تويت
ماء
Water - Eau
الماء
التسمية العلمية للماء water هي أحادي أكسيد ثنائي الهدروجين، صيغته الكيمياوية H2O، وهو سائل لا رائحة له ولا طعم، شفاف ويظهر بلون أزرق في طبقاته الثخينة.
عدَّه الفلاسفة القدماء عنصراً أساسياً وبقي هذا الاعتقاد سائداً إلى النصف الثاني من القرن الثامن عشر. ركّب الكيميائي الإنكليزي كافنديش الماءَ بتمرير شرارة في مزيج من الهدروجين والهواء. ولم يفسَّر ما جرى من تآثر بين الهدروجين والأكسجين في المزيج إلا بعد سنتين عندما برهن لافوازييه الكيميائي الفرنسي على أن الماء جسمٌ مركَّب، وليس بسيطاً، مؤلفٌ من أكسجين وهدروجين. وفي عام 1804 نشر الكيميائيان الفرنسي جوزيف لويس غي لوساك وعالم الطبيعة الألماني ألكسندر فون همبولت بحثاً بيَّنا فيه أن الماء يتكون من الهدروجين والأكسجين بنسبة حجمين من الأول إلى حجم من الثاني كما تعبِّر عنه صيغة الماء المستعملة حالياً. ويبلغ حجم الماء الإجمالي في الغلاف المائي 1.4×910 كيلو متر مكعب. ويبيِّن الجدول (1) توزع حجم الماء في الغلاف المائي.
يبين الشكل (1) التمثيل النموذجي للأغلفة البيئية الآتية: الصخري والمائي والجوفي والترابي والحيوي والجوي؛ وليس الغلاف منطقة معزولة بل يتحد فيها هواء الجو مع مياه الغلاف المائي والفلزات المعدنية minerals من الغلاف الصخري ومع الكائنات المجهرية من الغلاف الجوي. وجميع هذه المجالات أو الأغلفة تتحكم تحكماً غير مباشر في جميع العمليات المشكلة للتربة.
خواص الماء الفيزيائية
الحياة غير ممكنة على سطح الأرض لولا خصائص الماء الفيزيائية، ويبيّن الجدول (2) الخواص الفيزيائية للماء، وغاز كبريتيد الهدروجين، وغاز النشادر وغاز الميتان للمقارنة، والمقادير جميعها في هذا الجدول مقيسة عند الضغط الجوي الذي يساوي 1.013 بار[ر: الضغط].
يستنتج من الجدول (2) أن الماء ملائم للتفاعلات الكيمياوية الحيوية ولحياة الكائنات المجهرية؛ بسبب مجال سيولته الواسع وحرارة انصهاره وتبخره وسعته الحرارية بالمقارنة مع المواد الأخرى في الجدول ذاته، أي إن للماء خصائص حرارية واقية أيضاً. يلاحظ أن كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة المول الواحد من الماء (أي 18.015 غرام) درجة مئوية واحدة كمية كبيرة وتبلغ 75.15 كيلو جول وتعادل مثلي مثيلاتها بالنسبة إلى المواد الواردة في الجدول (2). ويتميز الماء أيضاً بخواص فيزيائية مهمة هي الآتية:
ـ غير ناقل تقريباً للتيار الكهربائي.
ـ توتره السطحي 7.3×10-6 جول/سم2 كبير مقارنة مع مواد مشابهة وظيفياً مثل غول الإتيل C2H5OH إذ يبلغ توتره السطحي 2.29×10-6 جول/سم2 وكل ذلك عند الدرجة20 ْس.
ـ ولزوجة الماء عالية وتساوي 0.01002 بواز وقريبة من لزوجة غول الإتيل البالغة 0.0141 بواز وذلك في الدرجة 20 ْس.
ولكل ذلك أخذت إحداثيات النقطة الثلاثية للماء (الشكل 2) أساساً لسلم كلفن.
خواص الماء الفيزيائية - الكيمياوية
تعود هذه الخواص إلى بنية الجزيء H2O وهي الآتية:
1) جزيء الماء ثنائي قطب كهربائي.
2) تشكل جزيئات الماء بعضها مع بعض، ومع جزيئات بعض المواد الأخرى روابط هدروجينية مستقرة[ر: الرابطة الكيمياوية] (الشكل 3).
3) شذوذ الكتلة الحجمية للماء وبنية الماء الجليد (الشكل 4).
الكتلة الحجمية العظمى للماء عند الدرجة 4 ْس تساوي 1كغ/ل، إذ إنه يتمدّد ويزداد حجمه عندما يتجمد. ويشكل في الحالة الجليدية بلورات سداسية تحاط فيها كل ذرة أكسجين بأربع ذرات هدروجين وكل ذرة هدروجين بذرتي أكسجين. ويمكن السير والرقص على الجليد بسبب كتلة الجليد الحجمية الأصغر من الماء السائل عند الدرجة 4 ْس. ولهذا تعيش الكائنات الحية مثل الأسماك في الماء، وإن تجمدت مياه الأنهار؛ لأنها تهرب إلى المكان الدافئ نسبياً حيث درجة الحرارة 4 ْس.
خواص الماء الكيمياوية
1) الماء أهم مذيب لما يأتي:
ـ الهواء: يذيب الماء عند الدرجة 25 ْس والضغط 1.013 بار 10.3 ميلي غرام من الأكسجين و18.1مغ/ل من الآزوت. تبلغ نسبة ذوبان الأكسجين إلى الآزوت 1/1.8.
ـ الأكاسيد الحمضية الغازية والصلبة: SO2 و(NO2,NO=)NOx وCO2 وCaO
ويطلق اسم «حلمهة»[ر] hydrolysis على التفكك أو التفاعل الكيمياوي الحاصل لمادة ما لدى تماسها مع الماء.
ـ الأساس NH3: يذيب الماء في الشروط العادية من حرارة وضغط: 700 لتر من NH3 في اللتر.
وللماء بالنسبة للحمض وظيفة أساسية - يأخذ بروتوناً - وبالنسبة للأساس وظيفته حمضية - يعطي بروتوناً. وتبعاً لذلك يتأين الماء في تفاعله كحمض - أساس عند الدرجة 25 ْس كالآتي:
Kw حاصل ضرب تركيز أيونات الماء ion product of water عند درجة حرارة ثابتة.
ـ (حمض كلور الماء) كلوريد الهدروجين HCl لأنه قطبي:
يذيب الماء في الشروط العادية من حرارة وضغط: 500 لتر HCl في اللتر.
ـ ملح الطعام وكهرليتات أخرى لأنها أيونية. ويعزى ذلك إلى التأثير المتبادل من نوع «أيون - ثنائي قطب». والماء يذيب المركبات الأيونية لأن لجزيء الماء ثابت عزل كهربائيdielectric constant كبيراً تبلغ قيمته 80 عند الدرجة20 ْس. أي إن الماء يضعف قوى التجاذب ق بين الأيونات بمقدار ثمانين مرة، أي إنها تصبح ق/80، ولهذا تتأين معظم الأملاح في الماء.
ـ المواد الأقل قطبية: الفحوم الهدروجينية والفحوم الهدروجينية المفلورة ومواد مكافحة الحشرات والزيوت المعدنية.
2) الماء مؤكسد للمعادن[ر. المعدن] واللامعادن [ر. اللامعدن] مع تحرر الهدروجين: يتعلق ذلك بالسلسلة الكهركيميائية للعناصر وطبيعة الوسط (حمضي أو أساسي أو معتدل) وشروط العمل. أمثلة:
ويشار هنا إلى أن بعض المواد قادرة على أكسدة أكسجين الماء. ومن أهم هذه التفاعلات التمثيل الضوئي (اليخضوري) إذ يتكون السكر وينطلق الأكسجين الحر، أي يقوم الماء بدور المادة المرجعة فيتأكسد الأكسجين فيه ويُرجَع كربونُ الأكسيد CO2 إلى أعداد أكسدة أصغر من +4:
3) الماء يبلل السطوح: وهذا ضروري كي تتم التفاعلات الكيمياوية بين المواد الذائبة والسطوح، مثل تفاعلات التعديل وتشكيل الرواسب وتجديد التربة والتآكل.
4) ويشارك الماءُ الثلجَ والرياحَ أيضاً في عمليات التعرية erosion: تعني التعرية نقل المواد الناتجة من عمليات التجوية weathering التي تتم على سطح الأرض.
ولزيادة حجم الماء عندما يتجمد أهمية في عمليات التجوية التي تشمل تحطم الصخور وتحللها عند سطح الأرض أو بالقرب منه.
الماء القاسي
يدعى الماء الذي يحوي أملاح المغنزيوم وأملاح الكلسيوم محلولة فيه باسم الماء القاسي hard water. وهو لايصلح للغسيل لأن الصابون يحوي أملاح صوديوم أو أملاح بوتاسيوم للحموض الدسمة العليا مثل حمض الشمع C17H35COOH، وحمض النخل C15H31COOH، وهذه الأملاح تكون مع المغنزيوم أو الكلسيوم أملاحاً ضعيفة الانحلال مما يؤدي إلى زيادة استعمال الصابون، ويكوّن الراسب قشرة صلبة على جدران الوعاء يصعب كشطها؛ ولهذا لا يصلح الماء القاسي للاستعمال في المراجل لتكوّن هذه القشرة الملحية. وأكثر الأيونات (الشوارد) السالبة الموجودة في الماء القاسي هي الكلوريد والكبريتات وثاني الكربونات
. فبرفع درجة حرارة الماء يترسب معظم المادة المحلولة في الماء، مكوِّنة قشرة معظمها من أملاح لامائية مثل كربونات الكلسيوم ومركبات أوكسي المغنزيوم. وهذه القشرة رديئة النقل للحرارة، ويسبب تكونها ضياعاً في الوقود واهتراء في المرجل بسبب الزيادة في التسخين على السطوح المعرضة للتسخين ويزال عسر (قساوة) الماء في حال وجود أيون ثنائي الكربونات فيه بتسخينه، فتترسب كربونات الكلسيوم ويرشح الماء الخالي من أيونات الكلسيوم:
وتسمى قساوة الماء الحاوي على الكربونات الحمضية القساوة المؤقتة.
يزال عسر (قساوة) الماء بطريقة أخرى بدئ باستعمالها عام 1910، وتكون بإمرار الماء القاسي عبر زيوليت طبيعي أو صنعي. والزيوليت هو سيليكات ألمنيوم وصوديوم مميَّه. وبنيته متنوعة، صيغته التقريبية NaH6AlSiO7، ويحل الصوديوم محل الكلسيوم أو المغنزيوم أو الحديد أو الأيونات +2 الأخرى
وهذا التفاعل عكوس وعندما يبدأ مردود الزيوليت بالتناقص ينشَّط من جديد بمعالجته بضع ساعات بمحلول مركز من كلوريد الصوديوم. والعملية رخيصة الثمن لأن المادة المستهلكة الوحيدة هي كلوريد الصوديوم.
الماء الثقيل
يتكون الماء الثقيل heavy water، من ذرتي هدروجين ثقيل (أي ديتريوم) بدلاً من ذرتي هدروجين عادي في الماء، متحدين مع ذرة أكسجين واحدة أي صيغته D2O [ر. الهدروجين]. اكتشفه الأمريكي يوري H.C.Urey عام 1932، واستعمل كثيراً في الأبحاث النووية. وتتناقص نسبة جزيئات الماء الثقيل عندما يكون الماء أقل نقاوة. وهو يكوِّن جزءاً واحداً من ستة آلاف وخمسمئة جزء من الماء العادي. يتجمد أكسيد الديتريوم عند الدرجة 3.8 ْس، ويغلي عند الدرجة 101.4ْس، وكتلته الحجمية عند الدرجة 25 ْس تساوي 1.1056غ/سم3.
يستحصل الماء الثقيل بعدة طرق: (أ) التقطير المجزَّأ، (ب) عملية غردلر - سبيفاك، (جـ) عملية التبادل مع كبريتيد الهدروجين، (د) التحليل الكهربائي، (هـ) التقطير القرّي للميتان methane cryogenic distillation. يحصل على الماء الثقيل بنقاوة 99.75% بعبوات أثقلها 5000 غرام.
أهم استعمالات الماء الثقيل معدِّلاً moderator في بعض أنماط المفاعلات النووية.
والماء الأثقل super heavy water يتكوَّن من ذرتي تريتيوم وهو هدروجين مشع أثقل من الديتريوم متحداً مع ذرة أكسجين واحدة. اكتشفه الكيميائي الأمريكي أرستد كروسّيه A.Grosse عام 1951. والماء العادي يحوي آثاراً ضئيلة جداً من الماء الأثقل.
منير البيطار
Water - Eau
الماء
التسمية العلمية للماء water هي أحادي أكسيد ثنائي الهدروجين، صيغته الكيمياوية H2O، وهو سائل لا رائحة له ولا طعم، شفاف ويظهر بلون أزرق في طبقاته الثخينة.
عدَّه الفلاسفة القدماء عنصراً أساسياً وبقي هذا الاعتقاد سائداً إلى النصف الثاني من القرن الثامن عشر. ركّب الكيميائي الإنكليزي كافنديش الماءَ بتمرير شرارة في مزيج من الهدروجين والهواء. ولم يفسَّر ما جرى من تآثر بين الهدروجين والأكسجين في المزيج إلا بعد سنتين عندما برهن لافوازييه الكيميائي الفرنسي على أن الماء جسمٌ مركَّب، وليس بسيطاً، مؤلفٌ من أكسجين وهدروجين. وفي عام 1804 نشر الكيميائيان الفرنسي جوزيف لويس غي لوساك وعالم الطبيعة الألماني ألكسندر فون همبولت بحثاً بيَّنا فيه أن الماء يتكون من الهدروجين والأكسجين بنسبة حجمين من الأول إلى حجم من الثاني كما تعبِّر عنه صيغة الماء المستعملة حالياً. ويبلغ حجم الماء الإجمالي في الغلاف المائي 1.4×910 كيلو متر مكعب. ويبيِّن الجدول (1) توزع حجم الماء في الغلاف المائي.
| النسبة المئوية | ||
| مياه المحيطات الكبيرة | 1.3 × 910 | 97.3% |
| المتجمدات الثلجية | 2.9 × 710 | 2.7% |
| المياه الجوفية في الغلاف الترابي | 8.4 × 610 | |
| البحار والأنهار | 0.2 × 610 | |
| الجو | 1.3 × 410 | |
| الغلاف أو المجال الحيوي | 0.6 × 310 | |
| الجدول (1) توزع المياه حجماً ؛ مقدراً بالكيومتر المكعب، في المجال الحيوي وفي الجو | ||
 |
الشكل (1) التمثيل النموذجي لمجالات البيئة |
الحياة غير ممكنة على سطح الأرض لولا خصائص الماء الفيزيائية، ويبيّن الجدول (2) الخواص الفيزيائية للماء، وغاز كبريتيد الهدروجين، وغاز النشادر وغاز الميتان للمقارنة، والمقادير جميعها في هذا الجدول مقيسة عند الضغط الجوي الذي يساوي 1.013 بار[ر: الضغط].
| الوزن الجزيئي | درجة التجمد، سْ | درجة الغليان، سْ | مجال السيولة، سْ |
حرارة الانصهار، كيلوجول/مول ΔHm |
حرارة التبخير كيلو جول/مول ΔHv |
السعة الحرارية كيلوجول/مول. درجة كلفانية Cp |
||
| الماء | H2O | 18.021 | 0 | 100 | 100 | 6.01 | 40.67 | 75.15 |
| النشادر | NH3 | 17.031 | -78 | -33 | 45 | 5.65 | 23.35 | 35.52 |
| كبريتيد الهدروجين | H2S | 34.082 | -86 | -60 | 26 | 2.38 | 18.67 | 34.22 |
| الميتان | CH4 | 16.04 | -183 | -162 | 21 | 0.94 | 8.26 | 53.79 |
| الجدول (2) الخواص الفيزيائية للماء والنشادر وكبريتيد الهدروجين والميتان | ||||||||
ـ غير ناقل تقريباً للتيار الكهربائي.
ـ توتره السطحي 7.3×10-6 جول/سم2 كبير مقارنة مع مواد مشابهة وظيفياً مثل غول الإتيل C2H5OH إذ يبلغ توتره السطحي 2.29×10-6 جول/سم2 وكل ذلك عند الدرجة20 ْس.
ـ ولزوجة الماء عالية وتساوي 0.01002 بواز وقريبة من لزوجة غول الإتيل البالغة 0.0141 بواز وذلك في الدرجة 20 ْس.
ولكل ذلك أخذت إحداثيات النقطة الثلاثية للماء (الشكل 2) أساساً لسلم كلفن.
 |
الشكل (2) إحداثيات النفطية الثلاثية t (صلب - سئل - غاز): عند الضغط 6 ميلي بار ودرجة الحرارة 0.01 سلسيوس |
تعود هذه الخواص إلى بنية الجزيء H2O وهي الآتية:
1) جزيء الماء ثنائي قطب كهربائي.
2) تشكل جزيئات الماء بعضها مع بعض، ومع جزيئات بعض المواد الأخرى روابط هدروجينية مستقرة[ر: الرابطة الكيمياوية] (الشكل 3).
 |
الشكل (3) جزيء الماء: (أ) ثنائي قطب كهربائي، (ب) وعزمه القطبي ، (جـ) والروابط الهدروجينية |
 |
الشكل (4) بنية الماء الصلب (الجليد) وشذوذ كتلته الحجمية |
خواص الماء الكيمياوية
1) الماء أهم مذيب لما يأتي:
ـ الهواء: يذيب الماء عند الدرجة 25 ْس والضغط 1.013 بار 10.3 ميلي غرام من الأكسجين و18.1مغ/ل من الآزوت. تبلغ نسبة ذوبان الأكسجين إلى الآزوت 1/1.8.
ـ الأكاسيد الحمضية الغازية والصلبة: SO2 و(NO2,NO=)NOx وCO2 وCaO
ويطلق اسم «حلمهة»[ر] hydrolysis على التفكك أو التفاعل الكيمياوي الحاصل لمادة ما لدى تماسها مع الماء.
ـ الأساس NH3: يذيب الماء في الشروط العادية من حرارة وضغط: 700 لتر من NH3 في اللتر.
وللماء بالنسبة للحمض وظيفة أساسية - يأخذ بروتوناً - وبالنسبة للأساس وظيفته حمضية - يعطي بروتوناً. وتبعاً لذلك يتأين الماء في تفاعله كحمض - أساس عند الدرجة 25 ْس كالآتي:
 |
|
ـ (حمض كلور الماء) كلوريد الهدروجين HCl لأنه قطبي:
يذيب الماء في الشروط العادية من حرارة وضغط: 500 لتر HCl في اللتر.
ـ ملح الطعام وكهرليتات أخرى لأنها أيونية. ويعزى ذلك إلى التأثير المتبادل من نوع «أيون - ثنائي قطب». والماء يذيب المركبات الأيونية لأن لجزيء الماء ثابت عزل كهربائيdielectric constant كبيراً تبلغ قيمته 80 عند الدرجة20 ْس. أي إن الماء يضعف قوى التجاذب ق بين الأيونات بمقدار ثمانين مرة، أي إنها تصبح ق/80، ولهذا تتأين معظم الأملاح في الماء.
ـ المواد الأقل قطبية: الفحوم الهدروجينية والفحوم الهدروجينية المفلورة ومواد مكافحة الحشرات والزيوت المعدنية.
2) الماء مؤكسد للمعادن[ر. المعدن] واللامعادن [ر. اللامعدن] مع تحرر الهدروجين: يتعلق ذلك بالسلسلة الكهركيميائية للعناصر وطبيعة الوسط (حمضي أو أساسي أو معتدل) وشروط العمل. أمثلة:
ويشار هنا إلى أن بعض المواد قادرة على أكسدة أكسجين الماء. ومن أهم هذه التفاعلات التمثيل الضوئي (اليخضوري) إذ يتكون السكر وينطلق الأكسجين الحر، أي يقوم الماء بدور المادة المرجعة فيتأكسد الأكسجين فيه ويُرجَع كربونُ الأكسيد CO2 إلى أعداد أكسدة أصغر من +4:
3) الماء يبلل السطوح: وهذا ضروري كي تتم التفاعلات الكيمياوية بين المواد الذائبة والسطوح، مثل تفاعلات التعديل وتشكيل الرواسب وتجديد التربة والتآكل.
4) ويشارك الماءُ الثلجَ والرياحَ أيضاً في عمليات التعرية erosion: تعني التعرية نقل المواد الناتجة من عمليات التجوية weathering التي تتم على سطح الأرض.
ولزيادة حجم الماء عندما يتجمد أهمية في عمليات التجوية التي تشمل تحطم الصخور وتحللها عند سطح الأرض أو بالقرب منه.
الماء القاسي
يدعى الماء الذي يحوي أملاح المغنزيوم وأملاح الكلسيوم محلولة فيه باسم الماء القاسي hard water. وهو لايصلح للغسيل لأن الصابون يحوي أملاح صوديوم أو أملاح بوتاسيوم للحموض الدسمة العليا مثل حمض الشمع C17H35COOH، وحمض النخل C15H31COOH، وهذه الأملاح تكون مع المغنزيوم أو الكلسيوم أملاحاً ضعيفة الانحلال مما يؤدي إلى زيادة استعمال الصابون، ويكوّن الراسب قشرة صلبة على جدران الوعاء يصعب كشطها؛ ولهذا لا يصلح الماء القاسي للاستعمال في المراجل لتكوّن هذه القشرة الملحية. وأكثر الأيونات (الشوارد) السالبة الموجودة في الماء القاسي هي الكلوريد والكبريتات وثاني الكربونات
. فبرفع درجة حرارة الماء يترسب معظم المادة المحلولة في الماء، مكوِّنة قشرة معظمها من أملاح لامائية مثل كربونات الكلسيوم ومركبات أوكسي المغنزيوم. وهذه القشرة رديئة النقل للحرارة، ويسبب تكونها ضياعاً في الوقود واهتراء في المرجل بسبب الزيادة في التسخين على السطوح المعرضة للتسخين ويزال عسر (قساوة) الماء في حال وجود أيون ثنائي الكربونات فيه بتسخينه، فتترسب كربونات الكلسيوم ويرشح الماء الخالي من أيونات الكلسيوم:وتسمى قساوة الماء الحاوي على الكربونات الحمضية القساوة المؤقتة.
يزال عسر (قساوة) الماء بطريقة أخرى بدئ باستعمالها عام 1910، وتكون بإمرار الماء القاسي عبر زيوليت طبيعي أو صنعي. والزيوليت هو سيليكات ألمنيوم وصوديوم مميَّه. وبنيته متنوعة، صيغته التقريبية NaH6AlSiO7، ويحل الصوديوم محل الكلسيوم أو المغنزيوم أو الحديد أو الأيونات +2 الأخرى
وهذا التفاعل عكوس وعندما يبدأ مردود الزيوليت بالتناقص ينشَّط من جديد بمعالجته بضع ساعات بمحلول مركز من كلوريد الصوديوم. والعملية رخيصة الثمن لأن المادة المستهلكة الوحيدة هي كلوريد الصوديوم.
الماء الثقيل
يتكون الماء الثقيل heavy water، من ذرتي هدروجين ثقيل (أي ديتريوم) بدلاً من ذرتي هدروجين عادي في الماء، متحدين مع ذرة أكسجين واحدة أي صيغته D2O [ر. الهدروجين]. اكتشفه الأمريكي يوري H.C.Urey عام 1932، واستعمل كثيراً في الأبحاث النووية. وتتناقص نسبة جزيئات الماء الثقيل عندما يكون الماء أقل نقاوة. وهو يكوِّن جزءاً واحداً من ستة آلاف وخمسمئة جزء من الماء العادي. يتجمد أكسيد الديتريوم عند الدرجة 3.8 ْس، ويغلي عند الدرجة 101.4ْس، وكتلته الحجمية عند الدرجة 25 ْس تساوي 1.1056غ/سم3.
يستحصل الماء الثقيل بعدة طرق: (أ) التقطير المجزَّأ، (ب) عملية غردلر - سبيفاك، (جـ) عملية التبادل مع كبريتيد الهدروجين، (د) التحليل الكهربائي، (هـ) التقطير القرّي للميتان methane cryogenic distillation. يحصل على الماء الثقيل بنقاوة 99.75% بعبوات أثقلها 5000 غرام.
أهم استعمالات الماء الثقيل معدِّلاً moderator في بعض أنماط المفاعلات النووية.
والماء الأثقل super heavy water يتكوَّن من ذرتي تريتيوم وهو هدروجين مشع أثقل من الديتريوم متحداً مع ذرة أكسجين واحدة. اكتشفه الكيميائي الأمريكي أرستد كروسّيه A.Grosse عام 1951. والماء العادي يحوي آثاراً ضئيلة جداً من الماء الأثقل.
منير البيطار