تركيبة الماء الكيميائية تعد الماء جوهر الحياة لجميع الكائنات الحية على كوكب الأرض. يتميز الماء بعدم وجود لون أو طعم أو رائحة، وهو سائل يتمتع بوضوح ونقاء عالي. تُشكل المياه، سواء كانت عذبة أو مالحة، حوالي 70% من سطح الأرض.
الماء في البيئة
- يمتاز الماء في الطبيعة بوجوده في ثلاثة حالات مختلفة: الحالة السائلة، والحالة الصلبة مثل الجليد والثلج، والحالة الغازية كبخار الماء. ويعتبر الصفر المئوي هو درجة تجمد الجليد.
- تبلغ درجة غليان الماء 100 درجة مئوية، وعند تحليل مكونات الماء كيميائيًا، يتضح أنه يتكون من عنصرين رئيسيين هما الأكسجين والهيدروجين، وكلاهما قابل للاشتعال.
تركيب جزيء الماء
- يطلق العلماء على الماء اسم أكسيد الهيدروجين، وهو مركب كيميائي يتألف من ذرتي أكسجين وذرة هيدروجين، حيث تحتوي قطرة الماء على ملايين الجزيئات.
- تتكون جزيئات الماء من اتحاد ذرات غاز الهيدروجين مع ذرات الأكسجين، كما يمكن للماء أن يحتوي على ذرات هيدروجين ثقيلة، والتي تكون أثقل من الهيدروجين التقليدي.
- إذا احتوى الماء على ذرات هيدروجين ثقيلة تُسمى بالديوتريوم، فحينها يُطلق عليه الماء الثقيل. ترتبط جزيئات الماء ببعضها البعض بفضل الروابط الكيميائية والروابط الهيدروجينية.
الروابط الكيميائية في جزيء الماء
- تتحدد الروابط الكيميائية في الماء بناءً على القوى التي تربط بين ذرات الهيدروجين وذرات الأكسجين، وقد أظهرت الأبحاث أن هناك إلكترون يدور حول نواة كل ذرة هيدروجين.
- كما تبين أن ذرة الأكسجين تدور حول نواتها بإلكترونين، مما يملأ الفراغ الموجود في ذرتي الهيدروجين عند دوران هذه الإلكترونات.
- عند دوران الإلكترونات حول ذرة الأكسجين وملء الفراغ، يصبح جزيء الماء أكثر قوة وتركيبًا، إلا أنه يتفكك بسهولة عند الوصول إلى درجة الغليان.
الروابط الهيدروجينية في جزيء الماء
- تشير الروابط الهيدروجينية في جزيء الماء إلى العلاقات التي تربط بين جزيئات الماء ببعضها. يتم هذا الربط بفضل وجود شحنة موجبة في إحدى نهايات الجزيء وشحنة سالبة في النهاية المقابلة، مما يؤدي إلى قوة وصلابة أكبر عند تجاذب الشحنات.
الخصائص الكيميائية للماء
- يعتبر العلماء الماء مذيبًا قويًا يُعرف بالمذيب العام، حيث يمكنه إذابة معظم المواد بسهولة عند إجراء تجارب.
- بينما هناك مذيبات أخرى تتفاعل مع المواد، يتميز الماء بأنه يذيب المواد دون التفاعل معها مباشرة.
- كما أن الماء يمتلك خاصية ضعيفة التأين، مما يحول الجزيئات إلى أيونات تؤثر على حموضة الماء، مما يجعله غير مستساغ في حالته غير المتوازنة.
خصائص الماء
- يُعتبر الماء من المكونات الأساسية للحياة، حيث يمتاز بعدة خصائص تجعله فريدًا بين السوائل، ومنها:
- أول هذه الخصائص هي التماسك، حيث تسهم الروابط الهيدروجينية بين الجزيئات في جاذبية جزيئات الماء لبعضها البعض.
- يسمح هذا التماسك للبقاء في الحالة السائلة في درجات الحرارة العادية دون التحول إلى الحالة الغازية.
- الخاصية الثانية هي الالتصاق، حيث يمكن للماء جذب أنواع مختلفة من الجزيئات التي يمكن أن تشكل روابط هيدروجينية معها.
- يسهم الالتصاق مع التماسك في تسهيل العمليات مثل العمل الشعري، مما يُسهم في حركة الماء الأفقية داخل سيقان النباتات.
- يمتاز الماء أيضًا بدرجة حرارة نوعية عالية، مما يعنى أنه يحتاج إلى كمية كبيرة من الحرارة لكسر الروابط الهيدروجينية، وهذا يساعده على مقاومة التغيرات الحادة في الطقس.
بعض خصائص الماء
- يؤدي تبخر الماء دورًا مهمًا في عملية التبريد، حيث تعتمد العديد من الحيوانات على هذه الخاصية للحفاظ على برودتها عبر العرق.
- ويتميز الماء أيضًا بكونه يتجمد من أعلى إلى أسفل، بسبب انخفاض كثافة الجليد الناتجة عن الروابط الهيدروجينية.
- يعتبر الماء المركب الوحيد الذي يوجد في الحالة السائلة والصلبة والغازية في الظروف الطبيعية، كما يمكن أن يتصرف كحمض وقاعدة في آن واحد.
الدورة المائية
- تشير حركة الماء على سطح الأرض، وفي باطن الأرض، وفوقها إلى ما يُعرف باسم دورة المياه، حيث الماء في حالة حركة مستمرة ومتغيرة كالسائل والصلب والغاز.
- تبدأ الدورة المائية من المحيطات، حيث تتواجد معظم مياه الأرض، ثم تسخن الشمس مياه البحار، لتحويل جزء منها إلى بخار ماء يرتفع إلى الجو.
- تتابع الدورة بسحب التيارات الهوائية بخار الماء إلى الغلاف الجوي، حيث يتكاثف البخار بسبب انخفاض درجات الحرارة في السحب.
- تقوم هذه التيارات بنقل الغيوم حول العالم، حيث تتساقط على شكل قطرات ماء أو تتحول إلى مياه جوفية.
- يمكن أيضاً أن تتساقط الغيوم كثلوج، وعندما تذوب، تعود معظم هذه المتساقطات إلى المحيطات.
أهمية الماء الحيوية
- يُعتبر الماء ضروريًا لحدوث واكتمال عملية البناء الضوئي، كما أنه أساسي لعملية التنفس الخلوي لدى الكائنات الحية، حيث تقوم خلايا النبات بفصم الهيدروجين من الأكسجين خلال البناء الضوئي.
- عند فصم الهيدروجين من جزيء الماء باستخدام الطاقة الشمسية، يتحد الأكسجين مع ثاني أكسيد الكربون لتكوين الجلوكوز وإطلاق الأكسجين.
- على الجانب الآخر، تستعمل الكائنات الحية السكر المحترق مع الأكسجين لتحرير الماء وثاني أكسيد الكربون كوسيلة لتأمين الطاقة واستمرارية الحياة.
- تساعد أهمية الماء أيضًا في توفير وسط معتدل من حيث الأس الهيدروجيني، مما يسهل عمل الإنزيمات. كل الكائنات الحية تحتاج إلى كميات وفيرة من الماء لأداء وظائفها الحيوية.
- يعمل الماء أيضًا على تنظيم درجة حرارة الجسم للكائنات الحية، من خلال العرق عند الحيوانات والبشر، ويعتبر عاملاً حاسمًا في إنتاجية النظم البيئية على كوكب الأرض.
