الخواص الفيزيائية والكيميائية للماء

الماء

يُعرف الماء بأنه المادة المكونة من عناصر الهيدروجين، والأكسجين، والذي يمكن أن يتواجد في جميع حالات المادة الغازية، والسائلة، والصلبة، ويكون في درجة حرارة الغرفة سائلاً، ولا طعم له، أو رائحة، أما بالنسبة للونه فإنه يظهر عديم اللون عند وجود كميات قليلة منه، وواقعياً فإنه يظهر بلون أزرق نقي نتيجة امتصاصه للضوء بأطوال موجية حمراء بشكل طفيف، ويمتلك الماء القدرة على إذابة العديد من المواد، مما يجعله ضرورياً لحياة الكائنات الحية المختلفة، إذ تعتمد هذه الكائنات على العديد من المحاليل المائية كالدم، والعصارة الهضمية.

عدّ أرسطو الماء واحداً من العناصر الأساسية الأربعة إلى جانب الأرض، والهواء ، والنار، وقد ظل الاعتقاد بأنه أساسي لمدة تصل إلى أكثر من ألفي سنة، حيث أظهرت التجارب التي تمت في النصف الثاني من القرن الثامن عشر أنه عبارة عن مركب يتكون من الأكسجين والهيدروجين. يغطي الماء أجزاءً كبيرة من سطح الأرض ، حيث تشكل المياه في المحيطات نسبة 97.25%، بينما تشكل الأنهار الجليدية والأغطية القطبية نسبة 2.05%، مع وجوده بتوازن في بحيرات الماء العذب، والأنهار، والمياه الجوفية، وبسبب التزايد في عدد السكان في العالم زاد الطلب على المياه النقية العذبة، لذا أصبح هناك اهتمام كبير في مجال تنقية الماء، وإعادة تدويره.

الخواص الفيزيائية للماء

للماء العديد من الخصائص الفيزيائية ، ومن أهمها ما يأتي:

• الحرارة النوعية العالية: تُعرف الحرارة النوعية بأنها كمية الطاقة اللازمة لتغيير درجة حرارة المادة ، ويمتلك الماء حرارة نوعية عالية، أي أنه يلزمه كمية كبيرة من الطاقة حتى تتغير حرارته بارتفاع، كما أنه يُطلق الطاقة الحرارية بشكل بطيئ عندما يتم تبريده، وتفيد الحرارة النوعية العالية للماء في العديد من الحالات كاعتدال المناخ في الأرض، ومُساعدة الكائنات الحية على تنظيم درجة حرارة أجسامها بصورة فعّالة أكثر.
• التمدد: يمتلك الماء خاصية التمدد عندما يتم تجميد جزيئاته، حيث تصبح لكتلة هذه الجزيئات حجماً أكبر بنسبة تصل إلى 9%، وتكون الكثافة القصوى للماء العذب عندما تساوي درجة حرارته أربع درجات مئوية تقريباً، ويعد الماء المادة الوحيدة في هذا الكوكب التي لا تكون كثافة كتلتها القصوى عندما تكون المادة متجمدة وصلبة.
• التوتر السطحي: يمتلك الماء خاصية التوتر السطحي (بالإنجليزية: Surface Tension)، والتي تعطيه القدرة على حمل الأشياء الصغيرة نتيجة وجود الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء المتجاورة، والتي تشكل طبقة رقيقة على السطح.
• الخاصية الشعرية: تتكون الخاصية الشعرية (بالإنجليزية: Capillary action) في الماء نتيجة التوتر السطحي فيه، والتي من الممكن رؤيتها في النباتات مثلاً عند امتصاصها للماء من التربة ، إذ تلتصق جزيئات الماء بسطح أنابيب المياه الداخلية لها، مما يؤدي إلى محاولة تسطيحها بفعل التوتر السطحي، الأمر الذي يسبب ارتفاع الماء في النبات لتتماسك فيما بينها من جديد، وتستمر هذه العملية لتشكيل كمية كافية منه تسبب سحبه بفعل الجاذبية.

الخواص الكيميائية للماء

للماء العديد من الخواص الكيميائية، ومن أهمها ما يأتي:

• قطبية الجزيئات: يحمل جزيء الماء شحنةً متعادلة بشكل عام، وعلى الرغم من ذلك فإن أيون الهيدروجين فيه يميل إلى أن يحمل الشحنة الموجبة جزئياً، أما أيون الأكسجين فيحمل الشحنة السالبة بشكل جزئي، مما يكون رابطةً كهروستاتيكية بين الأيونين ، أو الجزيئات القطبية (بالإنجليزية: polar molecule)، وتعرف بالرابطة الهيدروجينية.
• الطبيعة الأمفوتيرية: يمتلك الماء طبيعةً أمفوتيرية متذبذبة ( بالإنجليزية: Amphoteric Nature)، والتي تعني قدرته على التصرف كحمض (مُعطٍ للبروتون)، أو قاعدة (مستقبل للبروتون)، ويتصرف الماء كحمض للقواعد الأقوى منه، ويعد قاعدةً للأحماض الأقوى منه، ويبين التفاعل الآتي تصرف الماء كقاعدة مع حمض HCL:

-H2O (l) HCl (aq) ⇌ H3O Cl

أما التفاعل الآتي فيمثل تصرف الماء كحمض مع القاعدة NH 3:

-H2O (l) NH3 (aq) ⇌ NH4 OH

• الإذابة: يمتلك الماء قدرة إذابة عالية لعدد كبير من المركبات الكيميائية المتعددة، مما يضيف له ميزة احتواء المغذيات المذابة المختلفة كاحتوائها في المياه الجوفية، أو الكائنات الحية ، أو المياه الجارية.
• التعادل الحمضي: يكون الماء في الحالة النقية متعادلاً، أي أنه لا يكون حمضياً، أو قاعدياً، وقد تتغير درجة حموضة الماء PH عندما تتحلل المواد فيه، فمثلاً يمتلك المطر في الحالة الطبيعية له درجة حموضة تساوي 5.6 تقريباً، وذلك بسبب احتوائه على ثاني أكسيد الكربون المشتق، وثاني أكسيد الكبريت.
• التبخر: يمتلك الماء خاصية التبخر (بالإنجليزية: Vaporation)، والتي يمكن الحصول من خلالها على إجمالي محتوى ما فيه من المواد الصلبة العالقة، والذائبة، ويكون ذلك بواسطة تبخير عينة من الماء، ووزن المواد الجافة الباقية، ووزن المخلفات على ورق الترشيح، وتساوي الكمية المسموحة للمواد الصلبة الموجودة في الماء حوالي 500 جزء في المليون منها.
• محتوى الكلوريد: يعد محتوى الكلوريد في الماء إحدى الخصائص الكيميائية له، والذي يجب ألا يزيد عن 250 جزء في المليون للمياه المعالجة، ويمكن قياس محتوى الكلوريد في الماء بشكل دقيق عن طريق معايرته باستخدام محلول نترات الفضة القياسي عن طريق كرومات البوتاسيوم كمؤشر.
• التماسك: يمتلك الماء خاصية التماسك (بالإنجليزية: Cohesion) التي تعد خاصيةً رئيسية فيه، والتي توجد بفعل قطبية جزيئاته، حيث تنجذب جزيئات الماء إلى بعضها البعض لتتكون الروابط الهيدروجينية بينها، وبسبب تماسك الماء يبقى سائلاً عند درجات الحرارة الطبيعية، ولا يتبخر إلى غاز، ويتسبب التماسك أيضاً في زيادة التوتر السطحي له.