيره منالسوائل، فمن المفترض أن يكون الماء على شكل غاز في مثل هذه الظروف ، و لنتستمر االحياة عندئذ.
وبصفة عامة ، فإن الخصائص الغريبة لجزئ الـ H2O من الممكن فهم جزء كبيرمنها, فالعلماء يعزون الصفات و الخواص الفريدة للماء إلى الروابطالكيميائية التي تشكله وإلى ما يعرف بـ " حواجزالهيدروجين " عند التفاعلبين ذ رات الهيدروجين و الأوكسجين المجاورة لجزئ الماء ينشأ نوع منالحواجز لحماية الجزيئات.

ما يبدو غير واضحا بشكل أو بآخر ، لكنالتفاصيل الدقيقة لكيفية تشكل هذه الحواجز كما تبدو لنا في حالات عديدةفهي على الشكل التالي ، مثلا عندما توجود مواد كيميائية علي سطح الماء.

وهذهليس بالمهمة السهلة لأن الروابط الهيدروجينية الكيماوية تقوم بعملها كفنانتشكيلي : بحيوية كبيرة ، تشكل الروابط التي تتنوع في قوتها وحجمها.

وعليالرغم من ان الماء يؤثر في كل شيء بدأ من البروتينات داخل الخلايا و حتىالعوامل الجوية التي يمتد تأثيرها حتى إلى الصخور على شواطئ المحيطات ،يصبح الإتيان على كل هذه التفاعلات أمرا صعبا جدا.

لكن البحوث التيأجريت على المياه أحرزت تقدما عند العلماء المسلحين بأدوات متطورة وآفاقجديدة " لقد أخذوا بإلقاء نظرة جديدة علي الاسئلة القديمة" بحسب ما ذكرتهكاثرين كوفيرت مديرة البرنامج الأول في المؤسسة القومية للعلوم في شعبةالكيمياء.

و هي ما تزال تعترف "اننا لم نقترب بعد من فهم كيف يعمل الماء في كل وقت و في كل بيئة."

ومؤخرا زودنا بعض العلماء بآراء اكثر تفصيلا حول جزيئات الماء حتي الآن.

فقدذكرت مجلة العلوم ملاحظة حول ذلك آخذة في الاعتبار خلاصة العمل الجماعيلعدة فرق من الباحثين (جميعها عدا واحدة وهي المؤسسة القومية للعلوم) حولالمياه من حيث البنية والسلوك الكيميائي كأفضل 10 بحوث مقدمة لعام 2004.

ورغمأن النتائج لم تكن موثقة ، وبعضها كان بمثابة تحدي للشئ المألوف في الواقع، فإن اكتشافات عام 2004 اثارت قدر كبير من الاهتمام والنقاش المثمر بينالعلماء.

وفي حال كانت هذه النتائج "كاذبة" فإن من شانها تغيير التفكير في تخصصات مختلفة مثل الارض والجو بل وحتي البيولوجيا والكيمياء.
عاد النقاش بين العلماء مؤخرا لسيخن من جديد حول بنية المياه السائلة.

ووفقالما ذكره انديرز نيلسون ، الاستاذ في جامعة ستانفورد " فإن الكثير منالافكار والنظريات حول المياه الموجودة من حولنا "ولكن بالرغم من الفرضياتالتي تدعم هذا الاعتقاد فإن التجارب العلمية الداعمة لهذا الاعتقاد لاتزالمحدودة .

حتي مجموعة نيلسون التي تعتمد على طرق المعرفة التقليدية , اختار أن يعتمد على البيانات الجديدة.

قام الفريق باخذ اللقطات المصورة للتفاعل بين جزيئات الماء باستخدام طاقة عالية من الأشعة السينية.

ورغم ان التقنية كانت قديمة غير أن تطبيقها لهذا الغرض كان شيأ جديدا ، وكانت النتائج مدهشة.

فقد كانت النماذج التقليدية تفيد بأن كل جزيء من الماء يشكل روابط قوية مع أربعة جزيئات أخرى (انظر الصوره الشكل).

ولكنمجموعة نلسون من الباحثين وجدوا ان معظم جزيئات الماء تشكل صلات قوية معاثنين اخرين فقط. واذا تحقق ذلك فإن نتائج الفريق توحي بأن مركب جزيءالماء الذي يصور في كتب الكيمياء المدرسية غير دقيق .

بل ان المرجح هو أن الماء يتشكل على شكل شبكة فضفاضة وسلاسل وخواتم.

ومنالمرجح ان يستمر النقاش ، اذ ان التجارب الاخيرة التي أجريت و تحليلالاشعة المخبرية المختلفة يدعم الراي السائد حول البنية التي يتشكل منهاالماء.

الايونات والتفاعلات
في عام 2004 ، تناول العلماء مسألة الجسيمات المشحونة بالايونات مثلالكلوريد من ملح الصوديوم ، الكلوريد (المأخوذ من كلوريد الصوديوم)علىسبيل المثال عند البحث في جسيمات المياه.

كانت المعلومات القديمة تقول بأن طبقات المياه السطحية تصد الايونات التي تحفل بالملوحة في مياه البحر.

ولذلك يعتقد العلماء ان هذه الجزيئات تصبح دفينة الغوص في الأعماق .

لكن التجربة الجديدة التي إعتمدت على الحاسوب ونماذج مختلفة من فرق البحث تؤكد بأن المفهوم السائد هو خطا.

على الرغم من وجود اختلاف حول بعض تفاصيله غير ان الجميع يتفق على أن بعض الايونات موجودة في الطبقات السطحية المياه.

وحيث تتراكم الايونات يمكن ان يحدث التفاعل الكيميائي.
في الواقع ، تعرض الايونات علي سطح المحيط للهواء يجعل من الممكن حدوث اندماج و تفاعل مع جميع انواع الكيماويات في الجو.

ولذلك يحدث الضباب و قطيرات الرذاذ عند المحيطات حيث يمكن ان تكون اكثر تفاعلا من الناحية الكيميائية مما كان معتقدا.

بلتشير البحوث الاخيرة حول الجو بأن هذا هو الحاصل فعلا. فعلي سبيل المثال ،تشير التقارير الي ان اثنتين من الايونات الموجودة في ماء البحر ،والكلوريد يطلق تفاعلات كيميائية يمكن أن يؤدي إلى تدمير الاوزون في اجواءالقطب الشمالي.

لكن هذه الاحداث الطبيعية المدمرة قد حدثت بفعل الرياح والامواج و الرواسب الكيميائية علي الجليد القطبي المعرض لضوء الشمس.

إننتائج عام 2004كشفت للكيميائيين الذين يقومون بالأبحاث على الغلاف الجويعن مدى تجاهلهم لمساهمات الايونات عند سطح البحرفي تشكيل أشياء مثل نوعيةالهواء و سيتعين عليهم اعادة النظر في حساباتهم.

كيمياء الماء

خلالالابحاث الكيميائية التي أجريت ، ابتداء من الأجزاء الأصغرداخل الذرة مثلالإلكترونات إلى ذرة بشكلها الكامل مثل الهيدروجين, فإن هذه العلاقاتالتفاعلية عادة ما تصبح مختلطة مع بعضها البعض, متشاركة ومتبادلة .

لان H2O هو المذيب الاكثر شيوعا في عالم المذيبات الكيماوية ، لأن هذه التفاعلات عادة ما تحتاج إلى وجود وسيط و هو الماء.

بيدان الماء ليس مجرد وسيط سلبي في التفاعلات الكيميائية. والواقع انه يلعبدورا نشطا فهويقوم باستمرار بكسر الروابط الكيميائية حول الجزيئاتالداخلةفي التفاعل و يحركها جيئة وذهابا من مجمع واحد الي اخر.

و لا يزال العلماء لا يعرفون على وجه الدقة كيف ينجز الماء هذه المهام.

لكنالباحثين تمكنوا من تطوير ادوات جديدة لعزل وتعقب الالكترونات الصغيروالهيدروجين الذي يحتوي علي تجمعات المياه لبحث هذه التفاعلات بسهولة أكبر.

كانت نتائج البحث قد ألقت الضوء علي مجموعة من ردود أفعال شائعة جدا تشمل الالكترونيات وذرات الهيدروجين.

فعلي سبيل المثال ، ان الاكسدة التي تسبب الصدأ للسيارات و تتحكم في عمر بشرة الجلد هي ناتجة عن تبادل الالكترونات في الماء.

وكذلك محاربة الجارثيم و التوازن الحمضي القاوي و المواد الكيميائية التيتبقي المسابح نظيفة فهي كذلك تعتمد بشكل دقيق علي التفاعل والتبادلالالكتروني و نقل الهيدروجين.

ولتحسين النماذج المستخدمة في تطبيقات العلماء فهم بحاجة الي التفاصيل الدقيقه بشان دور الماء في تفاعلات كيميائية كهذه.

والتقدمفي هذا المجال يحتاج إلى دمج مجموعة من مجالات الدراسة على الأبحاثالمعقدة على سبيل المثال طي البروتينات لتحسن وضع الصناعة الدواء.

نحو50 من الباحثين المدعومين من المؤسسة القومية للعلوم يقومون حاليا عليدراسة االخصائص الاساسية للمياه لمحاولة فهم كيمياء الماء في اشكالهالمتعددة والتي لا تزال تشكل اكبر التحديات العلمية.

ولكن اذا حققت هذه الأبحاث مؤشر تقدم ملحوظ فسوف نكون قد أنجزنا هذا التحدي.

الماءموجود حولنا في كل مكان ، في السماء وعلي الارض وفي الجو يتغيير شكلهباستمرار وللماء خصائص كيميائية فريدة تجعل منه المادة الوحيدة الموجودةفي الطبيعي في الحالات الثلاث جميعا : السائلة والصلبة (الثلج) والغازية(البخاري).

استمرار حركة الماء حول العالم تعرف بالدورةالهيدرولوجية.تتم عدة عمليات خلال هذه الدورة ، منها التبخر والتكثيف والترسب والامطار والصرف والتجمع.

وخلال هذه الدورة يتغير شكل الماء مرات عديدة
التوتر السطحي. يساعد هذا العنكبوت لأن يمشي علي الماء.

فقوة التوتر السطحي تؤمن التوازن للعنكبوت الشئ الذي يساعده علي المشي علي الماء.

التوتر يؤثر في سطح الطبقة العليا من الماء ، مما يجعلها أشبه بصفحة من المطاط الضغوط.

حدث هذا لان الجذب بين جزيئات الماء ليس متوازنا في سطح السائل.

بينما و بعيدا عن الطبقة السطحية فأن جزيئات الماء تتجاذب بشكل متساوي في جميع الاتجاهات ، ولكن هذه الطبقة في القمه ليست كذلك.
تلتقي أمواج المحيط بالشاطئ .

حسب المسح الجيولوجي الاميركي فإنالمحيطات تحتوي علي 95 ٪ من مياه الكرة الارضية وتغطي المحيطات اكثر من 70من الارض. وهي تساهم بشكل كبير في دورة المياه – التبخرو أحداث الترسيب والتي تنقل المياه حول العالم. تساهم المحيطات بالقسم الأكبر من مياهوالغلاف الجوي بينما تساهم النباتات بالقسم الباقي.
السحب فوق كيا في هاواي. جو مليء بالمياه ، بل هي الغيوم الواضحة تذكره بوجودها.

تتشكلالغيوم عندما يتكثف بخار الماء في السماء فتتكوين القطرات الصغيرة اوبلورات الثلج. لا يقوم الجو بتخزين الكثير من ماء الارض ، بل هو فقط ممرالنقل حول الكوكب.
قطرات الندي علي الاوراق.

يتشكل الندي علي سطح الورقة عندما يبردالماء الموجود في الهواء في درجة حرارة منخفضة تعرف باسم "نقطه الندي"تترسب خارج المحلول او تتكثف.

فيشكال الماء قطرات على سطح الورقة لان الجزيئات تجذب بعضها البعض بشدةعلى شكل مجموعات.
الماء المتبخر من إبريق الشاي.

من الناحية التقنية ، البخار هوالغاز النقي االغير مرئي الذي يتشكل عندما يسخن الماءإلى 212 درجهفهرنهايت (100 درجه مؤوية) في مستوى سطح البحر.

البخاري يستهلك هيزا من المساحة اكبر بكثير من المياه السائلة لان االجزيئات تتحرك بسرعة وبتوسع عند تسخينها.

ومحركات البخار تسخر هذا التوسع لتحريك الأسطوانات والتوربينات وبالتالياداء عملها. صحيح ان المصطلح المتعارف عليه لهذه السحب البيضاء المنبعثةمن المغلاة هو بخار الماء... و التي تتشكل عندما يصطدم البخار مع الهواءالبارد المحيط به و يتكثف.

مع تحيات : الاستاذ مصطفى دعمس - المشرف العام