ملخص الخواص الكيميائية للماء — أولى ثانوي

مقدمة

الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — البند 1-2

كل خلية في جسمك محاطة بغشاء بلازمي يمر الماء خلاله إلى داخلها حاملًا المواد اللازمة، ويخرج منها حاملًا الفضلات. لماذا يستطيع الماء إذابة ونقل كل هذه المواد؟ السر في تركيب جزيئه. في هذا الدرس نتعرف الخواص الكيميائية التي تجعل الماء داعمًا للحياة.

أهداف التعلم

أن تصف تركيب جزيء الماء ونسب كتلة عنصريه وزاوية الرابطة فيه.
أن تفسر قطبية جزيء الماء وتكوين الروابط الهيدروجينية.
أن توضح لماذا يُعد الماء مذيبًا عامًّا، وتصف ذوبان ملح الطعام فيه.
أن تميز بين الأملاح الحمضية والقاعدية والمتعادلة وتفسر قيم الرقم الهيدروجيني.

شرح الدرس

التركيب الكيميائي للماء

يتكون جزيء الماء $H_2O$ من اتحاد ذرة أكسجين وذرتي هيدروجين:

يمثل الأكسجين 88.89% من كتلة الجزيء، والهيدروجين 11.11%.
ترتبط ذرتا الهيدروجين بذرة الأكسجين برابطتين تساهميتين أحاديتين تحصران زاوية قياسها حوالي $104.5^\circ$ ؛ فالجزيء منحنٍ (زاوي) وليس خطيًّا.
الرابطة التساهمية: رابطة كيميائية بين ذرتين تنشأ بمشاركة كل ذرة بإلكترون أو أكثر.

حساب نسب الكتلة: الكتلة الذرية للهيدروجين 1 وللأكسجين 16، فكتلة الجزيء $= 2(1) + 16 = 18$ :

O\% = \frac{16}{18} \times 100 \approx 88.89\% \qquad H\% = \frac{2}{18} \times 100 \approx 11.11\%

والنسبة بين كتلة الهيدروجين وكتلة الأكسجين $= 2 : 16 = 1 : 8$ .

ولا يوجد الماء على سطح الأرض في صورة نقية؛ بل يحتوي على أيونات ومواد ذائبة أو متفاعلة معه.

قطبية الماء

السالبية الكهربية: مقياس لقدرة الذرة على جذب إلكترونات الرابطة الكيميائية نحوها.
سالبية الأكسجين أعلى من الهيدروجين؛ فتُستقطب إلكترونات الرابطة نحو الأكسجين، فيحمل شحنة سالبة جزئية $(\delta^-)$ ، وتحمل ذرتا الهيدروجين شحنة موجبة جزئية $(\delta^+)$ . وهذا ما يُعرف بقطبية جزيء الماء.

الرابطة الهيدروجينية

الرابطة الهيدروجينية: تجاذب كهروستاتيكي بين ذرة الهيدروجين الموجبة جزئيًّا في جزيء ماء، وذرة الأكسجين السالبة جزئيًّا في جزيء ماء مجاور.

يمكن أن يُحاط كل جزيء ماء سائل بما يصل إلى أربع روابط هيدروجينية مع الجزيئات المجاورة، فتتكون شبكة تمنح الماء خواصه الفريدة، وهي أضعف من الروابط التساهمية داخل الجزيء.
أثرها في درجة الغليان: كلما زادت الكتلة الجزيئية للمركب يُتوقع أن ترتفع درجة غليانه، لكن الماء (كتلته 18) يغلي عند $100^\circ C$ ، بينما يغلي كبريتيد الهيدروجين $H_2S$ (كتلته 34) عند $-61^\circ C$ ؛ والسبب الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء.

الماء مذيب عام

الماء مذيب عام لمعظم المواد؛ لأنه مركب قطبي يذيب المركبات الأيونية والمركبات التساهمية القطبية. عند إضافة مركب أيوني إلى الماء تتفكك شبكته البلورية إلى أيونات حرة محاطة بجزيئات الماء (أيونات متهدرتة) فلا ترتبط ببعضها مرة أخرى:

تنجذب الأيونات الموجبة إلى القطب السالب (ذرات الأكسجين).
تنجذب الأيونات السالبة إلى القطب الموجب (ذرات الهيدروجين).

الاتزان الأيوني للماء

يتأين الماء النقي تأينًا طفيفًا جدًّا فتتفكك بعض جزيئاته إلى أيونات هيدروجين $H^+$ (المسببة للحامضية) وأيونات هيدروكسيد $OH^-$ (المسببة للقاعدية) بتركيزات متساوية؛ فالماء النقي متعادل.

مثال (تفكك ملح الطعام): عند إضافة بلورات كلوريد الصوديوم $NaCl$ إلى الماء تتفكك إلى أيونات $Na^+$ و $Cl^-$ ، فيُحاط أيون الصوديوم بالشحنات السالبة الجزئية لذرات الأكسجين، ويُحاط أيون الكلوريد بالشحنات الموجبة الجزئية لذرات الهيدروجين. ولا يُعد ذوبان $NaCl$ تحللًا مائيًّا لأن أيوناته لا تتفاعل مع الماء لتكوين أحماض أو قواعد جديدة.

التحلل المائي للأملاح (التميؤ)

التحلل المائي: تفاعل يحدث عند ذوبان ملح صلب في الماء مكونًا حمضًا وقاعدة أحدهما أو كلاهما ضعيف. وتنقسم الأملاح إلى:

نوع الملح	ماذا يحدث؟	طبيعة المحلول	مثال
حمضي	يقل تركيز $OH^-$ ويزيد تركيز $H^+$	حمضي $(pH < 7)$	كلوريد الأمونيوم $NH_4Cl$
قاعدي	يقل تركيز $H^+$ ويزيد تركيز $OH^-$	قاعدي $(pH > 7)$	بيكربونات الصوديوم $NaHCO_3$
متعادل	لا يتغير تركيز $H^+$ و $OH^-$	متعادل تقريبًا $(pH \approx 7)$	يذكر الكتاب بيكربونات الأمونيوم $NH_4HCO_3$

الرقم الهيدروجيني (الأس الهيدروجيني) pH

الرقم الهيدروجيني: مقياس كمي يعبر عن درجة حمضية أو قاعدية السوائل والمحاليل، ويأخذ القيم من 0 إلى 14، ويعبر عن العلاقة بين تركيزي $H^+$ و $OH^-$ ، ويُستخدم في الكيمياء والأحياء والزراعة.

الحالة	العلاقة بين التركيزين	قيمة pH
متعادل (الماء النقي)	$[H^+] = [OH^-]$	$= 7$
حمضي	$[H^+] > [OH^-]$	$< 7$
قاعدي	$[OH^-] > [H^+]$	$> 7$

نشاط قياس pH لعينات مختلفة (بحر، نهر، آبار): نعاير جهاز القياس بالماء المقطر ونجفف القطب، ثم نضع كل عينة في كوب مرقم، ونغمر القطب في العينة ونسجل القراءة عند استقرارها، ونكرر لكل عينة. أو نغمس شريط اختبار pH في العينة ثوانٍ ونقارن لونه بالمخطط القياسي.

أمثلة وتطبيقات

فسّر: الماء مذيب قطبي ← لأن جزيئه يحمل شحنة سالبة جزئية على الأكسجين وموجبة جزئية على الهيدروجين.
فسّر: ارتفاع درجة غليان الماء عن $H_2S$ رغم أن كتلته الجزيئية أقل ← الروابط الهيدروجينية.
ماذا يحدث عند التحلل المائي لكلوريد الأمونيوم؟ يزيد تركيز $H^+$ ويقل تركيز $OH^-$ ، فيصبح المحلول حمضيًّا.
مثال: محلول قيمة pH له 4 حمضي، ومحلول قيمة pH له 9 قاعدي.

ملاحظات مهمة

زاوية الرابطة $104.5^\circ$ ، ونسبة الكتلة $H : O = 1 : 8$ .
الرابطة التساهمية داخل الجزيء، والرابطة الهيدروجينية بين الجزيئات.
ذوبان $NaCl$ تفكك وليس تحللًا مائيًّا.
عمليًّا يكون محلول بيكربونات الأمونيوم قريبًا من التعادل مع ميل ضعيف للقاعدية؛ والمطلوب في الكتاب اعتباره مثالًا للملح المتعادل.

المفاهيم الأساسية

جزيء الماء: أكسجين وذرتا هيدروجين برابطتين تساهميتين بزاوية $104.5^\circ$ .
القطبية: $\delta^-$ على الأكسجين و $\delta^+$ على الهيدروجين بسبب فرق السالبية الكهربية.
الرابطة الهيدروجينية: تجاذب بين جزيئات الماء، ترفع درجة الغليان وتساعد على الإذابة.
الماء مذيب عام للمركبات الأيونية والقطبية.
التحلل المائي: أملاح حمضية وقاعدية ومتعادلة. والـ pH من 0 إلى 14 والمتعادل 7.

ملخص الدرس

يتكون جزيء الماء من ذرة أكسجين وذرتي هيدروجين برابطتين تساهميتين بزاوية $104.5^\circ$ ، ولأن الأكسجين أعلى سالبية يصبح الجزيء قطبيًّا، فتتكون بين الجزيئات روابط هيدروجينية ترفع درجة الغليان وتجعل الماء مذيبًا عامًّا للمركبات الأيونية والقطبية. ويتأين الماء النقي تأينًا طفيفًا بتركيزين متساويين من $H^+$ و $OH^-$ فيكون متعادلًا. وعند ذوبان بعض الأملاح يحدث تحلل مائي يجعل المحلول حمضيًّا أو قاعديًّا أو متعادلًا، ونقيس ذلك بالرقم الهيدروجيني من 0 إلى 14.

أسئلة للتدريب

احسب النسبة المئوية لكتلة الأكسجين في جزيء الماء، والنسبة بين كتلتي الهيدروجين والأكسجين.
فسّر قطبية جزيء الماء.
عرّف الرابطة الهيدروجينية، ووضح أثرها في درجة غليان الماء.
صف ما يحدث عند ذوبان ملح الطعام في الماء. ولماذا لا يُعد تحللًا مائيًّا؟
ماذا يحدث لتركيز $H^+$ و $OH^-$ عند التحلل المائي لكل من $NH_4Cl$ و $NaHCO_3$ ؟