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 و الهيدروجين ذرة من الاوكسيجين و ذرتين من الهيدروجين و تشكل الذرات مثلثا مجسما في راسه ذرة الاوكسيجين بشحنة سالبة و في جانبي القاعدة ذرتا الهيدروجين بشحنة موجبة و بنيان الماء بهذه الصورة يجعل منه سائلا فريدا كما يصفه الكيميائيون على أساس انه يشذ عن السوائل الأخرى في الكثير من الخصائص.
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.
التعادل الحمضي :الماء سائل متعادل كيميائيا، إذ أن درجة الحموضة أو القاعدية فيه هي 7، وهذا يعني أنه لا يمكن اعتبار الماء مادة حمضية أو قاعدية، لأنه مادة متعادلة كيميائيا.

أسرار الماء الكيميائية

الخصائص الفريده والغامضه

قد يكون الماء احد اكثر المواد المالوفة لنا في العالم ، لكنه بالتاكيد ليس شيئا عاديا. والواقع ان الماء يمتاز بخصائص كيميائية فريدة تجعله من التعقيد بمكان بحيث انه بعد عقود من البحث ، لا يزال أمام العلماء الكثير ليكتشفوه عن هذا الشئ الرائع.

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

اذا ألقيت بمكعب من الثلج في كوب من الماء فإنه سيطفوعلى السطح ، . ذلك لان الماء يتمددعند تجمده بحيث 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.

اذاحدث هذا الشئ للماء بهذه الطريقة فسوف يتراكم الجليد في اعماق البحيرات والمحيطات خلال الشتاء ، وسيكون من الصعب عليه الذوبان في الربيع.

وهذا سوف يؤثر علي الاحياء المائية.

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

فاذا انطبق على الماء ما ينطبق على غيره من السوائل، فمن المفترض أن يكون الماء على شكل غاز في مثل هذه الظروف ، و لن تستمر االحياة عندئذ.
وبصفة عامة ، فإن الخصائص الغريبة لجزئ الـ H2O من الممكن فهم جزء كبير منها, فالعلماء يعزون الصفات و الخواص الفريدة للماء إلى الروابط الكيميائية التي تشكله وإلى ما يعرف بـ " حواجزالهيدروجين " عند التفاعل بين ذ رات الهيدروجين و الأوكسجين المجاورة لجزئ الماء ينشأ نوع من الحواجز لحماية الجزيئات.

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

وهذه ليس بالمهمة السهلة لأن الروابط الهيدروجينية الكيماوية تقوم بعملها كفنان تشكيلي : بحيوية كبيرة ، تشكل الروابط التي تتنوع في قوتها وحجمها.

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

لكن البحوث التي أجريت على المياه أحرزت تقدما عند العلماء المسلحين بأدوات متطورة وآفاق جديدة " لقد أخذوا بإلقاء نظرة جديدة علي الاسئلة القديمة" بحسب ما ذكرته كاثرين كوفيرت مديرة البرنامج الأول في المؤسسة القومية للعلوم في شعبة الكيمياء.

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.

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

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

وفي حال كانت هذه النتائج "كاذبة" فإن من شانها تغيير التفكير في تخصصات مختلفة مثل الارض والجو بل وحتي البيولوجيا والكيمياء.

ابرز بحوث المياه "الفتوحات" 2004 مجموعه سلاسل

عاد النقاش بين العلماء مؤخرا لسيخن من جديد حول بنية المياه السائلة.

ووفقا لما ذكره انديرز نيلسون ، الاستاذ في جامعة ستانفورد " فإن الكثير من الافكار والنظريات حول المياه الموجودة من حولنا "ولكن بالرغم من الفرضيات التي تدعم هذا الاعتقاد فإن التجارب العلمية الداعمة لهذا الاعتقاد لاتزال محدودة .

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).

ولكن مجموعة نلسون من الباحثين وجدوا ان معظم جزيئات الماء تشكل صلات قوية مع اثنين اخرين فقط. واذا تحقق ذلك فإن نتائج الفريق توحي بأن مركب جزيء الماء الذي يصور في كتب الكيمياء المدرسية غير دقيق .

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

ومن المرجح ان يستمر النقاش ، اذ ان التجارب الاخيرة التي أجريت و تحليل الاشعة المخبرية المختلفة يدعم الراي السائد حول البنية التي يتشكل منها الماء.

الايونات والتفاعلات
في عام 2004 ، تناول العلماء مسألة الجسيمات المشحونة بالايونات مثل الكلوريد من ملح الصوديوم ، الكلوريد (المأخوذ من كلوريد الصوديوم)على سبيل 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.

بل تشير 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 اجواء القطب الشمالي.

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

إن نتائج عام 2004كشفت للكيميائيين الذين يقومون بالأبحاث على الغلاف الجوي عن مدى تجاهلهم لمساهمات الايونات عند سطح البحرفي تشكيل أشياء مثل نوعية الهواء و سيتعين عليهم اعادة النظر في حساباتهم.

كيمياء الماء

خلال الابحاث الكيميائية التي أجريت ، ابتداء من الأجزاء الأصغرداخل الذرة مثل الإلكترونات إلى ذرة بشكلها الكامل مثل الهيدروجين, فإن هذه العلاقات التفاعلية 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.

بيد ان الماء ليس مجرد وسيط سلبي في التفاعلات الكيميائية. والواقع انه يلعب دورا نشطا فهويقوم باستمرار بكسر الروابط الكيميائية حول الجزيئاتالداخلة في التفاعل و يحركها جيئة وذهابا من مجمع واحد الي اخر.

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

لكن الباحثين تمكنوا من تطوير ادوات جديدة لعزل وتعقب الالكترونات الصغير والهيدروجين 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.

و كذلك محاربة الجارثيم و التوازن الحمضي القاوي و المواد الكيميائية التي تبقي المسابح نظيفة فهي كذلك تعتمد بشكل دقيق علي التفاعل والتبادل الالكتروني و نقل الهيدروجين.

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

والتقدم في هذا المجال يحتاج إلى دمج مجموعة من مجالات الدراسة على الأبحاث المعقدة على سبيل المثال طي البروتينات لتحسن وضع الصناعة الدواء.

نحو 50 من الباحثين المدعومين من المؤسسة القومية للعلوم يقومون حاليا علي دراسة االخصائص الاساسية للمياه لمحاولة فهم كيمياء الماء في اشكاله المتعددة والتي لا تزال تشكل اكبر التحديات العلمية.

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

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

استمرار حركة الماء حول العالم تعرف بالدورة الهيدرولوجية.تتم عدة عمليات خلال هذه الدورة ، منها التبخر والتكثيف و الترسب 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 فإن المحيطات تحتوي علي 95 ٪ من مياه الكرة الارضية وتغطي المحيطات اكثر من 70 من الارض. وهي تساهم بشكل كبير في دورة المياه – التبخرو أحداث الترسيب و التي تنقل المياه حول العالم. تساهم المحيطات بالقسم الأكبر من مياه والغلاف الجوي بينما تساهم النباتات بالقسم الباقي.
السحب فوق كيا في هاواي. جو مليء بالمياه ، بل هي الغيوم الواضحة تذكره بوجودها.

تتشكل الغيوم عندما يتكثف بخار الماء في السماء فتتكوين القطرات الصغيرة او بلورات الثلج. لا يقوم الجو بتخزين الكثير من ماء الارض ، بل هو فقط ممر النقل حول الكوكب.
قطرات الندي علي الاوراق.

يتشكل الندي علي سطح الورقة عندما يبرد الماء 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 هو الغاز النقي االغير مرئي الذي يتشكل عندما يسخن الماءإلى 212 درجه فهرنهايت (100 درجه مؤوية) في مستوى سطح البحر.

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

و محركات البخار تسخر هذا التوسع لتحريك الأسطوانات والتوربينات وبالتالي اداء عملها. صحيح ان المصطلح المتعارف عليه لهذه السحب البيضاء المنبعثة من المغلاة هو بخار الماء... و التي تتشكل عندما يصطدم البخار مع الهواء البارد المحيط به و يتكثف.
الجبال الجليدية قرب شبه جزيرة القارة القطبية الجنوبية.

حوالي ثلثي مخزون الأرض من المياه العذبة مخوزنة في شكل الجليد والثلج. تتشكل جبال الجليد عند تتصدع أو تنقسم القطع الكبيرة من الجليد او الجروف الجليدية في المحيط.

رغم انها كبيرة ، لان الجبال الجليدية العائمة هي في الحقيقة مياه نقية وهي كذلك اقل في كثافتها من كثافة مياه البحر المالحة.

لكن ما نراه في هذه الصورة ما هي في الحقيقه الا "قمة جبل الجليد". بينما يختفي حوالي 90 ٪ من كتلة الجبل الجليدي تحت سطح الماء.
التزلق على سطح الجليد.

يحدث التزلق على الجليد لأن سطح التزلج المعدني ينزلق على الجليد بإحتكاك ضئيل جدا على طبقة رقيقة من الماء توجد على سطح الجليد.

في نفس الوقت ، يعتقد العلماء بأن المتزلجون أنفسهم يتسببون في خلق هذه الطبقة من المياه على السطح من خلال ذوبان طبقات الجليد بفعل ضغط ثقل أجسامهم .

لكن الدراسات الحديثة تتعارض هذا الشرح وهي تميل إلى أن الجليد زلق دائما لان الجزئيات في الطبقة العليا منه تتصرف كما في الماء السائل