الخواص الفيزيائية والكيميائية للماء
خواص الماء: العموميات والفضول
خواص الماء: النظائر والتركيب الجزيئي
تاريخي
اعتبر القدماء الماء كأحد العناصر الأربعة الأساسية: كان العالم مكونًا من مزيج من هذه المبادئ الأساسية الأربعة بنسب متفاوتة. كان يعتبر جسما بسيطا حتى القرن الثامن عشر. ثم اكتشف العديد من الكيميائيين أن الماء لم يكن جسمًا بسيطًا من خلال إجراء عملية التركيب ثم التحليل. دعونا نستشهد بالسلائف ، بريستلي الذي أنتج الماء من احتراق الهيدروجين (4) ، واتس (4) الذي افترض أن الماء لم يكن جسمًا بسيطًا ، مونج الذي أدرك تخليق تحت تأثير شرارة كهربائية من خليط من الأكسجين والهيدروجين. لكن تجربة التوليف الحاسمة كانت تجربة لافوازييه ولابلاس (1774) اللذين صنعا الماء من الهيدروجين والأكسجين في تجربة عامة لا تُنسى. حدث تحلل الماء في وقت لاحق ، بعد اكتشاف فولتا للخلية الكهربائية في عام 1783. أتاح التحليل الكهربائي للماء قياس النسبة المعنية من الأكسجين والهيدروجين للوصول في النهاية إلى الصيغة الكيميائية المعروفة H1783O. تم إجراء أول تحليل كهربائي عملي (ومذهل) في عام 1800 في باريس بواسطة روبرتسون. تم توضيح الصيغة الكيميائية من خلال العمل النظري لدالتون (2) وأفوجادرو (1800).
الخصائص الفيزيائية للماء
الماء له خصائص فيزيائية خاصة مقارنة بالسوائل الأخرى. يظهر كسائل "منظم" ، وليس مضطربًا مثل السوائل الأخرى ، من خلال حقيقة أن مكوناته الأولية مرتبطة.
تعمل خصائص الماء كمرجع للتوحيد القياسي الدولي للمقاييس العددية: درجة الحرارة ، الكثافة ، الكتلة ، اللزوجة ، الحرارة النوعية. الحرارة النوعية عالية بشكل استثنائي (18 مول لكل درجة) ، وهذا يفسر الجمود الحراري الكبير للماء ودوره في تنظيم درجة حرارة سطح الأرض. تخزن المحيطات كمية هائلة من الحرارة تعيد توزيعها بواسطة التيارات البحرية ؛ يمتص تبخر الماء الطاقة في البيئة المائية ويخفض درجة حرارتها ، ويعيد تكثيف البخار إلى قطرات في السحب هذه الحرارة إلى الغلاف الجوي. كتل الماء على سطح الكرة الأرضية هي حذافات حرارية حقيقية للمناخات.
تختلف كثافة الماء باختلاف درجة حرارته. تزداد عندما تنخفض درجة الحرارة ، لكن الكثافة القصوى تكون عند 4 درجات مئوية (0,997 جم / سم 3) وليس عند 0 درجة كما قد يتوقع المرء. وهكذا ، تتجمد البحار والبحيرات من السطح وليس من القاع حيث تتراكم المياه الأكثر كثافة عن طريق التقسيم الطبقي. الماء في الحالة الصلبة أخف من الماء السائل (كثافة الجليد: 0,920 جم / سم 3).
تعتمد لزوجة الماء على تركيبته النظيرية: الماء الثقيل أكثر لزوجة بنسبة 30٪ من الماء العادي. تنخفض اللزوجة أولاً مع الضغط ثم تزداد بعد ذلك.
معامل انضغاط الماء متساوي الحرارة صغير (4,9 10-5 لكل بار) وكتقدير أولي يمكننا اعتبار الماء غير قابل للضغط. ومع ذلك ، فإن المنخفضات الجوية الكبيرة تؤثر على مستوى سطح البحر الذي يرتفع أثناء العواصف. التوتر السطحي مرتفع: الماء عامل ترطيب جيد (72 داين / سم) ؛ يتسلل ويخترق جميع فجوات ومسام الصخور وكذلك في التربة عن طريق ظاهرة الشعيرات الدموية. هذه الخاصية أساسية لتخزين المياه في طبقات المياه الجوفية ، من أجل تآكل سطح الصخور (الانفجار تحت تأثير الصقيع: يطور ممر الجليد المائي ضغطًا يصل إلى 207،000 كيلو باسكال). يفسر التوتر السطحي العالي أيضًا الشكل الكروي لقطرات الماء.
تعتمد الحالة الفيزيائية للماء على درجة الحرارة والضغط. يتم إجراء ممر الغاز السائل بشكل تقليدي عند 100 درجة مئوية تحت الضغط العادي ولكن عند 72 درجة مئوية فقط في قمة إيفرست (8،848 م). تنخفض درجة حرارة انصهار الجليد مع الضغط: تحت تأثير الضغط ، يتحول الجليد إلى سائل مرة أخرى: وهكذا ، ينزلق المتزلجون في الواقع على طبقة رقيقة من الماء السائل المتكون تحت تأثير ضغط التزلج . النقطة الثلاثية للماء عند 0,01 درجة مئوية تحت 6,1 ملي بار.
يمكن أن يظل الماء سائلاً تحت نقطة انصهار الجليد: يمكن الحفاظ على ظاهرة التبريد الفائق هذه حتى درجة حرارة -40 درجة مئوية. ويفسر ذلك بغياب البذور لبدء التبلور الصلب. في الطبيعة ، يتم توفير الجرثومة بواسطة بكتيريا شائعة ، Pseudomonas syringae. يجعل التلاعب الجيني لهذه البكتيريا من الممكن إما تأخير تجميد أشجار الفاكهة ، أو تسريع الصقيع لجعل الثلج الاصطناعي أكثر سهولة.
أخيرًا ، يعد الماء مذيبًا ممتازًا يعمل كوسيلة لمعظم الأيونات الموجودة على سطح الكرة الأرضية.
الخواص الكيميائية للماء
الماء مذيب ممتاز يعمل على إذابة عدد كبير من الأملاح والغازات والجزيئات العضوية. تحدث التفاعلات الكيميائية للحياة في وسط مائي ؛ الكائنات الحية غنية جدًا بالمياه (تصل إلى أكثر من 90٪). لطالما اعتبر مذيبًا محايدًا يتدخل قليلاً أو لا يتدخل في التفاعلات الكيميائية. جعل التخفيف في الماء من الممكن على وجه الخصوص إبطاء نشاط الكواشف. في الواقع ، يعد الماء عاملًا كيميائيًا شديد العدوانية ويخاطر بمهاجمة جدران الحاوية التي تحتوي عليها: في زجاجة زجاجية ، تمر أيونات السيليكون عبر الماء. يمكن أن توجد المياه النقية من وجهة نظر تنظيمية ، أي الماء بدون ملوثات بكتيرية وكيميائية ، لكنه لا يوجد عمليًا من وجهة نظر كيميائية: حتى الماء المقطر يحتوي على آثار أيونات أو الجزيئات العضوية المأخوذة من الأنابيب والأوعية.
في التفاعلات الكيميائية ، يتدخل الماء أولاً عن طريق تفككه إلى بروتونات H + ، وغالبًا ما يرتبط بـ H2O لتكوين البروتونات المائية H3O + ، وفي أيونات OH- هيدروكسيل. إن النسبة بين هذين النوعين من الأيونات هي التي تحدد الرقم الهيدروجيني للمحلول (الأس الهيدروجيني: لوغاريتم معكوس التركيز المولي لـ H +). العديد من المعادن يمكن أن تتحلل الماء ، مما يعطي الهيدروجين وهيدروكسيد المعدن.
انحلال الأيونات (الأملاح ، الأحماض ، القواعد) هو نتيجة للطبيعة القطبية للماء. يميز تركيز أيون الملح منتج الذوبان. للأملاح قيم إنتاج مختلفة للذوبان ، وهو ما يفسر ظاهرة التبلور الجزئي أثناء تبخر محلول ملحي. في المستنقعات المالحة ، ترسب مياه البحر أولاً كربونات الكالسيوم ، كبريتات الكالسيوم ، ثم كلوريد الصوديوم وأخيراً الأملاح شديدة الذوبان مثل البوتاسيوم واليود والبروميدات.
من الخصائص المهمة على سطح الأرض انحلال ثاني أكسيد الكربون الذي ينتج عنه حامض ضعيف ، حمض الكربونيك ، المسؤول عن التجوية الكيميائية للعديد من الصخور ، ولا سيما الحجر الجيري. كمية ثاني أكسيد الكربون المذاب هي دالة للضغط ودالة عكسية لدرجة الحرارة. يمكن إذابة كربونات الكالسيوم على شكل كربونات حمض ثم إعادة ترسيبها وفقًا للتغيرات في درجة الحرارة والضغط ، كما في حالة الشبكات الكارستية.
المصدر: http://www.u-picardie.fr/
