ورقاتمقدمة البحث
الحمد لله رب العالمين، والصلاة والسلام على نبينا محمد. أما بعد، فقد قال الله تعالى:
﴿أَوَلَمْ يَرَ الَّذِينَ كَفَرُوا أَنَّ السَّمَاوَاتِ وَالْأَرْضَ كَانَتَا رَتْقًا فَفَتَقْنَاهُمَا ۖ وَجَعَلْنَا مِنَ الْمَاءِ كُلَّ شَيْءٍ حَيٍّ ۖ أَفَلَا يُؤْمِنُونَ﴾ [الأنبياء: 30]
الماء أكثر المواد انتشارًا حولنا وأهمها للحياة، فهو يغطي الجزء الأكبر من سطح الأرض، ويدخل في تكوين أجسام الكائنات الحية جميعها. ومع بساطة تركيبه الكيميائي فإنه يتميز بخصائص فريدة جعلته أساسًا لوجود الحياة. وفي هذا البحث نتعرف على خصائص الماء وأهميته.
تعريف الموضوع
الماء مركّب كيميائي صيغته H2O، يتكون الجزيء الواحد منه من ذرتي هيدروجين مرتبطتين بذرة أكسجين واحدة. وهو في الظروف العادية سائل شفاف عديم اللون والرائحة والطعم، ويوجد في الطبيعة في ثلاث حالات: صلبة هي الجليد، وسائلة هي الماء، وغازية هي بخار الماء.
أهمية الموضوع
تكمن أهمية دراسة خصائص الماء في أنها تفسّر لنا ظواهر كثيرة نراها كل يوم، مثل طفو الجليد على سطح الماء، واعتدال المناخ قرب البحار، وقدرة الماء على إذابة الملح والسكر. كما أنها تبيّن لنا لماذا لا تستغني الكائنات الحية عنه، وتدفعنا إلى المحافظة عليه وترشيد استهلاكه.
أهداف البحث
- التعرف على تركيب جزيء الماء وسبب قطبيته.
- توضيح الروابط الهيدروجينية وأثرها في خصائص الماء.
- بيان أهم الخصائص الفيزيائية والكيميائية للماء.
- إدراك أهمية الماء للإنسان والكائنات الحية والبيئة.
- التعرف على أساليب المحافظة على الماء.
تركيب جزيء الماء
يتكون جزيء الماء من ذرة أكسجين ترتبط بذرتي هيدروجين برابطتين تساهميتين، أي أن الذرات تتشارك في أزواج من الإلكترونات. ولا يكون الجزيء مستقيمًا، بل منحنيًا بزاوية تقارب ١٠٥ درجات. ولأن ذرة الأكسجين أقوى جذبًا للإلكترونات من ذرة الهيدروجين، فإن الإلكترونات تميل نحوها أكثر.
قطبية الماء
نتيجة ميل الإلكترونات نحو الأكسجين تصبح ناحية الأكسجين سالبة جزئيًا، وناحية الهيدروجين موجبة جزئيًا. وهذا يجعل جزيء الماء جزيئًا قطبيًا له طرف موجب وطرف سالب، كالمغناطيس الصغير. وهذه القطبية هي السبب الرئيس في أغلب خصائص الماء المميزة.
الروابط الهيدروجينية
تنجذب ناحية الهيدروجين الموجبة في جزيء إلى ناحية الأكسجين السالبة في جزيء مجاور، فتتكون بين الجزيئات روابط هيدروجينية. وهي روابط أضعف من الروابط التساهمية داخل الجزيء، لكنها كثيرة، وتتكسر وتتكون باستمرار في الماء السائل. وبسببها ترتفع درجتا الغليان والانصهار للماء مقارنة بمركبات أخرى لها حجم جزيئي قريب، فالماء سائل في درجة حرارة الغرفة، بينما تكون مركبات كثيرة مشابهة في حجمها غازات.
الخصائص الفيزيائية للماء
درجتا الانصهار والغليان
يتجمد الماء النقي عند درجة صفر مئوية، ويغلي عند ١٠٠ درجة مئوية تحت الضغط الجوي المعتاد عند مستوى سطح البحر. وتنخفض درجة الغليان في المرتفعات العالية لانخفاض الضغط الجوي.
السعة الحرارية العالية
يحتاج الماء إلى كمية كبيرة من الحرارة حتى ترتفع حرارته درجة واحدة، كما أنه يفقد الحرارة ببطء. ولذلك يسخن الماء ببطء ويبرد ببطء، وهذا يفسّر اعتدال الجو قرب البحار والمحيطات، ويساعد أجسام الكائنات الحية على المحافظة على حرارة ثابتة نسبيًا، لأن أجسامها تحتوي على نسبة كبيرة من الماء. ويُستخدم الماء كذلك في أنظمة التبريد في السيارات والمصانع.
الحرارة الكامنة للتبخر
يحتاج الماء إلى طاقة كبيرة ليتحول من سائل إلى بخار، ولذلك يبرّد العرق جسم الإنسان عندما يتبخر عن الجلد.
التماسك والالتصاق والخاصية الشعرية
تتماسك جزيئات الماء بعضها ببعض بفعل الروابط الهيدروجينية، وتلتصق كذلك بجدران بعض المواد. ويفسّر ذلك تكوّن القطرات الكروية، وارتفاع الماء في الأنابيب الدقيقة، ومنه صعود الماء في سيقان النباتات من الجذور إلى الأوراق. ويُسمّى تماسك سطح الماء التوتر السطحي، وبه تستطيع بعض الحشرات المشي على سطح الماء.
الماء مذيب عام
يسمى الماء المذيب العام لقدرته على إذابة أنواع كثيرة من المواد، لا سيما المركبات الأيونية مثل ملح الطعام والمواد القطبية مثل السكر. فتحيط جزيئات الماء القطبية بالأيونات وتفصلها بعضها عن بعض. وبهذه الخاصية ينقل الدم الغذاء والفضلات في الجسم، وتمتص جذور النبات المعادن الذائبة في التربة. أما الزيوت فلا تذوب في الماء لأنها غير قطبية.
شذوذ كثافة الماء والجليد
أغلب المواد تزداد كثافتها عند التجمد، لكن الماء يخالف ذلك، فأعلى كثافة له تكون عند نحو ٤ درجات مئوية، وعند تجمده تترتب جزيئاته في شكل سداسي منتظم تتباعد فيه عن بعضها، فيزيد حجمه وتقل كثافته، فيطفو الجليد فوق الماء. ولهذه الظاهرة فائدة عظيمة، إذ تتكون طبقة الجليد في البحيرات الباردة على السطح وتعزل الماء تحتها، فتبقى الأسماك والكائنات الأخرى حية في الشتاء.
الخصائص الكيميائية للماء
- الماء متعادل في الغالب، فلا هو حمضي ولا قاعدي، وله الرقم الهيدروجيني ٧ تقريبًا في الماء النقي.
- يتفاعل بعض الفلزات النشطة كالصوديوم مع الماء تفاعلًا شديدًا وينتج الهيدروجين.
- يمكن تحليل الماء كهربائيًا إلى غازي الهيدروجين والأكسجين.
- يدخل الماء في تفاعل البناء الضوئي في النباتات، وفي كثير من التفاعلات داخل أجسام الكائنات الحية.
أهمية الماء للحياة
للإنسان والكائنات الحية
يشكل الماء الجزء الأكبر من وزن جسم الإنسان، ويدخل في الدم والخلايا والعصارات، وينظم حرارة الجسم، ويساعد على الهضم وإخراج الفضلات. ويستطيع الإنسان أن يصبر على الجوع أسابيع، لكنه لا يصبر على العطش إلا أيامًا قليلة.
للنبات والزراعة
يحتاج النبات إلى الماء لينمو، وهو مادة أساسية في عملية البناء الضوئي التي تنتج الغذاء والأكسجين. وتعتمد الزراعة اعتمادًا كبيرًا على الري.
للصناعة والطاقة
يستعمل الماء في الصناعة مذيبًا ومبرّدًا ومنظّفًا، وتُولَّد منه الطاقة الكهربائية في السدود، ويُستعمل بخاره في إدارة التوربينات.
المحافظة على الماء
تعاني المملكة العربية السعودية، كغيرها من دول المنطقة، من قلة الأمطار، ولذلك تعتمد على المياه الجوفية وتحلية مياه البحر. ومن واجبنا ترشيد الاستهلاك، ومن ذلك:
- إغلاق الصنبور أثناء غسل الأسنان والأواني.
- إصلاح التسريب في الأنابيب والصنابير فورًا.
- استخدام الماء بقدر الحاجة في الري والغسيل.
- عدم تلويث مصادر المياه بالنفايات والمواد الكيميائية.
- تعويد الأبناء على الاقتصاد في الماء منذ الصغر.
الخاتمة
تعرّفنا في هذا البحث على تركيب جزيء الماء وقطبيته وروابطه الهيدروجينية، وعلى خصائصه المميزة كالسعة الحرارية العالية وقدرته على الإذابة وطفو الجليد. ويتبيّن أن الماء نعمة عظيمة تقوم عليها الحياة، وأن علينا أن نشكر الله عليها بالحفاظ عليها وعدم الإسراف فيها.
المراجع
- كتب الكيمياء والأحياء للمرحلتين المتوسطة والثانوية، وزارة التعليم في المملكة العربية السعودية.
- كتب الكيمياء العامة الجامعية، فصول الروابط الكيميائية والمحاليل.
- الموسوعة العربية العالمية، مادة «الماء».