الموسوعة الجغرافية المصغرة

الكاتب: رامي -

الموسوعة الجغرافية المصغرة


ب. مياه المحيطات



يشغل الماء حجماً أكبر من حجم أي مركب كيماوي آخر، على سطح الأرض. لذا، تسمى الأرض كوكب الماء، أو الكوكب الأزرق؛ وذلك لسيادة المسطحات المائية فيها. فالماء يغطي ما نسبته 70.8% من سطح الأرض، في حين يشغل اليابس منه 29.2% فقط. وتقدر كمية المياه، في الغلاف المائي للأرض، بنحو بليون ونصف بليون كيلومتر مكعب، أو ما يساوي 15 ألف مليون بليون لتر. وتشكل مياه البحار 97% من إجمالي المياه على الأرض. ويشكل الماء 85% من كتلة المخلوقات البحرية، وهو الوسط، الذي تجري فيه التفاعلات الكيماوية الحيوية لبقاء الأحياء البحرية. وخواص ماء المحيطات، هي خواص المياه العذبة نفسها، زائداً ما طرأ عليها من تعديل، نتيجة للعاملين التاليين:



(1) تفاعل المياه مع صخور القشرة الأرضية، المكونة للأحواض المحيطية؛ والمكونة للقارات، من خلال الدورة الهيدرولوجية.



(2) تفاعل المياه مع الأحياء البحرية.



لذا فإن الفهم الأفضل للعمليات الطبيعية، الجارية في مياه المحيطات؛ لا بد له من النظر في خواص الترابط بين جزيئات الماء، وانعكاس هذه الروابط على خواصه الفيزيائية والكيماوية؛ وفي طبيعة تفاعل الغلاف المائي مع الغلافين، الصخري والغازي؛ إلى جانب تأثر المياه المحيطية بصخور القشرة، والأحياء البحرية.



(1) خواص الماء



إن الماء، بما له من خواص، فيزيائية وكيماوية، هو أهم مركب على الأرض؛ بل لا حياة عليها من دونه. ومن صفاته الظاهرة، أنه عديم اللون[1] Colorless، والرائحة Odorless، والطعم Tasteless[2].



ولكن خواص الماء مرتبطة بتركيبه الجزيئي الفريد؛ لذا، لا بد من تناوله، قبل استعراضها.



التركيب الجزيئي للماء



إن من أهم خواص الماء، هو وجوده في الحالة السائلة، تحت درجات الحرارة العادية، التي تكون فيها أي مادة، لها وزنه الجزيئي نفسه، في حالته الغازية. فحالة المادة (صلبة، سائلة، غازية)، مرتبطة بوزنها الجزيئي Molecular Weight ؛ إذ إن الجزيئات الصغيرة تكون غازاً، والمتوسطة سائلاً، والكبيرة صلبة؛ وذلك نابع من أن قوة ترابط الجزيئات بعضها ببعض تعتمد على حجمها. لذا، فعند مقارنة الماء بمواد أخرى شبيهة، فالمتوقع أن يكون غازاً (انظر جدول بعض الخواص الطبيعية للماء، مقارنة بمركبات أخرى)، تحت ظروف درجات الحرارة العادية، على سطح الأرض. ويضاف إلى ذلك، أن كمية الحرارة اللازمة للإذابة، وتلك اللازمة للتبخر، هما عاليتان، بالنسبة إلى الماء.



وعمليتا الإذابة والتبخر، ليستا إلا فك للروابط البينية بين الجزيئات. وبما أن جزيئات الماء، يستهلك تفككها كمية أكبر من الطاقة (الحرارة)، فإن الروابط بينها، هي أقوى منها بين جزيئات المواد الأخرى، المشابهة للماء في تركيبها الجزيئي، كتلك التي تتركب جزيئاتها من ذرتين من الهيدروجين، وذرة من عنصر آخر، مثل كبريتيد الهيدروجين H2S مثلاً (انظر شكل تغير حالة الماء من صلب إلى سائل). وهو ما حمل العلماء على البحث عن قوة إضافية، تربط جزيئات الماء بعضها ببعض.



ثمة تجاذب ضعيف، نسبياً، بين جزيئات أي مادة، ناتج من القوى الإلكتروستاتيكية، بين الذرات الموجبة الشحنة، في أحد الجزيئات، والذرات السالبة الشحنة في جزيء آخر. ويتغلب التجاذب على التنافر الإلكتروستاتيكي، بين ذرات الجزيئات وإلكتروناتها.



قوة التجاذب هذه، تعرف بقوة فان دير والس Van Der Waals Force. وتصبح فاعلة، عندما تتقارب الجزيئات تقارباً كبيراً؛ كما في السوائل، والمواد الصلبة. ويزداد التجاذب قوة، كلما كان الجزيء أثقل؛ لذا، تزداد كمية الطاقة، اللازمة للتغلب على قوة فان دير والس، لتغيير حالة المادة، كلما ازداد الوزن الجزيئي. ونتيجة لذلك، تزداد نقطة ذوبان المواد ونقطة غليانها، مع ازدياد ذلك الوزن.



ولتكسير الروابط بين الجزيئات، لا بد من ضخ طاقة بينها، تتغلب عليها أو على بعضها؛ فتتمكن الجزيئات من زيادة سرعة حركتها. وهذه هي الروابط، التي ينبغي التغلب عليها، لتحويل المادة من حالة الصلابة إلى الحالة السائلة، أو من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية. في الحالة الصلبة، تكون قوة فان دير والس قوية جداً، الجزيئات متقاربة جداً؛ فلا تستطيع أن تتحرك؛ وإنما تقتصر على الاهتزاز، وهي في مكانها.



في الحالة السائلة، تكون الجزيئات قد اكتسبت قدراً من الطاقة، يمكنها من التغلب على كثير من روابط فان دير والس؛ وتتحرك حول بعضها بحرية أكثر؛ ولكنها تظل مشدودة بعضها إلى بعض. وفي هذه الحالة، تظهر جميع أشكال حركة الجزيئات، من اهتزاز Vibration، ودوران Rotation، وانتقال Translation.



في الحالة الغازية، تنطلق الجزيئات، وتتحرر من جميع الروابط. ويصبح العشوائي الانتقال، هو السمة الوحيدة لحركة بعضها حول بعض. ويقتصر التأثير المتبادل بينها، في هذه الحالة، على اصطدامها، خلال حركتها العشوائية.



لاحظ العلماء وجود قوة تربط بين جزيئات الماء، إلى جانب قوة فان دير والس. ويعزى إلى تلك القوة الإضافية ارتفاع درجة حرارة نقطة ذوبان الماء، ونقطة غليانه، عما هما عليه في المركبات الشبيهة به. وتلك القوة مرتبطة بالشكل الفريد لجزيء الماء، وتوزُّع الشحنات في الذرات المكونة للجزيء.



توضح الأشعة السينية، أن الذرات في جزيء الماء، لا تترابط بشكل خطي، ولا بزاوية قائمة (انظر شكل ترابط الذرات في جزيء الماء). ولكن الارتباط بين ذرتي الهيدروجين وذرة الأكسجين، بزاوية 104.5ْ؛ وهو ارتباط تساهمي[3] Covalent Bond ـ يكون فيه إلكترون الهيدروجين مشتركاً بين الذرتين (انظر شكل تركيب جزيء الماء). ونتيجة للطبيعة القطبية للروابط في جزيء الماء، تتوزع الشحنات الكهربائية توزعاً غير متوازن؛ إذ تحمل ذرة الأكسجين شحنة سالبة، وتحمل ذرتا الهيدروجين شحنتين موجبتين. وحقيقة قطبية جزيء الماء، تعني جذب جانبه الموجب للجانب السالب من جزيء آخر (انظر شكل تجاذب جزئيات الماء). هذا التجاذب بين جزيئات الماء، يفسر كمية الحرارة العالية، نسبياً، اللازمة لفصل الجزيئات بعضها عن بعض، عند تحويلها من حالة السيولة إلى حالة الغازية، مثلاً، أو من حالة الصلابة إلى حالة السيولة. حتى عند تجمد الماء، وتكوّن البلورات الثلجية، التي تترابط فيها الجزيئات، في الغالب، بشكل سداسي، تظل هذه الروابط موجودة. هذه الروابط الإضافية، هي ما يطلق عليه الروابط الهيدروجينية[4] Hydrogen Bonds (انظر شكل الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء). فذرة الهيدروجين في جزيء الماء، ترتبط بذرة أكسجين ارتباطاً تساهمياً، وتنجذب إلى ذرة أكسجين أخرى من جزيء آخر، انجذاباً قطبياً، ناتجاً من شحنته السالبة، والشحنة الموجبة العالية، نسبياً، لذرة الهيدروجين، والناتجة من جهدها الأيوني[5] العالي Ionic Potential. فالروابط الهيدروجينية أقوى من روابط فان دير والس، ولكنها أضعف كثيراً من الروابط التساهمية. ففي حين لا يتطلب فك جزيء جرامي Mole (6.02 × 2310)، من الروابط الهيدروجينية، أكثر من 5 كيلوات كالوري 5 Kcal، يتطلب فك مقدار مساوٍ، من الروابط التساهمية، 90ـ100 كيلو كالوري[6]. الروابط التساهمية، هي داخل الجزيء؛ بينما الروابط الهيدروجينية، هي بين الجزيئات، وهي ناتجة تجاذب الأقطاب، السالبة والموجبة، لجزيئات المادة.



ترتبط ذرتا الهيدروجين، في جزيء الماء H2O، ارتباطاً هيدروجينياً بجزيئين مجاورين؛ إضافة إلى ارتباط ذرة الأكسجين في الجزيء، بذرتي هيدروجين أخريين، من جزيئين مجاورين آخرين، ارتباطاً هيدروجينياً (انظر شكل الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء).



لذا، فكل جزيء ماء، تربطه روابط هيدروجينية بأربعة جزيئات مجاورة، في تنظيم رباعي Tetrahedral Arrangement. وتشير القياسات إلى أنه عند درجة حرارة 20ْ مئوية، يوجد خمسة جزيئات من الماء مرتبطة بعضها ببعض؛ ولكن عدد الجزيئات المترابطة، في كل جزيء، يزداد مع انخفاض درجة الحرارة، وينقص مع ارتفاعها.



هذه الروابط بين جزيئات الماء، هي سبب الحاجة إلى مزيد من الحرارة (الطاقة) لفصل تلك الجزيئات، عند تحوُّل الماء من حالة السيولة إلى الحالة الغازية، ومن ثلج إلى سائل. كما تفسر هذه الروابط، كذلك، السعة الحرارية[7] Latent Heat العالية للماء.



وبعبارة أخرى، فإنه يمكن الاستعانة بشكل جزيء الماء، والتوزيع القطبي للشحنات فيه، والروابط الهيدروجينية بين جزيئاته، لتفسير بعض خواصه الفيزيائية، مثل، قدرة الماء على الإذابة؛ والخواص الحرارية للماء، والتغير في كثافته وفي لزوجته، مع التغير في درجات الحرارة، والشد السطحي للماء.



(2) قدرة الماء على إذابة المواد الأخرى



للماء قدرة فائقة على إذابة كثير من المواد، إنما بدرجات متفاوتة؛ والاحتفاظ بها ذائبة فيه. فما أن يحرك السكر، مثلاً، في كوب الشاي، حتى يذوب ويختفي. وكذلك الملح في الحساء. بل إن بعض مظاهر سطح الأرض، ناجمة عن إذابة الماء لبعض مكونات الصخور. فكيف يمكن الماء أن يكون فعالاً في إذابة هذه المواد المختلفة؟



تدفع جزيئات الماء قطبيتها إلى الأسطح السالبة الشحنة[8]، بالطرف الذي به ذرة الهيدروجين الموجبة الشحنة، وإلى الأسطح الموجبة الشحنة بالطرف الذي به ذرة الأكسجين السالبة الشحنة تجاه. هذا التوجيه لجزيئات الماء، في المجال الكهربائي[9] Electrical Field، يعادل شحناته، ويبطل مفعولها Neutralize the Field.



وحينما تتراصّ جزيئات الماء وتترابط، تحت تأثير قطبية الشحنات، في تجمعات معقدة؛ ترتفع قدرتها على تخفيض شدة المجال الكهربائي. وبناءً عليه، ينخفض التجاذب الإلكتروستاتيكي Electrostatic Attraction، بين الأيونات[10]. ويمكن الماء أن يخفض هذه الروابط إلى 0.0125 من قوتها الأصلية؛ ما يؤدي، في الغالب، انفصال الأيونات بعضها عن بعض.



ملح الطعام، كلوريد الصوديوم، Sodium Chloride،Na+Cl-؛ وهو مركب ذو روابط أيونية[11] Ionic bonds، يلفت إليه، مثلاً، أمران:



(أ) يوجد في ذرة الصوديوم Na 11 بروتوناً، في النواة، و11 إلكتروناً حولها؛ واحد فقط من هذه الإلكترونات في الغلاف الخارجي[12] Valence Shell؛ ينجذب إلى ذرة الكلورايد Cl، التي بها 17 بروتوناً، في النواة، و17 إلكتروناً حولها؛ 7 منها فقط في الغلاف الخارجي. وترتبط أيونات الصوديوم الموجبة الشحنة Na+، بأيونات الكلورايد السالبة الشحنة Cl- (انظر شكل الروابط البينية في الأيونات الملحية)، فتكوِّن البلورات الملحية الصلبة.



(ب) عند وضع الملح في الماء، تبدأ البلورات الملحية بالذوبان، نتيجة لانخفاض التجاذب الإلكتروستاتيكي، بين أيونات الصوديوم وأيونات الكلورايد، إلى 0.0125 من قوتها الأصلية؛ ما يسهل انفصالها بعضها عن بعض. إذ تنجذب أيونات الصوديوم، بشحنتها الموجبة، إلى القطب السالب لجزيء الماء؛ وتنجذب أيونات الكلورايد، بشحنتها السالبة، إلى القطب الموجب (انظر شكل الملح الذائب في الماء).



يتفاعل الماء مع كثير من المواد، بطرائق مختلفة. ولذلك يطلق عليه، أحياناً، المذيب العالمي Universal Solvent؛ على ما في هذا التعبير من المبالغة؛ إذ إن هناك العديد من المواد، لا تذوب فيه. وعندما تذوب مادة في الماء، فإن جزيئاتها وأيوناتها، تنجذب إلى جزيئاته، بالطريقة نفسها، التي تنجذب بها جزيئاته بعضها نحو بعض.



ذوبان مادة في مادة أخرى، ينتج محلولاً[13] Solution. وكل إذابة لمادة صلبة في مادة سائلة، يكون السائل هو المذيب، والصلب هو المذاب؛ فالسكر أو الملح، كما في المثال السابق، هو المذاب Solute، والماء هو المذيب Solvent. ولكن الإذابة، لا تقتصر على إذابة مادة صلبة فقط، في أخرى سائلة. فقد تذوب مادة غازية، مثلاً، في مادة سائلة، كذوبان الغازات في ماء البحر، مثل، النيتروجين، والأكسجين، وثاني أكسيد الكربون؛ وكذلك الغازات المذابة في المشروبات الغازية. وقد تذاب مادة سائلة في مادة غازية، مثل بخار الماء في الهواء. وقد تذاب مادة صلبة في مادة صلبة، كما يحدث في حالة خلط بعض المعادن الفلزية ببعض المواد، لإكسابها صفات إضافية Metallic alloys، مثل: البرونز Bronze، والفولاذ غير القابل للخدش Stainless Steel. ولكن الاهتمام، هنا، منصب على المواد الذائبة في ماء البحر؛ وأهمها: الأملاح، والغازات، وبعض المعادن الأخرى.



ويقاس تركُّز المواد الذائبة في المحاليل بطرائق عدة. وقد يعبر عنه بالنسبة المئوية، كمقياس لأجزاء المادة الذائبة إلى كل مائة جزء من المحلول؛ أو بالوزن في وحدة الحجوم، مثلاً، جرام في السنتيمتر المكعب؛ أو بوزن المادة الذائبة مقابل وزن المحلول، أو حجمها مقابل حجمه. وقد تعارف دارسو البحار والمحيطات، على الإشارة إلى تركُّز الأملاح في مياها بالنسبة؛ فمتوسط ملوحة مياه البحار 3.5% (خمسة وثلاثون في الألف). وللتعبير بالوزن عن تركُّزها، تستخدم الإشارة إلى كمية الأملاح (بالجرام) الذائبة في كل كيلوجرام من ماء البحر؛ وتبلغ في المتوسط 35 لكل كيلو جرام.










[1]     ولكن المياه العميقة تبدو زرقاء، لأن الماء يعكس الأشعة الزرقاء.



[2]     وحتى إن كان للماء رائحة أو طعم فلن يميزها الإنسان لوجود هذا السائل في فيه بشكل دائم.



[3]  الارتباط التساهمي Covalent Bond حيث ترتبط الذرتان وتسهم كل منهما بإلكترون مشترك في المدار الخارجي لكل منهما.



[4]  الروابط الهيدروجينية Hydrogen Bonds يقصد بها الترابط بين جزيئين يحويان أيون الهيدورجين الموجب الشحنة وأيون الأكسجين Oxygen O-2 أو أيون النيتروجين Nitrogen N-3، أو أيون الفلور Fluorine F-1 ، والتجاذب ينتج عن الطبيعة القطبية للروابط، ويعد الماء من أبرز أمثلة المواد، التي ترتبط جزيئاتها بالروابط الهيدورجينية.



[5]  الجهد الأيوني Ionic Potential هو نسبة شحنة الأيون إلى نصف قطره.



[6]  كيلوكالوري Kcal يساوي 1000 كالوري أو 1000 سعر حراري.



[7]  السعة الحرارية للمادة هي كمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارتها، درجة مئوية واحدة، وللماء سعة حرارية عالية مقارنة بالكثير من المواد الأخرى.



[8]  الشحنة الكهربائية Electric Charge من الخواص الأساسية للجسيمات الأولية Elementary Particles وقد تكون الشحنة سالبة، أو موجبة، أو صفر؛ وتقاس الشحنات بما يسمى كولومب Coulomb. ويساوي الكولومب الواحد مجموع الشحنات الكهربائية لعدد 6.25 × 1810 إلكتروناً.



[9]  المجال الكهربائي Electrical Field: الأثر التراكمي للشحنات الكهربائية.



[10] الأيونات: ذرات أو جزيئات مشحونة بشحنات سالبة، أو موجبة ناتجة عن اكتساب أو فقدان إلكترونات.



[11] الروابط الأيونية: يقصد بها القوى الإلكتروستاتيكية التي تربط اثنين أو أكثر من الأيونات ببعضها.



[12] فالنسي شيل Valence Shell: تشير إلى الغلاف الخارجي، وتشير فالنسي Valence إلى قوة الارتباط بين الذرات.



[13] المحلول Solution: هو خليط متجانس من نوعين أو أكثر من الذرات، أو الجزيئات، أو الأيونات.



[14] الحرارة النوعية Specific Heat: ثابت نسبي يربط بين التغير في الطاقة الداخلية للمادة ودرجة حرارتها المطلقة.



[15] التوصيل الحراري Thermal conductivity: مقياس لسرعة انتقال الطاقة الحرارية بين الجزيئات.



[16] الحرارة الكامنة: هي إجمالي الطاقة المستهلكة في، أو الناتجة عن تغير الحالة (الإذابة، التبخر) دون تغير في درجة الحرارة.



[17] السعة الحرارية للمادة هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جرام واحد من المادة درجة مئوية واحدة.



[18] الكثافة Density: وتساوي كتلة المادة على حجمها.



[19] يقصد باللزوجة Viscosity: التماسك الداخلي أو خاصية مقاومة التدفق.



[20] باسكال Pascal (Pa): وحدة قياس، وتساوي نيوتن لكل متر مربع.



[21] تستخدم هذه الطريقة لمعرفة الاتجاهات، إذا لم يتوفر بوصلة. وذلك عن طريق وضع إبرة معدنية بعناية على سطح الماء في إناء غير معدني، فتشير إلى الشمال المغناطيسي.



[22] ذرات مشحونة كهربائياً نتيجة لتبادل الإلكترونات.



[23] المياه الأولية Juvenile Waters مياه تظهر لأول على القشرة الأرضية، سواء على اليابس أو في قاع المحيط، ومصدرها باطن الأرض، والصخور البركانية، التي تتدفق من باطن الأرض نحو السطح خلال الشقوق في قشرة الأرض.



[24] أحيد أواسط المحيطات Mid-Oceanic Ridges سلاسل من المرتفعات الضخمة تمتد في أواسط قيعان المحيطات تتباعد قمتها الصفائح التكتونية مفسحة المجال لصخور باطنية جديدة للظهور على قشرة الأرض.



[25] التي لا تتصل بالمحيطات إلا اتصالاً محدوداً.



[26] البحار الداخلية Inland Seas: هي البحار التي تمتد داخل اليابس.



[27] باب المندب Bab el-Mandeb: مضيق يصل البحر الأحمر بخليج عدن والمحيط الهندي، عرض في أضيق نقطة لا يتجاوز 12.5 كيلومتر.



[28] هالوكلاين Halocline: هي الطبقة المتوسطة من مياه المحيطات، تنحدر فيها الملوحة بسرعة مع الارتفاع نحو سطح المحيط. في العروض العليا، ويحدث العكس في العروض الأخرى. والتسمية مشتقة من الكلمتين هالو Halo بمعنى ملوحة، وكلاين Cline بمعنى انحدار. ولا يوجود لهذه الطبقة في العروض العليا.



[29] مليلتر Millilitre = 1000/1 من اللتر = سنتيمتر مكعب CM3.



[30] تتفاوت سرعة ترسب Fall Velocity العوالق في المياه حسب وزنها، وحسب حركة المياه.



[31] الغبار الكوني Cosmic Dust: حبيبات غبارية منتشرة في الفضاء الخارجي، قد يدخل بعضها الغلاف الغازي للأرض، فيتساقط بفعل الجاذبية الأرضية نحو السطح.



[32] علاقة عكسية.



[33] علاقة إيجابية.



[34] البيكنوكلاين Pycnocline: طبقة التغير السريع في كثافة الماء، وتفصل بين الطبقة السطحية والمياه العميقة، وهي مركبة من الكلمتين بيكنو Pycno: بمعنى كثافة، وكلاين Cline بمعنى انحدار أو تغير.



[35] ثيرموكلاين Thermocline: طبقة تحت المياه السطحية في المحيطات تنحدر فيها درجات حرارة المياه مع العمق بسرعة. وتمتد في الأعماق بين 100 متر و1500 متر تحت سطح الماء. وتسميتها مشتقة من كلمتي ثيرمو Thermo حراري، وكلاين Cline انحدار.



[36] درجة حرارة الكثافة القصوى للماء Temperature of Maximum Density: هي درجة الحرارة التي يبلغ عندها الماء أقصى كثافة وتساوي 3.98ْ مئوية.





شارك المقالة:
8 مشاهدة
هل أعجبك المقال
0
0

مواضيع ذات محتوي مطابق

التصنيفات تصفح المواضيع دليل شركات العالم
youtubbe twitter linkden facebook