ما نوع جزيء الماء ؟

ذلك مركب كيميائي وجزيء قطبي سائل عند درجة حرارة وضغط قياسيين. لها صيغة كيميائية H _الثاني O ، أي أن جزيء الماء يتكون من ذرتين هيدروجين وذرة أكسجين واحدة. يوجد الماء في كل مكان تقريبًا على الأرض وهو ضروري لكافة أشكال الحياة المعروفة. ما يقرب من 70٪ من سطح الأرض مغطى بالمياه. من المعروف أن الماء موجود على شكل جليد في الكثير من الأجسام المختلفة في النظام الشمسي وما وراءه ، وإثبات وجوده (أو وجوده) في شكل سائل في أي مكان خارج الأرض سيكون دليلًا قويًا على وجود قصة حياة خارج كوكب الأرض.

عامة

تُعرف الحالة الصلبة للماء بالجليد ؛ تُعرف الحالة الغازية باسم بخار الماء (أو بخار). يتم تعريف وحدات درجة الحرارة (درجة مئوية سابقًا والآن كلفن) ، 273.16 كلفن (0.01 درجة مئوية) و 611.2 باسكال ، النقطة الثلاثية للماء ، من حيث درجة الحرارة والضغط حيث تتعايش المياه الصلبة والسائلة والغازية في حالة توازن. يُظهر الماء بعض السلوك الغريب جدًا ، بما في ذلك تكوين حالات جليدية زجاجية والحالة الصلبة للماء غير المتبلور (الزجاجي).

عند درجات حرارة أعلى من 647 كلفن وضغوط أعلى من 22.064 ميجا باسكال ، تفترض مجموعة جزيئات الماء حالة حرجة للغاية حيث تطفو المجموعات الشبيهة بالسائل في مرحلة تشبه البخار.

مسار الماء السائل هو مقياس لكمية الماء السائل في عمود الهواء.

هيكل ثنائي القطب لجزيء الماء

من الخصائص المهمة لجزيء الماء طبيعته القطبية. يبني جزيء الماء زاوية مع ذرات الهيدروجين في نهايته والأكسجين في الأعلى. نظرًا لأن الأكسجين له كهرسلبية أعلى من الهيدروجين ، فإن الناحية الذري من الأكسجين للجزيء له شحنة سالبة جزئية. يسمى الجزيء بهذه الشحنة المختلفة ثنائي القطب. يتسبب الاختلاف في الشحنة في انجذاب جزيئات الماء لبعضها البعض (مناطق إيجابية نسبيًا لـ مناطق سالبة نسبيًا) وجزيئات قطبية أخرى. يُعرف هذا الجذب باسم الرابطة الهيدروجينية.

ينتج عن هذا الجذب الضعيف نسبيًا (بالنسبة للروابط التساهمية داخل جزيء الماء نفسه) خصائص فيزيائية مثل نقطة غليان عالية نسبيًا ، نظرًا لأن معظم الطاقة الحرارية مطلوبة لكسر الروابط الهيدروجينية بين الجزيئات. على سبيل المثال ، الكبريت هو العنصر الموجود أسفل الأكسجين في الجدول الدوري ، والمركب المكافئ له كبريتيد الهيدروجين (H _الثاني S) لا يحتوي على روابط هيدروجينية وهو غاز في درجة حرارة الغرفة ، بالرغم من احتوائه على ضعف الوزن الجزيئي للماء. تمنح الرابطة الإضافية بين جزيئات الماء الماء السائل أيضًا سعة حرارية واسعة محددة.

تعطي رابطة الهيدروجين أيضًا جزيئات الماء سلوكًا غير عادي خلال التجميد. مثل الكثير من المواد المختلفة ، يتكثف السائل مع انخفاض درجة الحرارة. ومع ذلك ، على عكس الكثير من المواد المختلفة ، عندما يتم تبريدها بالقرب من التجمد ، فإن وجود روابط الهيدروجين يعني أنه بينما تعيد الجزيئات ترتيبها لتقليل طاقتها ، فإنها في الواقع تشكل بنية ذات كثافة أقل: ومن ثم يطفو الجليد. في الماء. بمعنى انتهاء ، يتمدد الماء عندما يتجمد (يتقلص عندما تتصلب الكثير من المواد المختلفة). تصل المياه السائلة لـ أعلى كثافة لها عند 4 درجات مئوية. هذا له نتيجة مثيرة للاهتمام للحياة المائية الشتوية. يتكثف الماء المبرد على السطح ويغوص ، مما يخلق تيارات حرارية تبرد كامل جسم الماء ، ولكن عندما تصل درجة حرارة مياه البحيرة لـ 4 درجات مئوية ، فإن الماء على السطح أقل كثافة ، زيادة البرد.وتبقى طبقة سطحية تشكل الجليد في النهاية. نظرًا لأنه يتم إيقاف مرور الماء البارد لـ الأسفل عبر تغيير الكثافة ، فإن أي كتلة عدد ضخم من المياه المجمدة في الشتاء ستبقى سائلة مثل معظم الماء تحت سطح الجليد عند 4 درجات مئوية ، مما يسمح للأسماك بالبقاء على قيد الحياة. هذا هو أفضل مثال على الخصائص الفيزيائية المضبوطة بدقة والتي تدعم الحياة على الأرض ، وتستخدم كحجة لمبدأ الإنسان.

والنتيجة المختلفة هي أن الجليد يذوب عند الضغط الكافي.

هيكل الماء والجليد

الموضح أعلاه هو مقارنة جنبًا لـ جنب بين 10 مربعات أنجستروم. لقد تبين بوضوح أن الجليد يشغل مساحة أكبر بسبب الرابطة الهيدروجينية التي تتشكل عندما تتغير الحالة من سائل لـ صلب. في الجليد ، تشكل كل المياه أربعة روابط هيدروجينية بمسافة 2.76 أنجستروم O – O لـ أقرب جار أكسجين لها. نظرًا للتركيب المنتظم في الجليد ، يوجد مجموعة أقل من جزيئات H2O في منطقة حجم موحدة.

الماء كمذيب

الماء أيضًا مذيب جيد بسبب قطبيته. تعتبر خصائص المذيبات للماء حيوية في علم الأحياء لأن الكثير من التفاعلات الكيميائية الحيوية تحدث فقط في المحاليل المائية (على سبيل المثال ، التفاعلات في السيتوبلازم والدم). بالإضافة لـ ذلك ، يتم استعمال الماء لنقل الجزيئات البيولوجية.

عندما يدخل مركب أيوني أو قطبي الماء ، فإنه يكون محاطًا بجزيئات الماء. تسمح جزيئات الماء الصغيرة نسبيًا عمومًا للعديد من جزيئات الماء بأن تحيط بالجزيء. الذوبان . تنجذب ثنائيات أقطاب الماء السالبة مؤقتًا لـ المكونات الموجبة الشحنة للمذاب والعكس بالعكس بالنسبة لـ ثنائيات الأقطاب الموجبة.

بشكل عام ، المواد الأيونية والقطبية مثل الأحماض والكحول والأملاح قابلة للذوبان في الماء بسهولة ، بينما المواد غير القطبية مثل الدهون والزيوت غير قابلة للذوبان. تبقى الجزيئات غير القطبية معًا في الماء لأنها أكثر ملاءمة لجزيئات الماء لربط الهيدروجين معًا بدلاً من الانخراط في تفاعلات فان دير فال مع الجزيئات غير القطبية.

مثال على المذاب الأيوني ملح الطعام. ينقسم كلوريد الصوديوم لـ NaCl ، Na ⁺ الكاتيونات والكلور ^– الأنيونات ، أي جسم محاط بجزيئات الماء. يتم بعد ذلك نقل الأيونات بسهولة من الشبكة البلورية لـ محلول. مثال على المذاب غير الأيوني هو سكر المائدة. يربط الهيدروجين ثنائي القطب الماء بالمناطق ثنائية القطب لجزيء السكر ويسمح له بالانتقال لـ المحلول.

التماسك والتوتر السطحي

الروابط الهيدروجينية القوية تعطي الماء تماسكًا عاليًا وبالتالي توترًا سطحيًا. يحدث هذا عندما توضع كمية صغيرة من الماء على سطح غير قابل للذوبان ويبقى الماء معًا في قطرات. هذه الخاصية مهمة عندما يتم نقل المياه عبر نسيج الخشب لـ السيقان في النباتات ؛ يجذب الجذب القوي بين الجزيئات عمود الماء معًا ويقاوم التوتر الناجم عن سحب العرق. تميل السوائل المختلفة ذات التوتر السطحي المنخفض لـ “التمزق” عبر تكوين فراغات أو جيوب هوائية وترك حاوية نسيج الخشب معلقة.

الانتقال

الماء النقي هو في الواقع عازل جيد (موصل ضعيف) ، مما يعني أنه لا يوصل الكهرباء بشكل جيد. بما أن الماء مذيب جيد ، فإن مادة ، عادة ما تكون ملحًا ، تذوب فيه. إذا كان الماء يحتوي على مثل هذه الشوائب ، فيمكنه توصيل الكهرباء بشكل أفضل بكثير ، لأن الشوائب مثل الملح تحتوي على أيونات حرة في محلول مائي يمكن أن يتدفق من خلالها التيار الكهربائي.

التحليل الكهربائي

يمكن تقسيم الماء لـ العناصر المكونة له ، الهيدروجين والأكسجين ، عبر تمرير تيار عبره. هذه المهمة تسمى التحليل الكهربائي . جزيئات الماء بشكل طبيعي هي H. ⁺ و OH ^– تنجذب الأيونات نحو الكاثود والأنود على التوالي. يلتقط اثنين من أيونات H عند الكاثود ⁺ تشكل الإلكترونات غاز H2 _الثاني . أربعة OHs في المصعد ^– تجمع الأيونات وإصدارات O _الثاني الغاز الجزيئي والماء وأربعة إلكترونات. أنتجت الغازات فقاعة على السطح حيث يمكن أن تتجمع.

تفاعلي

الماء مذبذب كيميائيًا: يمكن أن يكون بمثابة حمض أو قاعدة. أحيانا المصطلح حمض الهيدروكسي عندما يعمل الماء كحامض في تشارك كيميائي. عند رقم الهيدروجيني 7 (محايد) ، فإن تركيز أيونات الهيدروكسيد (OH ^– ) يساوي تركيز أيونات الهيدرونيوم (H. ₃ هي تكون ⁺ ) أو أيونات الهيدروجين (H. ⁺ ). في حالة اضطراب التوازن ، يصبح المحلول حمضيًا (تركيز أعلى من أيونات الهيدرونيوم) أو قاعديًا (تركيز أعلى من أيونات الهيدروكسيد).

يمكن أن يكون الماء بمثابة حمض أو قاعدة في التفاعلات. كماًا لنظام Brønsted-Lowry ، يُعرَّف الحمض على أنه نوع يتبرع بالبروتون (H + ion) في التفاعل وقاعدة تستقبل البروتون. يعمل الماء كقاعدة عند التفاعل مع حمض أقوى ؛ يعمل كحمض عندما يتفاعل مع حمض أضعف. على سبيل المثال ، يأخذ H + أيون حمض الهيدروكلوريك في حالة توازن:

حمض الهيدروكلوريك + ح _الثاني س -> ح ₃ هي تكون ⁺ + Cl ^–

هنا ، يعمل الماء كقاعدة ، حيث يأخذ H + أيون. يتبرع الحمض بأيون H + ، ويمكن للماء القيام بذلك تمامًا كما هو الحال مع الأمونيا NH3:

نيو هامبشاير ₃ + ح _الثاني O -> NH ₄ ⁺ + أوه ^–

درجة الحموضة في الممارسة

نظريًا ، يحتوي الماء النقي على درجة حموضة 7. من الصعب جدًا إنتاج ماء نقي في الممارسة المهمة. الماء المعرض للهواء لأي فترة من الوقت سوف يذيب ثاني أكسيد الكربون بسرعة ، مكونًا محلول حمض الكربونيك بدرجة حموضة محدودة ~ 5.7 (المرجع: Kendall، J. (1916) ، مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية 38 (11): 2460-2466).

تنقية المياه

المياه النقية ضرورية للاستهلاك وكذلك للعديد من التطبيقات الصناعية. يحتاج الناس لـ ماء لا يحتوي على الكثير من الملح أو الشوائب المختلفة. تشمل الشوائب الشائعة المواد الكيميائية الضارة أو البكتيريا. بعض المواد المذابة مقبولة ومرغوبة لتحسين الطعم. يدعي شرب الماء هو شرب الماء .

ست طرق شائعة لتنقية المياه هي:

1. الفلتره : يعيش الماء عبر منخل يلتقط الجسيمات الصغيرة. كلما كانت شبكة الغربال أكثر إحكامًا ، يجب أن تكون الجزيئات أصغر. لا تكفي عملية الترشيح لتنقية المياه تمامًا ، ولكنها عادةً ما تكون خطوة أولى ضرورية حيث يمكن أن تتداخل هذه الجزيئات مع طرق تنقية أكثر شمولاً.
2. دمل: يتم تسخين الماء لـ درجة الغليان لفترة كافية لتعطيل أو قتل الكائنات الحية الدقيقة التي تعيش عادة في الماء في درجة حرارة الغرفة. في المناطق التي يكون فيها الماء “عسرًا” (يحتوي على أملاح الكالسيوم المذابة) ، يؤدي الغليان لـ تفكك أيون البيكربونات ، مما يؤدي لـ ترسيب بعض (وليس كل) الكالسيوم المذاب على شكل كربونات الكالسيوم. هذا في مناطق الماء العسر وعناصر الغلاية وما لـ ذلك. تشكلت ما يسمى ب “الفراء”. باستثناء الكالسيوم ، فإن الغليان لا يزيل المواد المذابة ذات درجة غليان أعلى من الماء ،
3. فلتر الكربون كونه أحد أشكال الكربون ذو مساحة سطح عالية بسبب تحضيره ، يمتص الفحم الكثير من المركبات ، بما في ذلك بعض المركبات السامة. يعيش الماء عبر الفحم النشط لإزالة هذه الملوثات. تستخدم هذه الطريقة في الغالب في فلاتر المياه المنزلية وخزانات الأسماك. تحتوي مرشحات مياه الشرب المنزلية أحيانًا على كميات ضئيلة من أيونات الفضة ، والتي لها تأثير مبيد للجراثيم.
4. التقطير يشمل التقطير الماء المغلي لإنتاج البخار. ثم يرتفع بخار الماء لـ سطح مبرد حيث يمكن أن يتكثف مرة ثانية في سائل ويتجمع. عادة ما تبقى المواد المذابة في محلول الغليان ، لأنها لا تتبخر. حتى التقطير لا ينقي الماء تمامًا ، بسبب الملوثات ذات نقاط الغليان المماثلة والقطرات المحمولة بالبخار من السائل غير المتبخر. ومع ذلك ، يمكن الحصول على 99.9٪ من الماء النقي بالتقطير.
5. التناضح العكسي : يتم تطبيق ضغط ميكانيكي على محلول غير نقي لإجبار الماء النقي عبر غشاء شبه منفذ. مصطلح التناضح العكسي لأن التناضح الطبيعي سيؤدي لـ تحرك الماء النقي في الاتجاه الآخر ، مما يؤدي لـ تخفيف الشوائب التناضح العكسي هو من الناحية النظرية الطريقة الأكثر شمولاً لمعالجة المياه على نطاق واسع ، ولكن من الصعب إنشاء أغشية شبه نفاذة مثالية. في تبادل الكروماتوغرافيافي هذه الحالة ، يتم تمرير الماء عبر عمود راتنج مشحون به سلاسل جانبية تحتوي على الكالسيوم والمغنيسيوم وأيونات المعادن الثقيلة المختلفة. في الكثير من المختبرات ، حلت طريقة التنقية هذه محل التقطير لأنها توفر كميات عدد ضخم من الماء النقي جدًا بشكل أسرع مع استعمال أقل للطاقة مقارنة بالعمليات المختلفة. لـ المياه المعالجة بهذه الطريقة الماء منزوع الأيونات .