خصائص الماء وحالاته وكذلك خصائص الماء الحرارية، كما سنقوم بذكر استخدامات الماء، وكذلك سنتحدث عن مفهوم خصائص الماء، وكل هذا من خلال مقالنا هذا تابعوا معنا.
خصائص الماء وحالاته
1- خصائص الماء:
– القطبية:
يتمتّع الماء بقطبية (بالإنجليزية: Polarity) عالية، نتيجةً للروابط التساهمية التي تربط ما بين ذرتي الهيدروجين مع ذرة الأكسجين، حيث تتمتّع ذرة الأكسجين بكهرسلبية عالية تسمح لها بجذب الإلكترونات المشترِكة معها في تلك الروابط التساهمية، فتتكوّن القطبية على إثر تجمّع الإلكترونات لوقتٍ أطول حول نواة ذرة الأكسجين المشحونة بشحنة جزئية سالبة ووقتاً أقل حول نواتي ذرات الهيدروجين المشحونة بشحنة جزئية موجبة في جزيء الماء؛ وذلك لاحتوائهما على بروتونات إضافية غير متعادلة.
يُشير ما سبق إلى أنّ الأكسجين قادر على جذب إلكترونات بعض المواد الأخرى نحوه في جزيء الماء أكثر من الهيدروجين، ويُطلق على المواد التي تنجذب للماء وتتفاعل معه بالمواد المحبّة للماء (بالإنجليزية: Hydrophilic)؛ كالسكّريات، أمّا المواد التي لا تتفاعل مع الماء فتُعرف بالمواد الكارهة أو الطاردة للماء (بالإنجليزية: Hydrophobic)؛ كالزيوت والدهون.
– الإذابة:
تحدث غالبية التفاعلات الكيميائية المهمّة في الحياة داخل وسط مائيّ في خلايا الكائنات الحية، فالتركيبة الكيميائية والخصائص الفيزيائية للماء جعلت منه مُذيباً رائعاً للعديد من المواد، لذا يُطلق عليه اسم المُذيب الشامل (بالإنجليزية: Universal Solvent)؛ نظراً لقدرة الماء العالية على إذابة المواد أكثر من أيّ سائلٍ آخر، بالإضافة إلى قطبيته العالية وقدرته على تكوين الروابط الهيدروجينية، لذلك يُعدّ الماء عاملاً أساسياً لحدوث التفاعلات الكيميائية داخل أجسام الكائنات الحيّة.
تسمح قطبية الماء العالية بجذب العديد من جزيئات المواد المختلفة بدرجات متفاوتة فتتأثّر قدرته على الإذابة نتيجة لذلك، فمثلاً ينجذب الماء بشدّة إلى العديد من الجزيئات من ضمنها كلوريد الصوديوم (NaCl) الذي يُعرف بملح الطعام؛ وذلك من خلال تفكيك الروابط بين جزيئات الصوديوم والكلوريد عن بعضهما البعض وتكسيرها، وبالتالي إذابتهما تماماً داخله.
– السعة الحرارية:
يتمتّع الماء بسعةٍ حرارية (بالإنجليزية: Heat Capacity) كبيرة جداً، أيّ أنّ قدرته على تخزين الحرارة كبيرة، وهذا الأمر كفيل بتنظيم العديد من الظواهر التي تحدث في الطبيعة، وبمعنى آخر يتطلّب جعل الماء ساخناً قدراً كبيراً من الطاقة والحرارة، حيث يحتاج 1 كغم من الماء امتصاص حوالي 4184 جول -أيّ ما يُعادل 1 سعر حراري- من الطاقة لزيادة درجة حرارته درجة مئوية واحدة فقط، بينما يحتاج 1 كغم من النحاس إلى 385 جول فقط لرفع درجة حرارته بمقدار درجة مئوية واحدة، وتُساعد الأسماك على تنظيم درجات حرارتها النسبية في الماء نهاراً وليلاً؛ نظراً لثبوت درجة حرارة الماء في البرك خلال اليوم.
– حرارة التبخر:
يُعرّف التبخر (بالإنجليزية: Evaporation) بأنّه العملية التي تتحوّل عندها المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية، وكما يتطلّب الأمر الكثير من الطاقة لرفع درجة حرارة الماء السائل، فإنّ الماء يحتاج أيضاً إلى قدرٍ كبير جداً من الطاقة لتغيير حالته السائلة إلى الغازية عند ثبوت درجة الحرارة، ويتبخّر الماء نتيجة تكسّر الروابط الهيدروجينية بين جزيئاته؛ نتيجةً لزيادة درجة الحرارة والطاقة، فيُؤدّي ذلك إلى زيادة حركة جزيئات الماء واهتزازها بشكلٍ كبير جداً، فتتحوّل جزيئات الماء السائلة إلى جزيئاتٍ من بخار الماء تتطاير وتهرب إلى الغلاف الجوي.
تحتاج جزيئات الماء إلى درجة حرارة مقدارها 100 درجة مئوية لكي تتبخر، وهي نقطة غليان الماء التي تكتسب فيها الجزيئات طاقة حركية عالية تُؤدي إلى تبخّرها، أمّا درجة حرارة السطح الذي تحدث عنده عملية التبخر فتُصبح أكثر برودةً نتيجة لذلك، ومثال ذلك تبخر العرق من جسم الإنسان عند درجات الحرارة العالية للحفاظ على ثبات درجة حرارة الجسم.
– التماسك والتلاصق:
ترتبط جُزيئات الماء مع بعضها البعض بشكلٍ جيد؛ نتيجة امتلاك الماء خاصية تُعرف بخاصية التماسك (بالإنجليزية: Cohesion)، وتُشير هذه الخاصية إلى قدرة جُزيئات المادة الواحدة على الانجذاب لبعضها البعض، حيث تحدث نتيجةً للقطبية العالية لجزيئات الماء التي تسمح لها بتكوين الروابط الهيدروجينية.
يُمكن تفسير خاصية التماسك من خلال تجربة بملء كأس من الماء إلى أقصى حدٍّ ممكن قبل انسكابه، ومُلاحظة تجمّع سطح الماء على شكل قبة فوق حافة الكأس، حيث يُفسّر شكل القبة الناتج على السطح شدّة تماسك جزيئات الماء مع بعضها البعض، ومن الجدير بالذكر أنّ قوى التماسك مسؤولة عن ظاهرة التوتر السطحي (بالإنجليزية: Surface Tension) التي تحدث للماء، وهي ظاهرة تُوضّح ميل سطح السائل إلى مقاومة أيّ إجهاد أو توتّر يتعرّض له.
يحدث نوع آخر من التجاذب بين جُزيئات الماء وجُزيئات المواد الأخرى خاصةً إن كانت تحمل شحنات موجبة أو سالبة تحت ظروف معينة؛ وذلك لأنّ الماء يتميّز بخاصية أخرى تُعرف باسم خاصية التلاصق (بالإنجليزية: Adhesion)، والتي تحدث بين نوعين مُختلفين من الجزيئات، كما تُعدّ هذه الخاصية مسؤولة عمّا يُعرف بالخاصية الشعرية (بالإنجليزية: Capillary Action) التي تُمكّن الماء من الارتفاع إلى أعلى، أيّ عكس الجاذبية الأرضية.
يُلاحظ الترابط بين قوى التماسك والتلاصق في العديد من الظواهر الموجودة في الطبيعة، ومثال ذلك آلية حصول النبات على الغذاء والمعادن من خلال سحب الماء من جذور النباتات إلى الأوراق، بالإضافة إلى اعتماد بعض الحشرات على خاصية التوتر السطحي للسير على الماء واتخاذه وسطاً للتزاوج.
– الكثافة:
تتجمّع جزيئات الماء المتجمّد على شكل بلوراتٍ متباعدة عن بعضها البعض على نحوٍ أكثر من تباعد جزيئاته وهو في الحالة السائلة، أيّ أنّ حجمه يزداد نتيجة التجمّد، وبالتالي فإنّ كثافة الماء عندما يتجمّد تكون أقل من كثافته وهو في الحالة السائلة، ولذلك يطفو على السطح، وهذا الأمر ضروري للكثير من الحيوانات التي تعيش على الجليد، حيث يحمي مواطنها من الغرق.
تُشكّل الطبقة الجليدية في أعلى البرك طبقةً عازلةً بين الهواء البارد والماء الذي يقع أسفلها فتُحافظ على درجة حرارته، وبالتالي تُساعد الأحياء البحرية على البقاء على قيد الحياة وتحميها خلال فصل الشتاء، ومن الجدير بالذكر أنّ أعلى كثافة للماء تكون عندما تبلغ درجة الحرارة 4 درجات مئوية، وبعد ذلك يُصبح الماء أقل كثافةً مرّةً أخرى، أيّ أنّ كثافة الماء تقل مع التبريد المُستمر.
2- حالات الماء الثلاثة:
يُعتبر الماء المادة الوحيدة على الأرض الموجود في جميع الحالات المادية الثلاث: الصلبة، والسائلة، والغازية، وتلعب هذه الميّزة دوراً كبيراً في إعادة توزيع الطاقة الحراريّة في الغلاف الجوي، لأنّ التغير في حالات الماء المختلفة يحتوي على كميات هائلة من التبادل الحراري، فما يقارب ثلاثة أرباع الحرارة التي يتم نقلها في الغلاف الجوي تكون ناتجة من عمليتيّ التبخر والتكاثف للماء.
خصائص الماء الحرارية
1- يتمتع الماء بسعة حرارية عالية جدًا تبلغ 4181.4 جول / (كجم · كلفن) عند 25 درجة مئوية – وهي ثاني أعلى نسبة بين جميع الأنواع غير المتجانسة (بعد الأمونيا )، بالإضافة إلى درجة حرارة عالية للتبخر (40.65 كيلو جول / مول أو 2257 كيلو جول / كجم عند نقطة الغليان العادية)، وكلاهما ناتج عن الرابطة الهيدروجينية الواسعة بين جزيئاته وتسمح هاتان الخواص غير المعتادة للمياه بتلطيف مناخ الأرض عن طريق التخفيف من التقلبات الكبيرة في درجات الحرارة. تراكمت معظم الطاقة الإضافية المخزنة في النظام المناخي منذ عام 1970 في المحيطات.
2- المحتوى الحراري المحدد للانصهار (المعروف أكثر باسم الحرارة الكامنة) للماء هو 333.55 كيلو جول / كجم عند 0 درجة مئوية: نفس كمية الطاقة المطلوبة لإذابة الجليد بالنسبة للثلج الدافئ من -160 درجة مئوية حتى نقطة الانصهار أو لتسخين نفس الكمية من الماء بحوالي 80 درجة مئوية. من المواد الشائعة، فقط الأمونيا أعلى. هذه المقاومة يضفي خاصية ذوبان على الجليد من الأنهار الجليدية و جليد قبل وبعد ظهور التبريد الميكانيكي، كان الثلج ولا يزال شائع الاستخدام لتثبيط تلف الطعام.
3- تبلغ السعة الحرارية النوعية للجليد عند -10 درجة مئوية 2030 جول / (كجم · كلفن) والسعة الحرارية للبخار عند 100 درجة مئوية هي 2080 جول / (كجم · كلفن.
4- تبلغ كثافة الماء حوالي 1 جرام لكل سنتيمتر مكعب (62 رطل / قدم مكعب): تم استخدام هذه العلاقة في الأصل لتحديد الجرام.
تختلف الكثافة باختلاف درجة الحرارة، ولكن ليس خطيًا: مع زيادة درجة الحرارة، ترتفع الكثافة إلى ذروتها عند 3.98 درجة مئوية (39.16 درجة فهرنهايت) ثم تنخفض؛ هذا أمر غير معتاد الجليد العادي السداسي هو أيضًا أقل كثافة من الماء السائل – عند التجميد، تقل كثافة الماء بحوالي 9٪.
5- ترجع هذه التأثيرات إلى تقليل الحركة الحرارية مع التبريد، مما يسمح لجزيئات الماء بتكوين المزيد من الروابط الهيدروجينية التي تمنع الجزيئات من الاقتراب من بعضها البعض.
6- بينما تحت 4 درجات مئوية، فإن كسر الروابط الهيدروجينية بسبب التسخين يسمح لجزيئات الماء بالتجمع بشكل أقرب على الرغم من الزيادة في الحركة الحرارية (التي تميل إلى توسيع السائل)، يتوسع الماء فوق 4 درجات مئوية مع زيادة درجة الحرارة الماء بالقرب من نقطة الغليان أقل كثافة بنحو 4٪ من الماء عند 4 درجات مئوية (39 درجة فهرنهايت).
7- تحت الضغط المتزايد، يخضع الجليد لعدد من التحولات إلى أشكال متعددة أخرى ذات كثافة أعلى من الماء السائل، مثل الجليد، والجليد، والجليد غير المتبلور عالي الكثافة (HDA)، والجليد غير المتبلور عالي الكثافة (VHDA).
8- يعد منحنى الكثافة غير المعتاد وكثافة الجليد الأقل من كثافة الماء أمرًا حيويًا للحياة – إذا كان الماء أكثر كثافة عند نقطة التجمد، ففي الشتاء ستغرق المياه شديدة البرودة على سطح البحيرات والأجسام المائية الأخرى، ويمكن أن تتجمد البحيرات من من الأسفل إلى الأعلى، وستقتل كل الحياة فيها.
علاوة على ذلك، نظرًا لأن الماء عازل حراري جيد (نظرًا لقدرته الحرارية)، فقد لا تذوب بعض البحيرات المجمدة تمامًا في الصيف.
9- طبقة الجليد التي تطفو على السطح تعزل الماء تحتها.
تغرق المياه عند حوالي 4 درجات مئوية (39 درجة فهرنهايت) أيضًا في القاع، وبالتالي تحافظ على درجة حرارة الماء عند قاعها ثابتة (انظر الرسم البياني).
استخدامات الماء
يستخدم الماء في كثير من الأشياء فهي تعتبر مصدراً أساسياً للشرب، فهو ذو فائدة كبيرة للإنسان، حيث تعمل على تخفيف التعب والإرهاق، وتخفف من التوتر والقلق، وتعالج حالات الإمساك، وتقوم بعمل نقل الأكسجين بين الدم والخلايا، كما تخلص الجسم من الأملاح الزائدة، وتعزز عمليات الهضم في المعدة، كما أن للماء دوراً أساسياً للحفاظ على درجة حرارة الكرة الأرضية، وتستعمل كوسائل نقل، من خلال حمل السفن، والتنقل من مكان إلى آخر.
ويستخدم الماء في القطاع الصناعي، حيث إن إنتاج بعض السلع الصناعية يحتاج إلى كميات من الماء، كما أن له دوراً في توليد طاقة الكهرباء، من خلال المياه الجارية التي تقوم على توليد الشحنات، وتستخدم في القطاع الزراعي، لريّ النباتات، والتي تساعدها في النمو والتكاثر والنضج، وفي الترفيه من خلال المنافسة والتسابق بالسباحة، وسباق السفن.
مفهوم خصائص الماء
الماء (H2O) هو المركب الكيميائي الأكثر وفرة على سطح الأرض، ويغطي 70 في المئة من الكوكب في الطبيعة، المياه موجودة في الحالات السائلة، والصلبة والغازية.
وهو يشكل التوازن الديناميكي بين السائل والغاز في حالات درجة الحرارة والضغط القياسية في درجة حرارة الغرفة، هو السائل عديم الطعم وعديم الرائحة، ما يقرب من عديم اللون مع تلميح من اللون الأزرق.
والعديد من المواد تذوب في الماء ويشار إليها عادة باسم مذيب عام وبسبب هذا،فإن الماء في الطبيعة نادرا ما يستخدم نقيا وبعض الخصائص قد تختلف عن تلك التي تتصف بها المادة النقية.
ومع ذلك، هناك أيضا العديد من المركبات التي هي الأساس، إن لم يكن تماما، غير قابلة للذوبان في الماء والماء هو المادة الوحيدة بطبيعة الحال التي تشترك وتتواجد في جميع حالات المادة الثلاثة الشائعة وإنه من الضروري لجميع أشكال الحياة على الأرض الماء يشكل 55٪ إلى 78٪ من جسم الإنسان.
