الخصائص الفيزيائية والكيميائية للماء

الخصائص الفيزيائية والكيميائية للماء وكذلك خصائص الماء، كما سنقوم بذكر مفهوم خصائص الماء، وكذلك سنتحدث عن صفات ومميزات الماء، وكل هذا من خلال مقالنا هذا تابعوا معنا.

الخصائص الفيزيائية والكيميائية للماء

1- الخصائص الفيزيائية:
– الإذابة (بالإنجليزية: solvability):
يطلق على الماء المذيب الشامل وذلك لأنه يذيب الكثير من المواد مقارنةً بالسوائل الأخرى، لذلك أينما وجد سواءاً في اجسادنا أو على الأرض، فإنه يحمل معه مواد غذائية ومعادن ومواد كيميائية، والجدير ذكره أنّه حتى تذوب مادّة في الماء فيجب أن تكون من الموادّ المتقطبة؛ وذلك لأنّ الماء من المواد المتقطبة لذا يُعدّ من أفضل المواد المذيبة.
– الحرارة النوعيّة (بالإنجليزية: specific heat):
هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 1كغم من الماء درجة مئوية واحدة وتبلغ الحرارة النوعية للماء 4.184 جول/كغ، وهذا يجعل الماء يمتصّ الحرارة من الوسط الموجود فيه بفعاليّة كبيرة، وهذا ما يفسّر قيام أصحاب المحالّ التجارية برشّ الماء أمام محلّاتهم لتبريدها.
– التوتّر السّطحيّ (بالإنجليزية: surface tension):
والمقصود به هو ترابط سطح الماء بحيث يبدو كطبقة مرنة تمنع الأجسام الصغيرة من الغوص داخلها، وتتشكل هذة الظاهرة بسبب قوى التماسك بين جزيئات الماء نفسها، ومن الأمثلة على التوتر السطحي:
– مشي الحشرات على سطح الماء.
– طفو الابرة على سطح الماء.
– استدارة الفقاعات.
– شكل قطرات المطر الدائري.
– الخاصية الشعرية (بالإنجليزية: capillarity):
تعرّف بأنها حركة الماء داخل الفراغات بسبب قوى التلاصق والتماسك والتوتر السطحي، وهذه الخاصيّة للماء تفسّر ارتفاع الماء في الأوعية الشّعرية في الأشجار؛ لتوصل الغذاء إلى أجزاء الشّجرة.
– التماسك والتلاصق (بالإنجليزية: cohesion and adhesion):
التماسك هو انجذاب جزيئات الماء الى بعضها البعض، بينما التلاصق هو تجاذب جزيئات الماء الى جزيئات مواد أخرى.
– شذوذ الماء (بالإنجليزية: Negative thermal expansion):
تتمثّل هذه الخاصية بزيادة حجم الماء عند تحوّله إلى جليد، إذ إنّه عندما يتجمّد تقلّ كثافتة ويزداد حجمه بالتالي هو شذّ عن السلوك الطبيعي للسوائل، فيطفو على سطح الماء، وينفرد الماء وحده فقط بهذه الخاصّيّة، وهي مهمّة كثيراً للكائنات الحيّة المائيّة، فعندما تنخفض درجة الحرارة في الغلاف الجوّي تتجمّد الطّبقة الأولى من المسطّح المائيّ ويتمدّد حجمها وتقلّ كثافها، وتطفو على السّطح، وتشكّل عازلاً بين أسفل الحوض والحرارة الباردة في الغلاف الجوي.
2- الخصائص الكيميائية:
– التّعادل الحمضيّ (بالإنجليزية: neutral PH):
درجتا القاعديّة والحمضيّة (بالإنجليزية: PH) في الماء تساويان سبعة، وهذا يعني أنّ الماء مُتعادل كيميائيّاً، ولا يُعدّ مادّةً قاعديّة أو حمضيّة، كما أن ارتفاع أو انخفاض درجة الحموضة بشكل كبير يكون على الغالب ضاراً لاستخدام المياه. ارتفاع درجة الحموضة يسبب طعم مر، وتزداد الترسبات الكلسية داخل أنابيب المياه والأجهزة التي تستخدم الماء، ويقلل من فعالية تطهير الكلور، مما يؤدي الى الحاجة إلى كميات كلور إضافية، ويؤدي انخفاض درجة الحموضة إلى تآكل أو إذابة المعادن والمواد الأخرى وبالتالي يمكن أن تضر الحيوانات والنباتات التي تعيش داخل التجمعات المائية.
– عسر الماء (بالإنجليزية: hardness):
يمكن وصفه على أنه كمية الكالسيوم والمغنيسيوم المذابة في الماء، وكلما زادت نسبة العسورة تقل قدرة الصابون على الذوبان في الماء.
– الموصلية الكهربائية (بالإنجليزية: conductivity):
وهي قدرة المادة على توصيل الكهرباء، والماء النقي بشكل عام غير موصل للكهرباء، لكن عند وجود مواد ذائبة داخل الماء يصبح موصلا بسبب الأيونات الموجودة والناتجة عن الذوبان.
– القلوية (بالإنجليزية: alkalinity):
وهي خاصية تعتمد على وجود مواد كيميائية معينة في الماء، مثل البيكربونات والكربونات والهيدروكسيدات، وتعد مقياسا لقدرة الماء على معادلة الحموض والقواعد إذا أُضيفت إليها، والتحول المفاجئ في الرقم الهيدروجيني غير صحي للأسماك والكائنات الحية التي تعيش في الماء، كما أن المياه ذات القلوية العالية قدرة أكبر على الحفاظ على درجة حموضة ثابتة إلى حد ما.
– الرابطة التشاركية القوية (بالإنجليزية: hydrogen bond):
فجُزيء الماء يتكوّن من ذرّتين من الهيدروجين وذرّة واحدة من الأكسجين، وهذه الأجزاء ترتبط مع بعضها البعض بالرّوابط الهيدروجينيّة، وهذه الروابط من اقوى انواع الروابط.

خصائص الماء

1- 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.
2- 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.
3- 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.
4- 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.
5- 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.
6- 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.

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.
-العديد 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.
– الماء 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.

صفات ومميزات الماء

– تميل جزيئات الماء للتصرف كمجموعات مترابطة وليس كجزيئات منفصلة ، ومجموعات جزيئات الماء تكون محتوية على فراغات.
– يتمدد الماء وينكمش بالبرودة شأنه في ذلك شأن كل السوائل والغازات والأجسام الصلبة، إلا أنه يسلك سلوكا شاذا تحت درجة 4 م حيث أنّه يتمدد بدلا من أن ينكمش وهذا يجعل ثقله النسبي (أي كثافته) يقل بدلا من أن يزيد وبذلك يخف فيرتفع إلى الأعلى، وعندما يتجمد في درجة الصفر المئوي يكون تجمده فقط على السطح بينما في الأسفل يكون الماء سائلا في درجة 4 م، وفي ذلك حماية كبيرة للأحياء التي تعيش في الماء.
– 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.
– الإذابة: الماء مادة مذيبة، وهذا يعني أنه من الممكن إذابة الكثير من الأملاح والمواد في الماء والماء الموجود في الطبيعة لا يتواجد بشكل نقي 100% وذلك بسبب وجود الأملاح والغازات في الماء الموجود بالطبيعة، لكي تذوب مادة في الماء يجب أن تحتوي على أيونات حرة، أو أن تكون مادة متقطبة (لأن “المثل يذوب بالمثل” والماء مادة متقطبة لهذا السبب يعتبر الماء مذيبا جيدا للمواد).
– التوصيل للكهرباء: الماء مادة موصلة سيئة للكهرباء ، ولكن بما أن الماء مادة مذيبة، فعند إذابة الأملاح في الماء، أو إذابة مواد أخرى، يصبح الماء موصلا جيدا للكهرباء .
– التماسك: حيث تنجذب جزيئات الماء إلى بعضها البعض بواسطة وجود أربطة هيدروجينية بينها، وهذه الصفة تساعد على ارتفاع الماء في الأوعية الخشبية للنبتة .
– التلاصق: للماء مقدرة للالتصاق بجدران الأنابيب مما يعطيها شكل الأنابيب، وهذه الصفة أيضًا تساعد في ارتفاع الماء.