ما هو شذوذ الماء

تعريف شذوذ الماء

يمكن تعريف شذوذ الماء (بالإنجليزية: anomalous water) بأنّه خاصّية غير اعتيادية تحدث في الماء، إذ إنه يتمدد بدلًا من أن يتقلص؛ وذلك عند انخفاض درجة الحرارة من 4 سْ إلى 0 سْ، وبالتالي تصبح كثافته أقل نتيجة زيادة حجمه بعكس الوضع الطبيعي للماء.

تفسير ظاهرة شذوذ الماء

يعود سبب حدوث ظاهرة شذوذ الماء إلى وجود قوى الجذب بين جزيئات الماء والتي يُطلق عليها اسم الروابط الهيدروجينية، مما يجعل ذرات الماء متماسكة ومترابطة في الحالة السائلة، ومع انخفاض درجة الحرارة، يقل معدل حركة جزيئات الماء بسبب فقدانها للطاقة.

وباستمرار انخفاض درجة الحرارة تتعرض جزيئات الماء إلى الانكماش بسبب جذب روابط جزيء الماء لبعضها البعض، وتصبح كثافتها أعلى بحيث تصل عند درجة حرارة 4 مئوية إلى أعلى مستوى ممكن، بعدها تكون جزيئات الماء غير قادرة على التقلص أكثر، وتتفكك الروابط الهيدروجينية بين جزيئاته فتنخفض الكثافة ويزيد حجم الماء.

حالات شذوذ الماء وأبرز ظواهرها

تُقسّم حالات شذوذ الماء إلى عدّة مجموعات، مع الأخذ بعين الاعتبار إمكانيّة شمول العديد من حالات الشذوذ ضمن أكثر من مجموعة واحدة، إذ لا يوجد اتفاق عالميّ واضح لتلك المجموعات.

شذوذ حالات الماء

تشمل حالات الماء العديد من الحالات الشاذة وهي كالآتي:

• درجة انصهار الماء مرتفعة بشكل غير اعتيادي.
• درجة غليان الماء مرتفعة بشكل غير اعتيادي.
• النقطة الحرجة* للماء مرتفعة بشكل غير اعتيادي.
• تكوين الماء مجموعة واسعة من الهياكل البلوريّة بترتيبات مختلفة قد تكون مستقرّةً أو غير مستقرّة، وذلك عند تحوّله إلى الحالة الصلبة.
• وجود علاقة عكسيّة بين كلّ من معامل القص*، والموصليّة الحراريّة، وسرعة الصوت في الجليد، مع الضغط.
• تغيُّر هيكلة الماء أثناء وجوده في الحالة السائلة بزيادة الضغط عليه.
• وجود الماء فائق التبريد بحالتين، ووجود نقطة حرجة ثانية عند بلوغ درجة حرارته 91- درجةً مئويةً.
• إمكانية تجميد الماء السائل بصعوبة، وتبريده تبريداً فائقاً بسهولة.
• إمكانية إنتاج ماء سائل ذي برودة فائقة وتحويله إلى مادة صلبة بلوريّة (جليد) عند تسخينه.
• سهولة رفع درجة حرارة الماء السائل وتسخينه تسخيناً فائقاً.
• تجمّد الماء الأكثر سخونةً بسرعةٍ أكبر من الماء البارد ، وهو ما يُعرف بتأثير مابيما (بالإنجليزيّة: Mpemba Effect).
• تذبذب الماء الدافئ لفترات أطول من تذبذب الماء البارد.
• تقلّص جزيئات الماء عند ارتفاع درجة حرارته، وتتمدّدها عند تعرّضها للضغط.

شذوذ كثافة الماء

تشمل كثافة الماء العديد من الحالات الشاذة وهي كالآتي:

• تزداد كثافة الجليد عند تسخينه لدرجة حرارة أعلى من 203- درجة مئوية.
• تقلّ نقطة انصهار الجليد عند تعرّضه للضغط.
• تزداد كثافة الماء السائل أثناء التسخين إلى أن يصل لأعلى كثافة له عند درجات الحرارة الأعلى من 3.984 درجة مئوية.
• تكون كثافة سطح الماء الملامس للهواء أكبر من كثافة الجزء الداخلي منه.
• تؤدّي زيادة الضغط على الماء إلى تقليل درجة حرارة الحدّ الأقصى للكثافة.
• يتميّز الماء معامل تمدّد حراري* منخفض.
• تنخفض قيمة معامل التمدّد الحراري للماء بشكل متزايد إلى أن تُصبح قيمته سالبةً عند درجات الحرارة المنخفضة.
• تؤدّي زيادة الضغط إلى ارتفاع قيمة معامل التمدّد الحراري للماء.
• كلّ جزيء ماء سداسي الشكل في الجليد يكون لديه أربعة جزيئات قريبة منه، وعند انصهار الجليد فإنّ عدد الجزيئات الأقرب من مكان الانصهار سيزداد، كما يزداد عددها بارتفاع درجة الحرارة.
• تكون قيمة انضغاطية* الماء منخفضة بشكل غير اعتيادي.
• تنخفض قيمة انضغاطية الماء إلى حدّ أدنى بارتفاع درجة الحرارة إلى 46.5 درجة مئوية.
• يوجد حدّ أقصى للعلاقة التي تربط الانضغاطية مع درجة الحرارة.
• تزداد سرعة الصوت في الماء عند ارتفاع درجة حرارته إلى أعلى من 74 درجةً مئويةً.
• تنحرف سرعة الصوت في الماء في درجات الحرارة المنخفضة لتصل إلى حدّ أدنى لها.
• تزداد سرعة الصوت في الماء عند تعريضه لتردّدات عالية، كما ينقطع الصوت عند الضغط العالي.
• يقل وقت الاسترخاء* بشكل كبيرعند انخفاض درجات الحرارة أثناء تعريض الماء لرنين مغناطيسي.
• يزيد تغيّر التحوّل الكيميائي للرنين المغناطيسي النووي (NMR) في الماء فائق البرودة.
• يصل معامل انكسار الماء* إلى الحدّ الأقصى عندما تكون درجة حرارة الماء أقل من 0 درجة مئوية.
• يتغيّر حجم الماء بصورة كبيرة عند تحوّله من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية.

شذوذ المواد المائية

تشمل المواد المائية العديد من الحالات الشاذة وهي كالآتي:

• عدم القدرة على تكوين محلول مائيّ بصورة مثاليّة، أيّ عدم القدرة على تكوين محلول مائيّ دون أن يتأثّر تركيب المُذيب بالمادة المذابة.
• تختلف الخصائص الفيزيائية لكلّ من المُركّب الكيميائي أكسيد الديوتريوم (D₂O) أو ما يُعرف بالماء الثقيل والمُركّب الكيميائي أكسيد التريتيوم (T₂O) أو ما يُعرف بالمياه فائقة الثقل، عن الخصائص الفيزيائية للماء ذي الصيغة الكيميائية (H₂O).
• يختلف سلوك الماء (H₂O) عن سلوك أكسيد الديوتريوم (D₂O) بشكل كبير خلال مرورهما في الحالات المختلفة من صلابة وسيولة وغازية.
• يزداد متوسط الطاقة الحركيّة لذرات الهيدروجين عند انخفاض درجة حرارة الماء.
• تؤثّر المواد المُذابة في خصائص الماء كلزوجته وكثافته بدرجات متفاوتة.
• نخفض قابلية الغازات غير القطبية للذوبان إلى الحدّ الأدنى عند ارتفاع درجة الحرارة ثمّ تعود لترتفع.
• تكون قيمة ثابت العزل الكهربائي لكلّ من الماء والجليد مرتفعةً.
• تُظهر النفاذيّة النسبيّة للكهرباء في الماء درجات حرارة قصوى.
• تُظهر النفاذية النسبيّة للكهرباء سلوكاً شاذاً عن باقي المواد عند بلوغ درجة الحرارة 60 درجةً مئويةً.
• يصل الجزء التخيّلي من ثابت العزل الكهربائي (بالإنجليزية: The imaginary part of the dielectric constant) إلى الحد الأدنى عند بلوغ درجة الحرارة 253- درجةً مئويةً.
• تُصبح حركة البروتون وأيون الهيدروكسيد سريعة الشذوذ عند تعريض الماء لمجال كهربائيّ.
• ترتفع الموصليّة الكهربائية للماء بشكل كبير باختلاف التردد.
• ترتفع الموصليّة الكهربائية للماء إلى الحدّ الأقصى لها عند درجة حرارة 230 درجة مئوية.
• تتغيّر درجة حموضة الأحماض الضعيفة تبعاً لتغيّر درجة حرارتها.
• يُظهر حيود الأشعة السينيّة هيكلاً غير اعتيادي لجزيئات الماء.
• تتباعد جزيئات الماء عن بعضها البعض بزيادة الضغط بصورة كبيرة جداً، وهذه الحالة تُعرف بمفارقة الكثافة (بالإنجليزية: Density Paradox).
• يُسبّب امتصاص الماء الموجود في الهواء الرطب اختلافاً في الخصائص الكهربائيّة لسطح الماء ممّا يُسبب مقاومةً سلبيّةً.

شذوذ الماء الفيزيائي

تشمل خصائص الماء الفيزيائيّة العديد من الحالات الشاذة وهي كالآتي:

• تُعتبر قيمة لزوجة الماء مرتفعةً بشكل غير اعتيادي.
• تزداد قيمة لزوجة الماء بانخفاض درجة الحرارة.
• تقل لزوجة الماء بزيادة الضغط عندما تكون درجة حرارة الماء أقل من 33 درجةً مئويةً.
• تنخفض قدرة الماء على الانتشار* بشكل كبير بانخفاض درجة الحرارة.
• تؤدّي زيادة كلّ من الكثافة والضغط إلى زيادة الانتشار الذاتي للماء، وذلك عند انخفاض درجات الحرارة.
• يزيد معامل الانتشار الحراري للماء عند درجات الحرارة المنخفضة، ويصل إلى 0.8 جيجا باسكال كحدّ أقصى.
• يتميّز الماء بظاهرة التوتر السطحي*.
• تتغيّر قيمة التوتر السطحي وفقاً لتركيز الأملاح، فبعضها يُقلّل من قيمته إلى الحدّ الأدنى، وهو ما يُطلق عليه بتأثير (Jones-Ray).
• تمنع تركيزات بعض الأملاح تمازج فقاعات الماء الصغيرة.
• يعتمد الحجم الأيوني المولي للأملاح على درجات الحرارة، ويصل إلى الحدّ الأعلى عند ارتفاع درجة الحرارة.

شذوذ الماء الحراري

تشمل خصائص الماء الحرارية العديد من الحالات الشاذة وهي كالآتي:

• تتغيّر حرارة الاندماج* للماء مع تغيّر درجة الحرارة، ويبلغ هذا التغيّر حدّه الأقصى عند درجة حرارة 17- درجةً مئويةً.
• تبلغ قيمة السعة الحرارية* المحدودة للماء ضعف السعة الحرارية المحدودة للثلج والبخار.
• تكون قيمة السعة الحرارية المحدودة للماء مرتفعةً بشكلٍ غير اعتيادي.
• تصل السعة الحرارية المحدودة للماء إلى أدنى قيمة لها عند درجة حرارة 36 درجةً مئويةً.
• تصل السعة الحرارية المحدودة للماء إلى أعلى قيمة لها عند درجة حرارة 45- درجةً مئويةً.
• يرتبط بلوغ السعة الحرارية المحدودة للماء للحد الأدنى بقيمة الضغط.
• يوجد حد أقصى للسعة الحرارية للماء.
• للماء أعلى درجة حرارة تبخّر.
• للماء أعلى درجة حرارة تسامي.
• للماء قصور حراري عالي الشذوذ من التبخير.
• تكون قيمة الموصليّة الحراريّة للماء مرتفعةً، وتبلغ الحد الأقصى لها عند درجة حرارة 130 درجةً مئويةً.

ظواهر مرتبطة بحالات شذوذ الماء

يوجد العديد من المظاهر المرتبطة بحالات شذوذ الماء، ومنها ما يأتي:

انخفاض كثافة الحالة الصلبة للماء مقارنةً بكثافته في الحالة السائلة

يوجد عدد قليل من المواد الكيميائية التي تكون كثافتها في الحالة الصلبة أقل منها في الحالة السائلة، والماء يُعدّ إحدى هذه المواد، إذ تستمر كثافة الماء بالارتفاع مع انخفاض درجة الحرارة، وهكذا حتّى تصل درجة الحرارة إلى 4 درجات مئوية، حيث تصل عندها كثافة الماء إلى أعلى قيمة لها.

وهذا يُفسّر سبب طفو الجليد فوق الماء السائل ، ممّا يُساعد على استمرار الحياة المائية أسفل الجليد في المناطق الباردة، ولو كانت كثافة الجليد أكبر لغرق أسفل الماء وترسّب في القاع كطبقات وانعدمت الحياة المائية.

ارتفاع درجة انصهار وغليان الماء بشكل غير اعتيادي

بالنظر إلى الصيغة الكيميائية للماء (H₂O) يكون من المتوقع أن تكون درجة غليانه أقل من 100 درجة مئوية، ودرجة انصهاره أقل من 0 درجة مئوية، وبمقارنة درجة انصهار وغليان مُركّب كبريتيد الهيدروجين (وهو مُركّب شبيه بالماء إلّا أنّه أثقل منه لأنّه يحوي ذرة كبريت بدلاً من ذرة الأكسجين) مع الماء يُلاحظ أنّ درجة غليانه تبلغ 60- درجةً مئويةً، ودرجة انصهاره تبلغ 86- درجةً مئويةً.

ويوجد في الحالة الغازية في حرارة الغرفة، يتمّ استنتاج أنّ الماء ينبغي أن يتواجد كغاز في حرارة الغرفة حسب صيغته، لكن وجود الماء في الحالة السائلة حتّى يبلغ 100 درجة مئوية يُساعد على الاستفادة منه في استمرار الحياة وقيام الكائنات الحية بالوظائف الحيوية.

الماء مذيب ممتاز

للماء القدرة على إذابة كميات غير اعتيادية من المواد الكيميائية بجميع حالاتها الصلبة والسائلة والغازية، فهو قادر على إذابة الجزيئات القطبية؛ كالكربوهيدرات، والأحماض، والأمينات، والمُركّبات شبه القلوية، أو المواد الأيونيّة غير العضوية مثل كلوريد الصوديوم؛ لذا يُعتبر الماء مذيباً مثاليّاً.

وتعود قدرة الماء على الإذابة إلى قدرة روابط الهيدروجين على العزل سواء جزيء بواسطة جزيء أو أيون بواسطة أيون، وبناءً على ذلك فإنّ الجزيئات التي يكون لها قابلية صغيرة للذوبان تكون غير قادرة على تكوين روابط هيدروجينية خارج جزيئاتها إضافةً إلى عدم وجود روابط شديدة الاستقطاب فيها.

ارتفاع قيمة التوتّر السطحي للماء بشكل غير اعتيادي

تصل قيمة التوتر السطحي للماء 7.2E 9 نيوتن/م، وهي أعلى قيمة توتر سطحي لجميع السوائل المعروفة، فعند وقوف حشرة ما على سطح الماء فإنّ جزيئات الماء تميل إلى التماسك والانحناء تحت تأثير ضغط الحشرة عليها لمقاومة قوة وزن الحشرة، وتُساعد هذه الظاهرة على تشكيل قطرات الماء المهمّة في الفيزيولوجيا الخلويّة.

ارتفاع السعة الحرارية للماء بشكلٍ غير اعتيادي

فمن أجل رفع درجة حرارة الماء إلى مقدار معيّن، يتمّ استخدام كميّة كبيرة من الطاقة الحراريّة، وذلك لإحداث اختلال في هياكل الجزيئات الرباعية السطوح دون الحاجة لزيادة الطاقة الحركية لها.

أهمية ظاهرة شذوذ الماء

يعتمد استمرار الحياة بشكل كبير على خاصيّة شذوذ الماء لما لها من أهميّة كبيرة، وذلك كالآتي:

• تُساهم خاصية التوصيل الحراري للماء وارتفاع السعة الحرارية له في تنظيم درجات الحرارة ومنع تقلّبها.
• يُساهم ارتفاع قيمة الحرارة الكامنة لتبخر الماء في مقاومة الجفاف.
• يُعتبر الماء مذيباً جيّداً للعديد من المُركّبات الكيميائيّة وخصوصاً الأملاح الأيونيّة والقطبيّة؛ وذلك بسبب قطبيّته العالية وارتفاع قيمة معامل العزل فيه.
• يتميّز الماء بخصائص هيدراتيّة (بالإنجليزية: Hydration properties) فريدة تجاه الجزيئات البيولوجية خصوصاً الأحماض النووية والبروتونات، ممّا يُحدّد بُنياتها ثلاثيّة الأبعاد إضافةً لتحديد وظائفها داخل المحلول، كما أنّ تلك الخصائص الهيدراتيّة تُساعد على تشكيل المواد الهلاميّة التي تُعتبر عاملاً أساسيّاً لإتمام العديد من الوظائف والآليّات الخلويّة.
• استمرار الحياة المائيّة في المناخات الباردة بسبب خاصيّة وصول كثافة الماء لأقصى حدّ لها عند درجة حرارة 4 درجات مئوية (أعلى من درجة التجمّد بقليل) والتي تُعتبر إحدى أهم الخصائص الشاذة للماء، فعند انخفاض درجة حرارة الجو تبدأ درجة حرارة الماء بالانخفاض وبالتالي تزيد كثافة الماء، وتستمر الكثافة بالازدياد مع استمرار الانخفاض في درجات الحرارة حتّى تصل درجة الحرارة إلى 4 درجات مئوية، وعندها يصل الماء لأعلى قيمة كثافة له، ثمّ تبدأ المياه الموجودة على السطح بالهبوط لارتفاع كثافتها، ويكون الماء في الأسفل أدفأ من الماء الموجود على السطح، فيتجمّد الماء في الأعلى مع بقاء الماء في الأسفل في الحالة السائلة ممّا يحمي الكائنات الحية التي تعيش في المسطّحات المائيّة المختلفة؛ كالبحيرات والبرك الموجودة في المناطق ذات المناخات الباردة جداً.

• النقطة الحرجة (بالإنجليزية: Critical point): النقطة من الضغط ودرجة الحرارة التي لا يوجد فيها فواصل واضحة بين حالات المادة الصلبة والسائلة والغازية.
• معامل القص (بالإنجليزية: Shear modulus): خاصيّة فيزيائيّة للمواد تُمثّل النسبة بين إجهاد القص وانفعال القص.
• معامل التمدّد الحراري (بالإنجليزية: Coefficient of Thermal Expansion): مقياس لتغيّر أبعاد المواد عند تغيّر درجة حرارتها.
• الانضغاطية (بالإنجليزية: Compressibility): مقدار تغيّر حجم المادة السائلة أو الصلبة عند زيادة الضغط عليها.
• وقت الاسترخاء (بالإنجليزية: Relaxation Time): الوقت اللازم للوصول إلى اتزان حراريّ بعد التعرّض لحقل مغناطيسي.
• معامل انكسار الماء (بالإنجليزية: Refractive Index of water): مقياس انكسار الأشعة الضوئية عند اختراقها للماء.
• الانتشار (بالإنجليزية: Diffusion): توزيع الجزيئات، أو الذرات، أو الحبيبات بشكل متساوٍ في فراغ أو في حيّز متاح أو تخلّلها خلال حاجز غشائي.
• التوتر السطحي (بالإنجليزية: Surface tension): خاصية تجعل سطح السائل مقاوماً لأيّة قوة خارجية بسبب وجود قوة تماسك بين جزيئاته.
• حرارة الاندماج (بالإنجليزية: Heat of fusion): كميّة الحرارة اللازمة لتحويل المادة من حالة إلى أخرى لكلّ واحد كيلو جرام من المادة.
• السعة الحرارية (بالإنجليزية: Heat capacity): مدى قابلية مادة ما لتخزين الطاقة الحرارية.