الماء (H2O) له العديد من الخصائص الفيزيائية والكيميائية المهمة، ومن الناحية الفيزيائية على الرغم من أن هذه الخصائص مألوفة بسبب الوجود الكلي للماء، إلا أن معظم الخصائص الفيزيائية للماء غير نمطية تمامًا.
الماء
- في الكيمياء الماء هو عبارة عن جزيء غير عضوي يمتلك الصيغة الكيميائية التالية: (H2O)، يتكون من الأكسجين والهيدروجين وهو عبارة عن جزيء قطبي، له العديد من الخصائص التي يتميز بها بشكل خاص منها: التماسك وهو جاذبية الجزيئات لجزيئات أخرى من نفس النوع، والتلاصق وهو جاذبية الجزيئات لجزيئات أخرى من نوع مختلف.
- بالنظر إلى الكتلة المولية المنخفضة للجزيئات المكونة لها، فإن الماء يمتلك قيم كبيرة بصورة غير اعتيادية من اللزوجة والتوتر السطحي وغيرها، ويعود لك إلى تفاعلات الترابط الهيدروجيني الواسعة الموجودة في الماء السائل، يفسر الهيكل المفتوح للجليد الذي يسمح بأقصى قدر من الترابط الهيدروجينى سبب كون الماء الصلب أقل كثافة من الماء السائل، وهو وضع غير معتاد للغاية بين المواد الشائعة
- يمتلك جزيء الماء كتلة مولية مقدارها 18.0151 جرام لكل مول، ونقطة الانصهار صفر درجة مئوية ونقطة الغليان 100 درجة مئوية، علما أن أقصى كثافة (عند 3.98 درجة مئوية) هي 1.00 جرام لكل سنتيمتر مكعب، والكثافة عند 25 درجة مئوية تساوي 0.99701 جرام لكل سنتيمتر مكعب.
- إن ضغط البخار (عند 25 درجة مئوية) للماء مقداره 23.75 تور وحرارة الانصهار (0 درجة مئوية) 6.010 كيلو جول لكل مول، حرارة التبخير (100 درجة مئوية) 40.65 كيلو جول لكل مول، حرارة التكوين (25 درجة مئوية) −285.85 كيلو جول لكل مول، إنتروبيا التبخير (25 درجة مئوية) 118.8 جول لكل درجة مئوية مول، اللزوجة 0.8903 سنتيبواز، التوتر السطحي (25 درجة مئوية) 71.97 داين لكل سنتيمتر.
خصائص الماء
- الماء قطبي: إن جزيئات الماء قطبية مع شحنات موجبة جزئية على الهيدروجين وشحنة سالبة جزئية على الأكسجين وهيكل عام منحني؛ وذلك لأن الأكسجين أكثر كهروسلبية مما يعني أنه أفضل من الهيدروجين في جذب الإلكترونات>
- الماء مذيب ممتاز: إذ يتمتع الماء بقدرة فريدة على إحلال العديد من المواد القطبية والأيونية أيضا، وهذا أساسي لكل الكائنات الحية لأنه خلال انتقال الماء عبر دورة المياه، فإنه يأخذ معه الكثير من العناصر الغذائية القيمة.
- الماء له خصائص تماسك وتلاصق: حيث تمتلك جزيئات الماء قوى تماسك قوية بسبب قدرتها على تكوين روابط هيدروجينية مع بعضها البعض، وقوى التماسك هي المسؤولة عن التوتر السطحي، وأن سطح السائل يقوم بمقاومة التمزق عند وضعه تحت تأثير التوتر أو الإجهاد، ويحتوي الماء أيضًا على خصائص تسمح له بالالتصاق بمواد أخرى غير نفسه، وهذه الخصائص مهمة من أجل عملية نقل السوائل في العديد من أشكال الحياة.
- الماء ذو سعة حرارية عالية: يتطلب رفع درجة حرارة كمية معينة من الماء قدرًا كبيرًا من الطاقة لذلك يساعد الماء في تنظيم درجة الحرارة في البيئة، على سبيل المثال، تسمح هذه الخاصية أن تظل درجة حرارة الماء في البركة ثابتة نسبيًا من النهار إلى الليل بغض النظر عن درجة حرارة الغلاف الجوي المتغيرة.
- الماء لديه حرارة عالية من التبخر: يستخدم البشر (والحيوانات الأخرى التي تتعرق) حرارة التبخر العالية للماء للتبريد، يتم تحويل الماء من شكله السائل إلى بخار عند الوصول إلى حرارة التبخر، نظرًا لأن العرق يتكون في الغالب من الماء فإن الماء المتبخر يمتص حرارة الجسم الزائدة والتي يتم إطلاقها في الغلاف الجوي، ويُعرف هذا بالتبريد بالتبخير.
- الماء أقل كثافة كمادة صلبة من السائل: عندما يتجمد الماء تشكل الجزيئات بنية بلورية تفصل الجزيئات عن بعضها البعض أكثر من الماء السائل، وهذا يعني أن الجليد أقل كثافة من الماء السائل ولهذا السبب يطفو، وهذه الخاصية مهمة لأنها تعمل على الحفاظ على البحيرات والمحيطات وغيرها من المصادر المائية من التجمد.
الخصائص الكيميائية للماء
التفاعلات الحمضية القاعدية
- يخضع الماء لأنواع مختلفة من التفاعلات الكيميائية، وواحدة من أهم الخصائص الكيميائية للماء هي قدرته على التصرف كحمض (مانح للبروتون) وقاعدة (متقبل للبروتون) وهي الخاصية المميزة للمواد المتذبذبة، ويظهر هذا السلوك بشكل أكثر وضوحًا في التأين الذاتي للماء:
H2O(l) + H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + OH−(aq)
- حيث يمثل (l) الحالة السائلة ويشير (aq) إلى أن الأنواع مذابة في الماء، كما وتشير الأسهم المزدوجة إلى أن التفاعل يمكن أن يحدث في أي من الاتجاهين وأن هناك حالة توازن، وعند 25 درجة مئوية (77 درجة فهرنهايت) يكون تركيز (+H) (أي +H3O، المعروف باسم أيون الهيدرونيوم) في الماء 1.0 × 10−7 مولار.
- نظرًا لأنه يتم إنتاج أيون (-OH) واحد لكل أيون هيدرونيوم، فإن تركيز (-OH) عند 25 درجة مئوية هو أيضًا 1.0 × 10−7 مولار، علما أنه في الماء عند 25 درجة مئوية يجب أن يكون تركيز أيون الهيدرونيوم مضروبا في تركيز أيون الهيدروكسيد دائمًا 1.0 × 10−14، كالتالي: ([H+][OH−] = 1.0 × 10−14).
- عندما يذوب حمض (مادة يمكن أن ينتج أيونات H+) في الماء، يساهم كل من الحمض والماء في أيونات الهيدروجين في المحلول، يؤدي هذا إلى موقف يكون فيه تركيز أيون الهيدروجين أكبر من 1.0 × 10−7 مولار، ولأنه يجب دائمًا أن يكون صحيحًا أن ([H+][OH−] = 1.0 × 10−14) عند 25 درجة مئوية فإن [OH−] يجب تخفيضه إلى قيمة أقل من 1.0 × 10-7.
| المحلول المتعادل | [H+] = [OH−] | pH = 7 |
| المحلول الحمضي | [H+] > [OH−] | pH < 7 |
| المحلول القاعدي | [OH−] > [H+] | pH > 7 |
تفاعلات الأكسدة والاختزال
- عندما يتلامس معدن نشط مثل الصوديوم مع الماء السائل، يحدث تفاعل طارد للحرارة عنيف (منتج للحرارة) يطلق غاز الهيدروجين المشتعل:
2Na (s) + 2H2O (l) → 2Na + (aq) + 2OH− (aq) + H2 (g)
- هذا مثال على تفاعل الأكسدة والاختزال وهو تفاعل يتم فيه نقل الإلكترونات من ذرة إلى أخرى، وفي هذه الحالة يتم نقل الإلكترونات من ذرات الصوديوم (مكونة أيونات الصوديوم) إلى جزيئات الماء لإنتاج غاز الهيدروجين وأيونات الهيروكسيد، تعطي الفلزات القلوية الأخرى تفاعلات مماثلة مع الماء.
- تتفاعل المعادن الأقل نشاطًا ببطء مع الماء، على سبيل المثال يتفاعل الحديد بمعدل ضئيل مع الماء السائل ولكنه يتفاعل بسرعة أكبر بكثير مع البخار المحمص لتكوين أكسيد الحديد وغاز الهيدروجين، المعادن النبيلة مثل الذهب والفضة لا تتفاعل مع الماء على الإطلاق.
وفي نهاية ذلك فإن الماء قادر على إذابة الجزيئات والأيونات القطبية الأخرى مثل السكريات والأملاح، ومع ذلك فإن الجزيئات غير القطبية مثل الزيوت تفتقر إلى الشحنات الجزئية الموجبة أو السالبة الجزئية لذلك لا تنجذب إلى جزيئات الماء، وهذا هو السبب في بقاء المواد غير القطبية مثل الزيت منفصلة عند إضافتها إلى الماء.
