الماء
الماء هو مركب يتكون من عناصر الهيدروجين والأكسجين، ويتواجد في جميع حالات المواد: الغازية، والسائلة، والصلبة. في درجة حرارة الغرفة، يكون الماء في حالته السائلة، وهو بلا طعم أو رائحة. أما لونه، فإنه يظهر في شكل عديم اللون عند وجود كميات قليلة، ولكنه يبدو بلون أزرق نقياً نتيجة لامتصاصه للطيف الأحمر من الضوء. يُعتبر الماء مذيباً ممتازاً لمجموعة واسعة من المواد، مما يجعله عنصرًا حيويًا للكائنات الحية، التي تعتمد على المحاليل المائية كالعصارة الهضمية والدم.
عرف الفيلسوف أرسطو الماء كواحد من العناصر الأساسية الأربعة، إلى جانب الهواء، والنار، والأرض، وقد استمر هذا الاعتقاد لأكثر من ألفي عام. ومع ذلك، فإن التجارب التي أجريت في النصف الثاني من القرن الثامن عشر كشفت عن طبيعة الماء كمركب يتكون من الأكسجين والهيدروجين. تغطي المياه حوالي 97.25% من سطح الأرض في المحيطات، بينما تشغل الأنهار الجليدية والأغطية القطبية 2.05%، مع وجود كميات متوازنة في البحيرات والمياه الجوفية. ونتيجة لزيادة عدد سكان العالم، تضاعف الطلب على المياه العذبة، مما أدى إلى زيادة الاهتمام بتقنيات تنقية وإعادة تدوير الماء.
الخواص الفيزيائية للماء
يمتاز الماء بعدد من الخصائص الفيزيائية، ومن أبرزها:
- الحرارة النوعية العالية: تشير الحرارة النوعية إلى مقدار الطاقة اللازمة لتغيير درجة حرارة مادة معينة. يتمتع الماء بحرارة نوعية مرتفعة، مما يتطلب كمية كبيرة من الطاقة لرفع حرارته، كما أنه يطلق الطاقة الحرارية ببطء عند التبريد. تساعد هذه الخاصية في الحفاظ على مناخ معتدل على سطح الأرض، مما يُمكن الكائنات الحية من تنظيم درجة حرارة أجسامها بشكل فعّال.
- التمدد: يحدث تمدد للماء عندما يتجمد، مما يزيد من حجم كتلته بنسبة قد تصل إلى 9%. وتبلغ الكثافة القصوى للماء العذب عند درجة حرارة حوالي أربع درجات مئوية. ويعد الماء المادة الوحيدة التي لا تبلغ كثافة كتلتها القصوى حينما تتجمد.
- التوتر السطحي: يتيح التوتر السطحي للماء، الناتج عن الروابط الهيدروجينية بين الجزيئات، حمل أشياء صغيرة، مما يشكل طبقة رقيقة على سطحه.
- الخاصية الشعرية: تنشأ الخاصية الشعرية نتيجة للتوتر السطحي في الماء، ويمكن ملاحظتها في النباتات عندما تمتص الماء من التربة، حيث تلتصق جزيئات الماء بأنابيبها، ما يساعد على رفعه بفعل الجاذبية.
الخواص الكيميائية للماء
يتمتع الماء بعدد من الخصائص الكيميائية الهامة، ومنها:
- القطبية الجزيئية: يتميز جزيء الماء بشحنة متعادلة بشكل عام، إلا أن أيون الهيدروجين يحمل شحنة موجبة جزئيًا، بينما يحمل أيون الأكسجين شحنة سالبة جزئيًا، مما يشكل رابطة كهرستاتيكية تعرف بالرابطة الهيدروجينية.
- الطبيعة الأمفوتيرية: يمتاز الماء بأنه يمكن أن يعمل كحمض أو قاعدة. فهو يتصرف كحمض مع قواعد أقوى منه، ويكون قاعدة مع الأحماض الأقوى. ويظهر التفاعل التالي تصرف الماء كقاعدة مع حمض HCL:
H2O (l) + HCl (aq) ⇌ H3O+ + Cl
بينما يمثل التفاعل التالي تصرف الماء كحمض مع القاعدة NH3:
H2O (l) + NH3 (aq) ⇌ NH4+ + OH
- الإذابة: يتمتع الماء بقدرة عالية على إذابة العديد من المركبات الكيميائية، مما يسمح له باحتواء المغذيات المذابة التي تعزز الحياة.
- التعادل الحمضي: في حالته النقية، يكون الماء متعادلًا، وإذا تغيرت درجة حموضته (PH) عند إضافة مواد إليه، فإن المطر عادة ما يكون له درجة حموضة تعادل تقريبًا 5.6 بسبب وجود ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت.
- التبخر: تتضمن خاصية التبخر إمكانية تحديد إجمالي محتوى المواد الصلبة العالقة والذائبة في الماء عن طريق تبخير عينة منه ووزن المواد المتبقية.
- محتوى الكلوريد: يجب أن لا يتجاوز محتوى الكلوريد في المياه المعالجة 250 جزء في المليون، ويمكن قياسه بدقة باستخدام معايرة بمحلول نترات الفضة.
- التماسك: يشير التماسك إلى قوة الجذب بين جزيئات الماء، مما يؤدي إلى الروابط الهيدروجينية ويضمن بقاء الماء في حالته السائلة عند درجات الحرارة الطبيعية.
