الماء قطبي

تشكل ذرات الهيدروجين والأكسجين داخل جزيئات الماء روابط تساهمية قطبية. تقضي الإلكترونات المشتركة وقتًا أطول مرتبطة بذرة الأكسجين مما تقضيه مع ذرات الهيدروجين. لا توجد شحنة كلية لجزيء الماء، ولكن توجد شحنة موجبة طفيفة على كل ذرة هيدروجين وشحنة سالبة طفيفة على ذرة الأكسجين. وبسبب هذه الشحنات، تتنافر ذرات الهيدروجين الموجبة قليلًا مع بعضها البعض وتشكل الشكل الفريد الذي يظهر في شكل 2.7. يجذب كل جزيء ماء جزيئات ماء أخرى بسبب الشحنات الموجبة والسالبة في الأجزاء المختلفة من الجزيء. يجذب الماء أيضًا جزيئات قطبية أخرى (مثل السكريات)، مكونًا روابط هيدروجينية. عندما تشكل مادة ما روابط هيدروجينية بسهولة مع الماء، يمكنها أن تذوب في الماء ويشار إليها باسم محب للماء (hydrophilic). لا تتشكل الروابط الهيدروجينية بسهولة مع المواد غير القطبية مثل الزيوت والدهون (شكل 2.8). هذه المركبات غير القطبية هي كارهة للماء (hydrophobic) ولن تذوب في الماء.

شكل 2.8 كما تظهر هذه الصورة العيانية للزيت والماء، فإن الزيت مركب غير قطبي، وبالتالي لن يذوب في الماء. الزيت والماء لا يختلطان. (المصدر: Gautam Dogra)

الماء يثبت درجة الحرارة

تسمح الروابط الهيدروجينية في الماء بامتصاص الطاقة الحرارية وإطلاقها ببطء أكثر من العديد من المواد الأخرى. درجة الحرارة (Temperature) هي مقياس لحركة (الطاقة الحركية) الجزيئات. كلما زادت الحركة، زادت الطاقة وبالتالي زادت درجة الحرارة. يمتص الماء قدرًا كبيرًا من الطاقة قبل أن ترتفع درجة حرارته. تؤدي زيادة الطاقة إلى تعطيل الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء. ولأن هذه الروابط يمكن إنشاؤها وتعطيلها بسرعة، فإن الماء يمتص زيادة في الطاقة وتتغير درجة الحرارة بشكل طفيف فقط. هذا يعني أن الماء يلطف تغيرات درجة الحرارة داخل الكائنات الحية وفي بيئاتها. مع استمرار إدخال الطاقة، يتجه التوازن بين تكوين الروابط الهيدروجينية وتدميرها نحو جانب التدمير. يتم كسر روابط أكثر مما يتم تكوينه. تؤدي هذه العملية إلى إطلاق جزيئات ماء فردية على سطح السائل (مثل جسم مائي، أوراق نبات، أو جلد كائن حي) في عملية تسمى التبخر (evaporation). يسمح تبخر العرق، الذي يتكون 90 بالمائة منه من الماء، بتبريد الكائن الحي، لأن كسر الروابط الهيدروجينية يتطلب إدخال طاقة ويأخذ الحرارة بعيدًا عن الجسم.

على العكس من ذلك، مع انخفاض الحركة الجزيئية وانخفاض درجات الحرارة، تقل الطاقة اللازمة لكسر الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء. تبقى هذه الروابط سليمة وتبدأ في تشكيل بنية صلبة شبيهة بالشبكة (مثل الجليد) (شكل 2.9أ). عندما يتجمد، يكون الجليد أقل كثافة من الماء السائل (الجزيئات متباعدة أكثر). هذا يعني أن الجليد يطفو على سطح المسطحات المائية (شكل 2.9ب). في البحيرات والبرك والمحيطات، يتكون الجليد على سطح الماء، مما يخلق حاجزًا عازلًا لحماية الحياة الحيوانية والنباتية تحت السطح من التجمد في الماء. لو لم يحدث ذلك، لتجمدت النباتات والحيوانات التي تعيش في الماء في كتلة من الجليد ولما استطاعت التحرك بحرية، مما يجعل الحياة في درجات الحرارة الباردة صعبة أو مستحيلة.

شكل 2.9 (أ) التركيب الشبكي للجليد يجعله أقل كثافة من جزيئات الماء السائل المتدفقة بحرية. تسمح الكثافة المنخفضة للجليد (ب) بالطفو على الماء. (المصدر أ: تعديل لعمل Jane Whitney؛ المصدر ب: تعديل لعمل Carlos Ponte)

الماء مذيب ممتاز

نظرًا لأن الماء قطبي، وله شحنات موجبة وسالبة طفيفة، يمكن للمركبات الأيونية والجزيئات القطبية أن تذوب فيه بسهولة. لذلك، يُشار إلى الماء على أنه مذيب (solvent)—وهي مادة قادرة على إذابة مادة أخرى. ستشكل الجسيمات المشحونة روابط هيدروجينية مع طبقة محيطة من جزيئات الماء. يُشار إلى هذا باسم كرة الإماهة ويعمل على إبقاء الجسيمات منفصلة أو متفرقة في الماء. في حالة ملح الطعام (NaCl) الممزوج بالماء (شكل 2.10)، تنفصل أيونات الصوديوم والكلوريد، أو تتفكك، في الماء، وتتشكل كرات الإماهة حول الأيونات. يُحاط أيون الصوديوم المشحون إيجابًا بالشحنات السالبة جزئيًا لذرات الأكسجين في جزيئات الماء. ويُحاط أيون الكلوريد المشحون سلبًا بالشحنات الموجبة جزئيًا لذرات الهيدروجين في جزيئات الماء. يُشار إلى كرات الإماهة هذه أيضًا باسم أغلفة الإماهة. قطبية جزيء الماء تجعله مذيبًا فعالًا وهو مهم في أدواره العديدة في الأنظمة الحية.

شكل 2.10 عندما يخلط ملح الطعام (NaCl) بالماء، تتشكل كرات الإماهة حول الأيونات.

الماء متماسك

هل ملأت كوبًا من الماء حتى الحافة ثم أضفت ببطء بضع قطرات أخرى؟ قبل أن يفيض، يشكل الماء في الواقع شكلًا قبة فوق حافة الكوب. يمكن أن يبقى هذا الماء فوق الكوب بسبب خاصية التماسك (cohesion). في التماسك، تنجذب جزيئات الماء إلى بعضها البعض (بسبب الترابط الهيدروجيني)، مما يبقي الجزيئات متماسكة عند السطح البيني للسائل والهواء (الغاز)، على الرغم من عدم وجود مساحة إضافية في الكوب. يؤدي التماسك إلى التوتر السطحي (surface tension)، وهي قدرة المادة على مقاومة التمزق عند تعرضها للشد أو الإجهاد. عندما تسقط قطعة صغيرة من الورق على قطرة ماء، تطفو الورقة فوق قطرة الماء، على الرغم من أن الجسم أكثر كثافة (أثقل) من الماء. يحدث هذا بسبب التوتر السطحي الذي تنشئه جزيئات الماء. يحافظ التماسك والتوتر السطحي على جزيئات الماء سليمة ويجعل الجسم يطفو على السطح. من الممكن حتى "تعويم" إبرة فولاذية فوق كوب من الماء إذا وضعتها برفق، دون كسر التوتر السطحي (شكل 2.11).

شكل 2.11 يسحب وزن الإبرة فوق الماء التوتر السطحي للأسفل؛ وفي الوقت نفسه، يسحب التوتر السطحي للماء الإبرة للأعلى، مما يعلق الإبرة على سطح الماء ويمنعها من الغرق. لاحظ الانبعاج في الماء حول الإبرة. (المصدر: Cory Zanker)

ترتبط هذه القوى المتماسكة أيضًا بخاصية الماء المتمثلة في الالتصاق (adhesion)، أو التجاذب بين جزيئات الماء والجزيئات الأخرى. يُلاحظ هذا عندما "يتسلق" الماء قشة موضوعة في كوب من الماء. ستلاحظ أن الماء يبدو أعلى على جوانب القشة منه في المنتصف. هذا لأن جزيئات الماء تنجذب إلى القشة وبالتالي تلتصق بها.

تعتبر قوى التماسك والالتصاق مهمة للحفاظ على الحياة. على سبيل المثال، بسبب هذه القوى، يمكن للماء أن يتدفق من الجذور إلى قمم النباتات لتغذية النبات.

المحاليل المنظمة، الأس الهيدروجيني، الأحماض، والقواعد

الأس الهيدروجيني (pH) للمحلول هو مقياس لحموضته أو قاعديته. ربما استخدمت ورق عباد الشمس (litmus paper)، وهو ورق عولج بصبغة طبيعية قابلة للذوبان في الماء بحيث يمكن استخدامه كمؤشر للأس الهيدروجيني، لاختبار كمية الحمض أو القاعدة (القاعدية) الموجودة في المحلول. ربما استخدمت بعضها للتأكد من معالجة مياه حمام السباحة الخارجي بشكل صحيح. في كلتا الحالتين، يقيس اختبار الأس الهيدروجيني هذا كمية أيونات الهيدروجين الموجودة في محلول معين. تؤدي التركيزات العالية من أيونات الهيدروجين إلى أس هيدروجيني منخفض، بينما تؤدي المستويات المنخفضة من أيونات الهيدروجين إلى أس هيدروجيني مرتفع. يرتبط التركيز الكلي لأيونات الهيدروجين عكسيًا بالأس الهيدروجيني الخاص بها ويمكن قياسه على مقياس الأس الهيدروجيني (pH scale) (شكل 2.12). لذلك، كلما زادت أيونات الهيدروجين الموجودة، انخفض الأس الهيدروجيني؛ وعلى العكس، كلما قلت أيونات الهيدروجين، ارتفع الأس الهيدروجيني.

يتراوح مقياس الأس الهيدروجيني من 0 إلى 14. يمثل التغير بوحدة واحدة على مقياس الأس الهيدروجيني تغيرًا في تركيز أيونات الهيدروجين بمعامل 10، ويمثل التغير بوحدتين تغيرًا في تركيز أيونات الهيدروجين بمعامل 100. وبالتالي، فإن التغيرات الصغيرة في الأس الهيدروجيني تمثل تغيرات كبيرة في تركيزات أيونات الهيدروجين. الماء النقي متعادل. فهو ليس حمضيًا ولا قاعديًا، وله أس هيدروجيني 7.0. أي شيء أقل من 7.0 (يتراوح من 0.0 إلى 6.9) حمضي، وأي شيء فوق 7.0 (من 7.1 إلى 14.0) قلوي. الدم في أوردتك قلوي قليلًا (pH = 7.4). البيئة في معدتك شديدة الحموضة (pH = 1 إلى 2). عصير البرتقال حمضي قليلًا (pH = حوالي 3.5)، بينما صودا الخبز قاعدية (pH = 9.0).

شكل 2.12 يقيس مقياس الأس الهيدروجيني كمية أيونات الهيدروجين (H⁺) في المادة. (المصدر: تعديل لعمل Edward Stevens)

الأحماض (Acids) هي مواد توفر أيونات الهيدروجين (H⁺) وتخفض الأس الهيدروجيني، بينما توفر القواعد (bases) أيونات الهيدروكسيد (OH^–) وترفع الأس الهيدروجيني. كلما كان الحمض أقوى، زادت سهولة تبرعه بأيونات H⁺. على سبيل المثال، حمض الهيدروكلوريك وعصير الليمون حمضيان جدًا ويتخليان بسهولة عن أيونات H⁺ عند إضافتهما إلى الماء. وعلى العكس، فإن القواعد هي تلك المواد التي تتبرع بسهولة بأيونات OH^–. تتحد أيونات OH^– مع أيونات H⁺ لإنتاج الماء، مما يرفع الأس الهيدروجيني للمادة. هيدروكسيد الصوديوم والعديد من المنظفات المنزلية قلوية جدًا وتتخلى عن أيونات OH^– بسرعة عند وضعها في الماء، وبالتالي ترفع الأس الهيدروجيني.

تعمل معظم الخلايا في أجسامنا ضمن نطاق ضيق جدًا من مقياس الأس الهيدروجيني، يتراوح عادةً من 7.2 إلى 7.6 فقط. إذا كان الأس الهيدروجيني للجسم خارج هذا النطاق، فإن الجهاز التنفسي يتعطل، وكذلك الأعضاء الأخرى في الجسم. تتوقف الخلايا عن العمل بشكل صحيح، وتتكسر البروتينات. يمكن أن يؤدي الانحراف خارج نطاق الأس الهيدروجيني إلى غيبوبة أو حتى الموت.

إذن كيف يمكننا تناول أو استنشاق مواد حمضية أو قاعدية ولا نموت؟ المحاليل المنظمة هي المفتاح. تمتص المحاليل المنظمة (Buffers) بسهولة أيونات H⁺ أو OH^– الزائدة، مما يحافظ على الأس الهيدروجيني للجسم ضمن النطاق الضيق المذكور أعلاه. ثاني أكسيد الكربون جزء من نظام منظم بارز في جسم الإنسان؛ فهو يحافظ على الأس الهيدروجيني ضمن النطاق الصحيح. يتضمن هذا النظام المنظم حمض الكربونيك (H₂CO₃) وأنيون البيكربونات (HCO₃^–). إذا دخل الكثير من أيونات H⁺ إلى الجسم، فسوف يتحد البيكربونات مع أيونات H⁺ لإنشاء حمض الكربونيك ويحد من انخفاض الأس الهيدروجيني. وبالمثل، إذا تم إدخال الكثير من أيونات OH^– إلى النظام، فسوف يتفكك حمض الكربونيك بسرعة إلى أيونات البيكربونات وأيونات H⁺. يمكن لأيونات H⁺ أن تتحد مع أيونات OH^–، مما يحد من زيادة الأس الهيدروجيني. بينما حمض الكربونيك منتج مهم في هذا التفاعل، فإن وجوده عابر لأن حمض الكربونيك يطلق من الجسم كغاز ثاني أكسيد الكربون في كل مرة نتنفس فيها. بدون هذا النظام المنظم، سيتذبذب الأس الهيدروجيني في أجسامنا كثيرًا وسنفشل في البقاء على قيد الحياة.