1. The Waters of the Sea مياه البحر
يمثل الماء 97% من مكونات ماء البحر
يكون الماء غالبا في الحالة السائلة لارتفاع درجة غليانه
يستطيع الماء ان يذيب تقريبا جميع المواد
يلعب الماء دورا كبيرا في السيطرة علي حرارة الارض
مع تحرك الماء في الدورة الهيدروجيولوجية تتحرك المواد المذابة والغازات الذائبة وكذلك المواد العالقة.

2. THE HYDROLOGICAL CYCLE

3. يوضح الشكل السابق تنقل المياه علي سطح الكرة الارضية فيما بين الارض والجو والمحيط وباطن الارض.
حالة الثبات في كمية المياه في المحيط تمثل تساوي المدخلات مع المخرجات.
مدخلات المياه الي المحيط تتمثل في الامطار ومصبات الانهار والمياه الجوفية ومخرجات البراكين.
أما المخرجات فالجانب الاكبر من خلال عملية التبخر وكمية قليلة تتسرب عبر قاع البحر .
90% من المياه المتبخرة من المحيط تعود اليه بالامطار.
ال10% المتبقية تعود الي المحيط بواسطة مصبات الانهار والمياه الجوفية.
يقدر زمن هذه الدورة ب3800 سنه

4. يعود تكون مياه المحيطات الي حوالي 3
يعود تكون مياه المحيطات الي حوالي 3.8 بلايين عام عند تكون الارض وانخفاض درجة الحرارة فتكثف بخار الماء في المحيطات الحالية.
علي مدار العصور الجيولوجية كان حجم مياه المحيطات ثابت بأستثناء العصر الجليدي (منذ عام) حيث تحول حوالي 4.2x107 km3 الي ثلج (مايعادل 3% من حجم المحيط) فأنخفض مستوي البحر حوالي 120 متر عن المستوي الحالي.
وبالنظر الي الازمنة الاطول فمن المتوقع تغير حجم الخزانات المختلفة ومثال ذلك عملية التكسر الضوئي لبخار الماء ليتحول الي H2وO2 وتسرب غاز H2 الي الفضاء الخارجي.
ومع استمرار العملية لملايين السنين سيحدث تغيرفي دورة المياه يترتب عليه تغييرات مناخية عنيفة بعضها طبيعي والاخر بسبب النشاط الانساني.

5. الخواص الفيزيائية للماء
الماء سائل غير عادي:
1-كثافة الماء السائل أكبر من كثافة الثلج.
2-الماء تقريباغير قابل للأنضغاط nearly incompressible.(نفس الكثافة واللزوجة في السطح والاعماق)
3- ذو طاقة كامنة عالية (محتوي كبير للحرارة ويلطف الجو)
4-ارتفاع درجة الغليان وانخفاض درجة التجمد.(يبقي في الحاله السائلة)
5-أرتفاع خاصية التوتر السطحي للماءhigh surface tension.
ترجع كل هذه الظواهر الغير عادية للماء الي تكون الربطة الهيدروجينية بين جزيئات الماء hydrogen bonds

6. تركيب جزئ الماء
توجد رابطة تساهمية قطبية بين ذرتي الاكسجين والهيدروجين نتيجة استقطاب الاكسجين لالكترونات الرابطة. polar covalent bond.
نتيجة لذلك تتكون شحنة شبه موجبة علي الهيدروجين واخري شبه سالبة علي الاكسجين.
يوجد زوجان من الالكترونات الغير مرتبطة علي ذره الاكسجين والشكل المتوقع هو tetrahedral بزاويه تقدر ب109.5
لكن الزاوية الفعلية في جزئ الماء قيمتها وهذا الحيود بسبب التنافر الحادث بين زوجي الالكترونات علي ذره الاكسجين.

7. حالات الماء The Phases of Water
الماء من المواد القليلة التي تتواجد في الحالات الثلاث (غاز-سائل-صلب)
بخار الماء كأي غاز قابل للانضغاط والتشكيل
جزيئات الماء في هذه الحاله متبعادة وبالتالي
الكثافة منخفضة (d= mass/volume)
كثافة الماء في الحالة السائلة أعلي من
الحالة الغازية (1 g/cm3 at 4 ˚C)
والجزيئات أكثر ترتيبا وترابطا.
عند زيادة الطاقة الحرارية مع ثبات الضغط علي الحالة السائلة تتحول الطاقة الي طاقة حركية للجزيئات وبالتالي الي الحالة الغازيه وتمثلها المعادلة
H2O(l) H2O(g)
تعرف هذه العملية بالتبخر والتكثف evaporation and condensation
ودرجة الحرارة ( ˚C100) تعرف بأسم درجة الغليان boiling point

8. هناك حالة أخري تمثل التحول من الحالة الصلبة الي الحالة السائلة والعكس
H2O(l) H2O(s)
تعرف هذه العملية باسم الذوبان والتجمد melting and freezing. ودرجة الحرارة (0 ˚C) تعرف باسم melting point and freezing point
وتحدث عندما تقل الطاقة الحرارية علي الحالة السائلة فتقل الطاقة الحركية للجزيئات ومن ثم تقل حركة الجزيئات وتكون اكثر انتظاما فتتحول الي الحالة الصلبة (ثلج)
والعكس صحيح واذا كان النظام مغلقا والضغط ثابت فتكون المعادلة في حالة اتزان ديناميكي.
ومع تقارب الجزيئات وانتظامها نتوقع ان تزداد الكثافة كما هو معتاد لجميع المواد ولكن في حالة الماء يحدث العكس فيزداد الحجم وبالتالي تقل الكثافة؟؟؟

9. الرابطة الهيدروجينية في الماء Hydrogen Bonding in Water
الرابطة الهيدروجينية تحدث نتيجة الاستقطاب الحادث في جزئ الماء وهي رابطة غير كيميائية ان جاز التعبير وتتكون بين جزيئات الماء المتجاورة وتصنف علي انها intermolecular force
وتعد الرابطة الهيدروجينية ضعيفة (5 kcal/mol)
بالمقارنة الي مثيلتها التساهمية (110 kcal/mol).
في الحالة الصلبة (الثلج) يتكون الحد الاقصي (4) للروابط
الهيدروجينة بين جزيئات الماء فتتباعد الجزيئات ويزداد
الحجم وبالتالي تقل الكثافة.
اما في الحالة السائلة رغم تقارب الجزيئات فان الطاقة
الحركية العالية تقوم بتكسير الروابط الهيدروجينية
فتتقارب الجزيئات ويقل الحجم وبالتالي تزداد الكثافة.
وهذا يفسر ارتفاع الثلج علي سطح الماء.

10. 1- أرتفاع درجة الغليان والتجمد:
Importance of hydrogen bonding in Physical-Biological Environment تأثير الرابطة الهيدروجينية في الماء علي الخواص الفيزيائية والبيولوجية في الطبيعة
1- أرتفاع درجة الغليان والتجمد:
عند مقارنة الماء بالمركبات المماثلة له في نفس
المجموعة فالمتوقع ان نجد درجة غليان عند -68 ˚C
ودرجة التجمد عند -90 ˚C كما بالشكل.
الواقع ان درجة الغليان هي 100 ˚C وتعزي هذه
الزيادة الكبيرة الي الطاقة اللازمة لتكسير الروابط
الهيدروجينية اولا ليصبح كل جزئ منفرد ثم تعمل
الطاقة علي خروج الجزئ منفردا الي الحالة الغازية.
أما درجة التجمد وهي 0 ˚C تعتبر صغيرة نسبيا
وذلك لتكون الروابط الهيدروجينية التي تعمل علي ترتيب الجزيئات بدون الحاجة لخروج كمية كبيرة من الطاقة.
وعليه فالماء موجود في الحالة السائلة.

11. 2- أرتفاع الطاقة الكامنة high heat capacity:
وهي مقياس لكمية الحرارة الممتصة مع ارتفاع وحدة درجة الحرارة.
قيمة الطاقة الكامنة للماء هي 1 cal ◦C−1 g−1
بينما للثلج 0.51 cal ◦C−1 g−1
وبخار الماء 0.48 cal ◦C−1 g−1
وتعود زيادة الطاقة الكامنة للماء الي
ان الطاقة التي تدخل الي السائل تستهلك
اولا في تكسير الروابط الهيدروجينية قبل
ان تتحول الي طاقة حركية والتي ترتفع
بسببها درجة حرارة الماء.
هذه الخاصيه لها تأثير كبير علي حالة المناخ والحياه علي الارض.
فالتغير في درجات الحرارة عبر الفصول المختلفة في المناطق الساحلية تكون غير كبيرة نتيجة امتصاص الماء لكمية كبيرة من الطاقة الحرارة في الصيف ثم اطلاق هذه الحرارة اثناء الشتاء.كما انها تنظم درجة حرارة الكائنات الحية.

12. 3- كثافة الماء (التمدد الحراري)
وجود الرابطة الهيدروجينية يؤدي
الي زيادة كثافة الماء عن الثلج.
وأعلي كثافة للماء (الحالة السائلة)
عند درجة حرارة 4 ˚C تكون
1 g/cm3 بينما كثافة الثلج (الحالة
الصلبة) عند درجة حرارة 0 ˚C تكون g/cm3 وعليه يطفو الثلج فوق سطح الماء وهذه الخاصية شديدة الاهمية للكائنات الحية التي تعيش في البحيرات (مياه عذبة) او المحيطات (مياه مالحة).
وذلك لأنه عند انخفاض درجة حرارة الجو في الشتاء الي 4 ˚C تزداد كثافة الماء علي السطح فتسقط هذه المياه الي قاع البحيرة او المحيط (عملية دوران المياه العميقة) فاذا انفخضت درجة الحرارة أكثر لتصل الي 0 ˚C تجمد الماء ذو الكثافة الاقل ليبقي طافيا فوق السطح ليعمل كطبقة حامية للمياه تحت هذه الطبقة وبالتالي يحافظ علي حياه جميع الكائنات الحية التي تعيش في الماء.

13. 4-ارتفاع التوتر السطحي surface tension:
ان وجود الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء في الحالة السائلة يجعل الماء وكأنه مغطي بطبقة رقيقة جدا من الجلد.
هذه الظاهرة لها اهمية كبيرة في فسيولوجيا الخلايا الحية.
5- أرتفاع اللزوجة high viscosity
اللزوجة تعرف علي انها قدرة السائل علي مقاومة تغيير حالته عند تعرضه لمؤثرات مختلفة.
وتعد لزوجة الماء عالية نظرا لوجود الروابط الهيدروجينية التي تعمل علي ترابط جزيئات الماء المتجاورة.
6- قابلية الانضغاط relatively low compressibility.
الماء ذو قابلية انضغاط منخفضة بسبب وجود الروابط الهيدروجينية التي تمنع الجزيئات المتجاورة من الانضغاط حتي تحت الضغوط العالية واذا علمنا ان الضغط يزداد 1 atm كل 10 متر فان الضغط المتوقع علي عمق 4000 متر في المحيط يعادل 400 ضعف الضغط علي السطح ومع ذلك لا يتأثر الماء تأثر كبير بهذا الضغط ولا تتغير كثافته.

14. WATER AS THE UNIVERSAL SOLVENT الماء كمذيب عام
الماء لديه القدره علي اذابة معظم المواد المعروفة وبخاصة تلك التي توجد في صورة ايونية او ذات رابطة تساهمية قطبية.
أكثر المواد شيوعا في ماء البحر هي مادة ايونية NaCl.
كما هو موضح بالشكل فان ايونات الصوديوم الموجبة (cations) تحاط بالاكسجين الذي يحمل شحنة شبة سالبه في الماء بينما الكلوريد ايون ( anion) يحاط بالهيدروجين الذي يحمل شحنة شبه موجبة وبالتالي تتباعد ايونات NaCl وتنكسر الرابطة الايونية لتذوب تماما.
هذا المحلول اذا تعرض الي حقل
كهرومغناطيسي تتحرك الايونات
ليتكون تيار كهربي تعتمد قوته
علي تركيز الايونات في المحلول
ويسمي المحلول electrolyte solution وتستخدم هذه الطريقة لمعرفة تركيز الاملاح في ماء البحر.

15. THE EFFECT OF SALT ON THE PHYSICAL PROPERTIES OF WATER تأثير وجود الاملاح علي الخواص الفيزيائية للماء

16. كما هو موضح في الجدول السابق:
تزداد كثافة الماء مع وجود الاملاح المذابة.
تقل درجة التجمد freezing point مع زيادة الاملاح.
كي يتجمد ماء البحر يضطر الي التخلص من جزء كبير من الاملاح الذائبة ولذلك يطفو الثلج المتكون لانه اقرب الي الماء النقي.
درجة الحرارة لأعلي كثافة تقل مع زيادة الاملاح.
يقل الضغط الجزئي لماء البحر مع زيادة الاملاح ولذلك ترتفع درجة غليان ماء البحر مع زيادة الملوحة.
وجود الاملاح يؤدي الي زيادة الضغط الاسموزي osmotic pressure وهي عملية تدفق الماء بشكل طبيعي عبر الاغشية النصف منفذة من الوسط الاقل تركيزا الي الوسط الاعلي تركيزا في الاملاح وذلك يحدث للخلايا للتحكم في كمية الاملاح داخلها ويحدث ذلك في الكائنات الدقيقة اما الكائنات الاعلي فلديها أعضاء للتخلص من الاملاح الزائدة.
تزداد لزوجة الماء مع زيادة الاملاح.