الوحدة الأولى - الدرس 4: خواص الماء والروابط الهيدروجينية وشذوذ الكثافة والتحليل الكهربي للماء بجهاز فولتامتر هوفمان
يُعد الماء سائل الحياة والركيزة البيئية العظمى لاستمرار الكائنات الحية على كوكب الأرض، وهو ينفرد بخصائص كيميائية وفيزيائية شاذة تميزه عن كافة السوائل الكيميائية المعروفة. ويرجع هذا السلوك الفريد إلى تركيب جزيء الماء التساهمي القطبي، والزاوية الهندسية المميزة بين رابطتيه والبالغة مائة وأربع درجات ونصف، والتي تفسح المجال لنشوء الروابط الهيدروجينية كقوى تجاذب إلكتروستاتيكي ضعيفة تجمع بين جزيئاته مسببة ارتفاع درجتي الغليان والتجمد. كما تتجلى معجزة شذوذ كثافة الماء في انخفاضها دون درجة أربع درجات مئوية بتكوين بلورات الثلج السداسية الفراغية ليطفو الجليد حافظاً الحياة البحرية القطبية، وصولاً إلى تحليله كهربياً بجهاز فولتامتر هوفمان إلى عنصريه الأوليين الهيدروجين والأكسجين وفق المنهج الوزاري المعتمد.
1. تركيب جزيء الماء والرابطة الهيدروجينية
يتكون جزيء الماء H₂O من ارتباط ذرة أكسجين بذرتي هيدروجين برابطتين تساهميتين أحاديتين الزاوية بينهما 104.5°:
- سبب نشأتها: كبر قيمة السالبية الكهربية لذرة الأكسجين (3.5) مقارنة بذرة الهيدروجين (2.1).
- المقارنة بالقوة: الرابطة الهيدروجينية
أضعف بكثيرمن الرابطة التساهمية، ولكنها مسؤولة عن شذوذ جميع خواص الماء الفيزيائية.
2. شذوذ كثافة الماء ودرجات التحول
الخواص الفيزيائية الفريدة للماء الناتج عن الروابط الهيدروجينية:
- ارتفاع درجتي الغليان والتجمد: يغلي الماء النقي عند
100°مويتجمد عندصفر°مفي الضغط الجوي المعتاد (بينما مركبات H₂S المشابهة تغلي في درجات سالبة). - مذيب قطبي عام: يذيب معظم المركبات الأيونية كملح الطعام، وبعض المركبات التساهمية كالسكر لقدرته على تكوين روابط هيدروجينية معه.
- شذوذ الكثافة عند التجمد: تقل كثافة الماء عند انخفاض درجة حرارته عن
4°م؛ حيث تتجمع الجزيئات بروابط هيدروجينية مكونة بلورات ثلج سداسية الشكل كبيرة الحجم بينها الكثير من الفراغات، فيزداد الحجم وتقل الكثافة ويطفو الثلج فوق السطح، مما يحافظ على حياة الكائنات المائية في القطبين.
3. التحليل الكهربي للماء وجهاز فولتامتر هوفمان
الماء النقي رديء التوصيل للكهرباء، لذا يُحمض بإضافة قطرات من حمض الكبريتيك المخفف أو كربونات الصوديوم ليصبح موصلاً للتيار:
| القطب | الشحنة الكهربية | الغاز المتصاعد | الكشف المخبري | نسبة الحجم الناتجة |
|---|---|---|---|---|
| المهبط (Cathode) | القطب السالب (-) | غاز الهيدروجين (H₂) | يشتعل بفرقعة عند تقريب شظية مشتعلة | ضعف حجم الأكسجين (2 حجم) |
| المصعد (Anode) | القطب الموجب (+) | غاز الأكسجين (O₂) | يزداد توهج الشظية المشتعلة | نصف حجم الهيدروجين (1 حجم) |
النسبة الحجمية: حجم غاز الهيدروجين المتصاعد عند المهبط = 2 × حجم غاز الأكسجين المتصاعد عند المصعد (2 : 1).
تمرين 1: حساب حجم الغاز في فولتامتر هوفمان
المسألة: عند تحليل كمية من الماء كهربياً، كان حجم الغاز المتصاعد عند المصعد 10 سم³. احسب حجم الغاز المتصاعد عند المهبط واذكر اسمه.
• الغاز المتصاعد عند المصعد هو غاز الأكسجين O₂ (10 سم³).
• الغاز المتصاعد عند المهبط هو غاز الهيدروجين H₂.
• حجم الهيدروجين = 2 × حجم الأكسجين = 2 × 10 = 20 سم³.
تمرين 2: علل ذوبان السكر في الماء رغم أنه تساهمي
المسألة: علل: يذوب السكر في الماء بالرغم من أنه من المركبات التساهمية.
• لأن جزيئات السكر تحتوي على مجموعات هيدروكسيل قطبية تستطيع تكوين روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء القطبية.
تمرين 3: علل انفجار زجاجات المياه المغلقة في الفريزر
المسألة: علل: تنفجر زجاجة مياه ممتلئة تماماً ومغلقة بإحكام عند وضعها في مجمد الثلاجة (الفريزر).
• لشذوذ كثافة الماء، حيث يزداد حجم الماء عند تجمده وتحوله إلى جليد دون 4°م، فتضغط الزيادة في الحجم على جدران الزجاجة المغلقة فتنفجر.
تمرين 4: دور الروابط الهيدروجينية في غليان الماء
المسألة: علل: ارتفاع درجة غليان الماء (100°م) مقارنة بمركب كبريتيد الهيدروجين H₂S (-61°م).
• لوجود الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء والتي تستهلك طاقة حرارية كبيرة لتكسيرها عند الغليان، بينما تنعدم هذه الروابط بين جزيئات H₂S.
تمرين 5: أثر الماء النقي على عباد الشمس
المسألة: ما أثر الماء النقي على ورقتي عباد الشمس الحمراء والزرقاء، ولماذا؟
• متعادل التأثير (لا يتغير لون أي منهما)؛ لأن الماء النقي عند تأينه يعطي أعداداً متساوية من أيونات الهيدروجين الموجبة H⁺ وأيونات الهيدروكسيد السالبة OH⁻.
تمرين 6: بلورات الثلج السداسية
المسألة: صف شكل بلورات الثلج وكيف تؤثر على كثافة الجليد.
• تتجمع الجزيئات بروابط هيدروجينية في شكل بلورات سداسية الشكل كبيرة الحجم تحتوي بينها الكثير من الفراغات الهوائية، فيزداد الحجم الكلي وتقل الكثافة فيطفو الثلج فوق الماء.
تمرين 7: لماذا يحمض الماء قبل التحليل الكهربي
المسألة: علل: إضافة قطرات من حمض الكبريتيك المخفف إلى الماء النقي في جهاز فولتامتر هوفمان.
• لأن الماء النقي رديء التوصيل للتيار الكهربائي، وتساعد إضافة الحمض على تأينه وجعله موصلاً جيداً للكهرباء لإتمام عملية التحليل.
تمرين 8: درجة الحرارة التي تكون عندها كثافة الماء أقصى ما يمكن
المسألة: حدد درجة الحرارة التي تكون عندها كثافة الماء أكبر ما يمكن وقيمتها.
• تكون كثافة الماء أكبر ما يمكن عند 4 درجات مئوية (+4°م) وقيمتها 1 جم/سم³، وتبدأ بالتناقص إذا انخفضت الحرارة عن ذلك.
اضغط على أي بطاقة لاكتشاف المعنى الدقيق، واضغط على أيقونة الصوت للاستماع للنطق:
اضغط على الإجابة لتتحقق من فهمك وتكتشف التفسير النموذجي فورياً: