الصيغة الكيميائية للماء والحالات التي يوجد بها

admin32021-04-29

160 5 دقائق

الصيغة الكيميائية للماء والحالات التي يوجد بها »

الماء جزيء ثمين وهو ضروري لبقاء جميع الكائنات الحية الموجود بشكل كبير على الأرض، فالماء ليس مجرد سائل عادي. تعتمد خصائصه الفيزيائية على الطريقة التي ترتبط بها هذه جزيئاتها مع بعض. وبالتالي يمكن أن يوجد الماء بشكل سائل أو صلب أو غازي.

والجزيء هو أصغر جزء ممكن من جسم معين. لذلك يحتفظ بجميع خواصه الفيزيائية والكيميائية. وهكذا الأمر بالنسبة للمياه، فالصيغة الكيميائية للماء H2o، إي إن جزيء الماء يتكون من ذرة أكسجين متصلة بـذرتين صغيرتين من ذرات الهيدروجين. وترتبط هذه الذرات ببعضها البعض بواسطة قوى كهروستاتيكية قوية.

هيكل جزيء الماء

في أواخر القرن الثامن عشر، اكتشف الفيزيائي الإنجليزي كافنديش تكوين الماء. ونجح في إثبات أن الماء يتكون من الهيدروجين والأوكسجين. وفي نفس الوقت في فرنسا، نجح لافوازييه في العملية المعاكسة إي صنع الماء من هذين العنصرين.

وفي يومنا هذا من المعروف أن جزيء الماء يتكون من ذرتين من الهيدروجين تحيط بذرة أوكسجين H2o. حيث يحتوي كل جزيء ماء على قطبين مشحونين كهربائيًا هما:

قطب موجب الشحنة على جانب ذرات الهيدروجين.
قطب سالب الشحنة على جانب ذرات الأوكسجين.

كيف يحصل جزيء الماء على استقراره؟

في جزيء الماء، تكمل ذرتا الهيدروجين وذرة الأكسجين غلافهما الإلكتروني من خلال وضعهما معًا. حيث إن ذرة هيدروجين لديها إلكترون واحد فقط يدور حول نواتها، وتحتاج إلى إلكترون إضافي للوصول إلى حالة الاستقرار.

بينما تحتاج ذرة الأكسجين بإلكتروناتها الستة الموجودة على الغلاف الخارجي إلى اثنين آخرين لإكمال حالة الاستقرار. وعندما تجمع هذه الذرات الثلاث غير المستقرة إلكتروناتها، فإنها تشكل جزيء الماء الثابت.

الحالات التي يمكن أن يوجد بها الماء

يتغير شكل الماء، تحت التأثير المشترك للحرارة والضغط الجوي، إلى الحالة الغازية أو إلى الحالة السائلة أو الحالة الصلبة.

الحالة الغازية

وتعرف الحالة الغازية هي تحول الماء من الحالة السائلة إلى بخار، وهي من الحالات التي تكون فيها جزيئات الماء مضطربة بأقصى درجة ولا تتأثر بقوى الجذب الأرضية، وتحدث عملية التبخر من المسطحات المائية، والتربة الرطبة، عن طريق استخراج المياه بواسطة جذر النبات من التربة ثم نتح هذه المياه من أوراق النباتات.

بعد ذلك يمر الماء المتبخر عبر الغلاف الجوي على شكل بخار غير مرئي، ويمكن أن يبقى لمدة ثمانية أيام في المتوسط. ثم يتكاثف بخار المياه على شكل غيوم بدرجة برودة معينة، وبعدها تتساقط على شكل حبات مطر على القارات والمحيطات.

دورة الماء في الغلاف الجوي

دورة الماء على شكل بخار، فترتها قصيرة جدًا ولكنها مع ذلك حيوية، لأن بخار الماء الذي هو أصل 520 كيلومترًا مكعبًا من الترسيبات سواء على شكل مطر أو ثلج أو برد، والتي تغذي محميات المياه العذبة. أما بالنسبة للكتلة الكلية للغلاف المائي، يمثل بخار الماء كمية صغيرة جدًا فقط لأنه يساوي 0.001٪ من إجمالي الماء.

الحالة السائلة

السائلة هي من أكثر الحالات التي توجد فيها المياه على الأرض، حيث يوجد مياه عذبة تمثل 2.8٪ فقط من إجمالي المياه في العالم، وهي نسبة صغيرة. في حين يمثل الجليد القطبي 2.15٪ و0.63٪ للمياه الجوفية و0.019٪ للمياه السطحية المتمثلة بالبحيرات والأنهار.

0.001٪ متبقية للغلاف الجوي. ومع ذلك، من الصعب جدًا على البشر الوصول إلى المياه العذبة التي توجود في الأنهار الجليدية. أما المياه الموجود في البحار والمحيطات، تمثل 90٪ من الغلاف المائي وتغطي أكثر من 71٪ من سطح الأرض هي مياه مالحة.

الحالة الصلبة

يتم تخزين جزء من من المياه العذبة بنسبة 2.8٪ ، أي بحجم 30.100.000 كم مكعب، على شكل أنهار جليدية أو على شكل ثلج، وبالاعتماد على الارتفاعات ودرجات الحرارة، يحدث هطول الأمطار على شكل ثلج أو مطر.

الثلج ليس سوى مخزن مؤقت، يجب أن يختفي أثناء الدفء. وعندما ترتفع درجة الحرارة، توجد حالتين وهما إما أن يعود الثلج مباشرة إلى الغلاف الجوي عن طريق التبخر، وتسمى هذه العملية بالتسامي، أو تذوب الكتلة الثلجية بشكل بطيء، وذلك يسمح للماء بالنفاذ إلى الأرض أو الانسياب نحو الأنهار.

أهمية الأنهار الجليدية

الأنهار الجليدية موجودة بشكل أساسي في القطبين، وتشكل حوالي10 ٪ من سطح الأرض، وتعتبر القمم الجليدية في القطبين الشمالي والجنوبي من أكبر الخزانات للمياه العذبة الكوكب.

لكن هذه الكتلة الثلجية غير ثابتة، فهي تتدفق ببطء، في اتجاه مجرى النهر. وحسب نوع الأنهار الجليدية، يمكن أن تصل سرعة حركتها إلى متر واحد يوميًا أو سنويًا. وتعد كتلة الأنهار الجليدية هامة جدًا، وإذا ذابت هذه الكتلة، سيؤدي ذلك لارتفاع مستوى سطح البحر بما يقارب 200 متر.

الماء والهيدروجين

تحتوي كل قطرة ماء على عدة مليارات من جزيئات الماء، متصلة ببعضها البعض بواسطة أقطابها، مشحونة كهربائيًا: قطب سالب الشحنة الموجود في ذرة الأوكسجين وقطب موجب الشحنة الموجود في ذرات الهيدروجين.

في وجود بعضها البعض، تعمل الجزيئات مثل المغناطيسات الصغيرة، حيث تجذب أقطابها الكهربائية الموجبة والسالبة بعضها البعض وتقترب الجزيئات بحيث يتم وضع كل ذرة هيدروجين موجبة الشحنة بالقرب من الأوكسجين السالب الشحنة.

الصيغة الكيميائية للماء متعادلة كهربائيًا

يتم ربط جزيئات الماء مع بعضها بوساطة رابطة الهيدروجين، والتي تتشكل من ذرات الهيدروجين، وفي نفس كتلة الماء، وترتبط معظم الجزيئات معًا في نوع من الشبكة التي تتغير وتتحول باستمرار، وإذا كان الاتحاد داخل الجزيء نفسه مستقر جدًا، فذلك ليس له علاقة فيما يتعلق بالروابط بين الجزيئات. لأن تلك الروابط قريبة جدًا وضعيفة، فهي ترتبط ببعضها البعض وتنكسر بنفس السرعة، فهي تتدحرج فوق بعضها البعض، ويتغير ترتيبها باستمرار.

وبالتالي، فإن هذه الرابطة الهيدروجينية أضعف من تلك التي تلحم الذرات الثلاث للجزيء معًا، ولكنها مع ذلك قوية بما يكفي لتفسير الخصائص الاستثنائية للماء. بالإضافة إلى أنه في الماء تمتلك جزيئات H2o جاذبية كهربائية لبعضها البعض، بحيث يتم في بعض الأحيان التقاط ذرة الهيدروجين من قبل ذرة الأكسجين من الأخرى. وهذا التبادل يحول جزيئي H2o البادئين إلى H3o و OH، وبالتالي عدد الذرات والشحنات الكهربائية الموجبة و السالبة لم يعد هو نفسه في كل جانب، في أحد الجانبين نجد OH- وفي الجانب الآخر H3o +. وتسمى هذه الجزيئات المعدلة أيونات وتلغي خصائصها بعضها البعض.

الأرض هي كوكب الحياة

يتشكل الماء تلقائيًا من ذرتين من الهيدروجين وذرة أوكسجين واحدة، ولكن ذلك في ظل ظروف معينة، وكميات كافية من الأوكسجين والهيدروجين، ودرجة حرارة ليست عالية جدًا أي لا تزيد عن 2000 إلى 3000 درجة مئوية، ولكن ليس هناك الكثير من الأشعة فوق البنفسجية. ومع ذلك، من الصعب تلبية هذه الشروط، ولكن يحتوي الكون على 90٪ هيدروجين مقابل 0.1٪ أوكسجين فقط، ولأخذ العلم، فإن الأرض هي الكوكب الوحيد في النظام الشمسي الذي يحتوي على مياه سائلة. لذلك يمكننا العيش على هذا الكوكب.

كيف تشكل الماء أثناء تشكل الكون

ولد الكون منذ حوالي 15 مليار سنة، من انفجار غير عادي حسب المعلومات المتداولة في الوسط العلمي. وبعد ذلك الانفجار، أدت الفوضى الهائلة إلى ظهور سحب من الغاز والغبار. التي تكون كوكب الأرض من أحدها. ويعود تاريخ تكونها إلى 4.6 مليار سنة. وقد كان عبارة عن كرة ساخنة كبيرة من الجانب القمري .وبعد ذلك يضرب نيزك كوكب الأرض ويخلق محيطًا بدائيًا على سطحه. حيث ولدت هذه الصورة الأولى من الماء والأشكال الأولى من الحياة، منذ 3.5 مليار سنة.

وذلك يعطي الأرض بالفعل طابعًا فريدًا في النظام الشمسي. حيث تتدفق المياه المدفونة داخل الكرة الأرضية من البراكين على شكل بخار ثم تبرد الأرض. ويتسبب البخار، عن طريق التكثيف، في هطول أمطار غزيرة تتساقط مشحونة بالأملاح المعدنية. وهذه المياه المالحة تشكل المحيطات. وتشكل الأمطار والبخار أول احتياطي من المياه العذبة داخل الغلاف الجوي.