معلومة

2.2: الماء - علم الأحياء

2.2: الماء - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

هل تساءلت يومًا لماذا يقضي العلماء وقتًا في البحث عن الماء على الكواكب الأخرى؟ لأن الماء ضروري للحياة. حتى الآثار الدقيقة له على كوكب آخر يمكن أن تشير إلى أن الحياة يمكن أن توجد أو كانت موجودة بالفعل على هذا الكوكب. الماء هو أحد الجزيئات الأكثر وفرة في الخلايا الحية والأكثر أهمية للحياة كما نعرفها. يتكون ما يقرب من 60-70 في المائة من جسمك من الماء. بدونها ، ببساطة لم تكن الحياة موجودة.

الماء قطبي

تشكل ذرات الهيدروجين والأكسجين داخل جزيئات الماء روابط تساهمية قطبية. تقضي الإلكترونات المشتركة وقتًا مرتبطًا بذرة الأكسجين أكثر 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. بسبب هذه الشحنات ، تتنافر ذرات الهيدروجين الموجبة قليلاً مع بعضها البعض وتشكل الشكل الفريد الذي يظهر في [الرابط]. كل جزيء ماء يجذب جزيئات الماء الأخرى بسبب الشحنات الموجبة والسالبة في الأجزاء المختلفة للجزيء. يجذب الماء أيضًا الجزيئات القطبية الأخرى (مثل السكريات) ، مكونًا روابط هيدروجينية. عندما تشكل مادة ما بسهولة روابط هيدروجينية مع الماء ، فإنها يمكن أن تذوب في الماء ويشار إليها على أنها محبة للماء ("محبة للماء"). لا تتشكل الروابط الهيدروجينية بسهولة مع المواد غير القطبية مثل الزيوت والدهون (الشكل 2.2.1). هذه المركبات غير القطبية كارهة للماء ("تخشى الماء") ولن تذوب في الماء.

الماء يثبّت درجة الحرارة

تسمح روابط الهيدروجين الموجودة في الماء له بامتصاص الطاقة الحرارية وإطلاقها بشكل أبطأ من العديد من المواد الأخرى. درجة الحرارة هي مقياس لحركة (الطاقة الحركية) للجزيئات. مع زيادة الحركة ، تكون الطاقة أعلى وبالتالي تكون درجة الحرارة أعلى. يمتص الماء قدرًا كبيرًا من الطاقة قبل أن ترتفع درجة حرارته. تؤدي زيادة الطاقة إلى تعطيل الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء. نظرًا لأنه يمكن إنشاء هذه الروابط وتعطيلها بسرعة ، فإن الماء يمتص زيادة في الطاقة وتتغير درجة الحرارة بشكل ضئيل فقط. هذا يعني أن الماء يعدل التغيرات في درجات الحرارة داخل الكائنات الحية وفي بيئاتها. مع استمرار مدخلات الطاقة ، يتأرجح التوازن بين تكوين الرابطة الهيدروجينية والتدمير نحو جانب التدمير. يتم كسر المزيد من الروابط أكثر مما يتم تكوينه. تؤدي هذه العملية إلى إطلاق جزيئات الماء الفردية على سطح السائل (مثل جسم مائي أو أوراق نبات أو جلد كائن حي) في عملية تسمى التبخر. يسمح تبخر العرق ، الذي يتكون من 90 بالمائة من الماء ، بتبريد الكائن الحي ، لأن كسر الروابط الهيدروجينية يتطلب مدخلاً من الطاقة ويأخذ الحرارة بعيدًا عن الجسم.

على العكس من ذلك ، مع انخفاض الحركة الجزيئية وانخفاض درجات الحرارة ، توجد طاقة أقل لكسر الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء. تظل هذه الروابط سليمة وتبدأ في تكوين بنية صلبة تشبه الشبكة (مثل الجليد) (الشكل 2.2.2)أ). عند التجميد ، يكون الجليد أقل كثافة من الماء السائل (الجزيئات متباعدة). هذا يعني أن الجليد يطفو على سطح جسم مائي (الشكل 2.2.2ب). في البحيرات والبرك والمحيطات ، سيتشكل الجليد على سطح الماء ، مما يخلق حاجزًا عازلًا لحماية الحيوانات والنباتات الموجودة تحتها من التجمد في الماء. إذا لم يحدث هذا ، فإن النباتات والحيوانات التي تعيش في الماء ستتجمد في كتلة من الجليد ولن تستطيع التحرك بحرية ، مما يجعل الحياة في درجات الحرارة الباردة صعبة أو مستحيلة.

المفاهيم في العمل

انقر هنا لمشاهدة رسم متحرك ثلاثي الأبعاد لهيكل شبكة جليدية. (رصيد: صورة تم إنشاؤها بواسطة Jane Whitney باستخدام برنامج Visual Molecular Dynamics (VMD)1)

الماء مذيب ممتاز

لأن الماء قطبي ، مع شحنات موجبة وسالبة طفيفة ، يمكن للمركبات الأيونية والجزيئات القطبية أن تذوب فيه بسهولة. لذلك ، فإن الماء هو ما يشار إليه بالمذيب - مادة قادرة على إذابة مادة أخرى. ستشكل الجسيمات المشحونة روابط هيدروجينية مع الطبقة المحيطة من جزيئات الماء. يشار إلى هذا باسم مجال الترطيب ويعمل على إبقاء الجزيئات منفصلة أو مشتتة في الماء. في حالة ملح الطعام (كلوريد الصوديوم) الممزوج بالماء (الشكل 2.2.3) ، تنفصل أيونات الصوديوم والكلوريد ، أو تنفصل ، في الماء ، وتتشكل كرات الماء حول الأيونات. أيون الصوديوم موجب الشحنة محاط بالشحنات السالبة جزئيًا لذرات الأكسجين في جزيئات الماء. أيون كلوريد سالب الشحنة محاط بشحنات موجبة جزئيًا لذرات الهيدروجين في جزيئات الماء. يشار إلى مجالات الترطيب هذه أيضًا باسم قشور الماء. إن قطبية جزيء الماء تجعله مذيبًا فعالًا ومهمًا في أدواره العديدة في الأنظمة الحية.

الماء متماسك

هل سبق لك أن ملأت كوبًا من الماء إلى الأعلى ثم أضفت بضع قطرات أخرى ببطء؟ قبل أن يفيض ، يشكل الماء في الواقع شكلًا يشبه القبة فوق حافة الزجاج. يمكن أن يبقى هذا الماء فوق الزجاج بسبب خاصية التماسك. في حالة التماسك ، تنجذب جزيئات الماء إلى بعضها البعض (بسبب الرابطة الهيدروجينية) ، مما يحافظ على الجزيئات معًا عند واجهة الهواء السائل (الغاز) ، على الرغم من عدم وجود مساحة إضافية في الزجاج. يؤدي التماسك إلى حدوث توتر سطحي ، أي قدرة المادة على تحمل التمزق عند وضعها تحت ضغط أو توتر. عندما تسقط قصاصة 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 الناتج عن جزيئات الماء. يحافظ التماسك والتوتر السطحي على سلامة جزيئات الماء والعنصر الطافي في الأعلى. حتى أنه من الممكن "تعويم" إبرة فولاذية فوق كوب من الماء إذا وضعتها برفق ، دون كسر التوتر السطحي (الشكل 2.2.4).

ترتبط قوى التماسك هذه أيضًا بخاصية التصاق الماء ، أو التجاذب بين جزيئات الماء والجزيئات الأخرى. يتم ملاحظة ذلك عندما "يتسلق" الماء فوق قش يوضع في كوب من الماء. ستلاحظ أن الماء يبدو أعلى على جوانب المصاصة منه في المنتصف. وذلك لأن جزيئات الماء تنجذب إلى القش وبالتالي تلتصق بها.

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

المفهوم في العمل

لمعرفة المزيد عن المياه ، قم بزيارة المسح الجيولوجي الأمريكي لعلوم المياه للمدارس: كل شيء عن المياه! موقع الكتروني.

المخازن المؤقتة ، ودرجة الحموضة ، والأحماض ، والقواعد

الرقم الهيدروجيني للمحلول هو مقياس للحموضة أو القلوية. ربما تكون قد استخدمت ورق عباد الشمس ، وهو ورق تمت معالجته بصبغة طبيعية قابلة للذوبان في الماء بحيث يمكن استخدامه كمؤشر للأس الهيدروجيني ، لاختبار مقدار الحمض أو القاعدة (القلوية) الموجودة في المحلول. ربما تكون قد استخدمت البعض للتأكد من معالجة المياه في حمام السباحة الخارجي بشكل صحيح. في كلتا الحالتين ، يقيس اختبار الأس الهيدروجيني هذا كمية أيونات الهيدروجين الموجودة في محلول معين. ينتج عن التركيزات العالية من أيونات الهيدروجين درجة حموضة منخفضة ، بينما تؤدي المستويات المنخفضة من أيونات الهيدروجين إلى ارتفاع درجة الحموضة. يرتبط التركيز الكلي لأيونات الهيدروجين عكسياً مع الرقم الهيدروجيني ويمكن قياسه على مقياس الأس الهيدروجيني (الشكل 2.2.5). لذلك ، كلما زاد عدد أيونات الهيدروجين ، انخفض الرقم الهيدروجيني ؛ على العكس من ذلك ، كلما قل عدد أيونات الهيدروجين ، زاد الرقم الهيدروجيني.

يتراوح مقياس الأس الهيدروجيني من 0 إلى 14. يمثل تغيير وحدة واحدة على مقياس الأس الهيدروجيني تغيرًا في تركيز أيونات الهيدروجين بمعامل 10 ، ويمثل التغيير في وحدتين تغييرًا في تركيز أيونات الهيدروجين بعامل. من 100. وهكذا ، فإن التغييرات الصغيرة في الرقم الهيدروجيني تمثل تغيرات كبيرة في تركيزات أيونات الهيدروجين. الماء النقي محايد. إنه ليس حمضيًا ولا قاعديًا ، وله درجة حموضة 7.0. أي شيء أقل من 7.0 (يتراوح من 0.0 إلى 6.9) يكون حمضيًا ، وأي شيء أعلى من 7.0 (من 7.1 إلى 14.0) يكون قلويًا. الدم في عروقك قلوي قليلاً (الرقم الهيدروجيني = 7.4). البيئة في معدتك شديدة الحموضة (الرقم الهيدروجيني = 1 إلى 2). عصير البرتقال حمضي قليلًا (درجة الحموضة = 3.5 تقريبًا) ، في حين أن صودا الخبز قاعدية (الرقم الهيدروجيني = 9.0).

الأحماض هي مواد توفر أيونات الهيدروجين (H+) ودرجة حموضة أقل ، بينما توفر القواعد أيونات الهيدروكسيد (OH) ورفع درجة الحموضة. كلما كان الحمض أقوى ، كان يتبرع بـ H+. على سبيل المثال ، حمض الهيدروكلوريك وعصير الليمون حمضيان للغاية ويتخلان بسهولة عن حمض الهيدروكلوريك+ عند إضافته إلى الماء. على العكس من ذلك ، فإن القواعد هي تلك المواد التي تتبرع بسهولة بـ OH. أوه تتحد الأيونات مع H.+ لإنتاج الماء ، مما يرفع درجة حموضة المادة. هيدروكسيد الصوديوم والعديد من المنظفات المنزلية قلوية للغاية وتتخلى عن OH بسرعة عند وضعها في الماء ، وبالتالي رفع درجة الحموضة.

تعمل معظم الخلايا في أجسامنا ضمن نافذة ضيقة جدًا من مقياس الأس الهيدروجيني ، وعادة ما يتراوح فقط من 7.2 إلى 7.6. إذا كان الرقم الهيدروجيني للجسم خارج هذا النطاق ، فسيحدث خلل في الجهاز التنفسي ، كما يحدث مع الأجهزة الأخرى في الجسم. لم تعد الخلايا تعمل بشكل صحيح ، وسوف تتفكك البروتينات. يمكن أن يؤدي الانحراف خارج نطاق الأس الهيدروجيني إلى غيبوبة أو حتى يتسبب في الوفاة.

إذن كيف يمكننا أن نبتلع أو نستنشق المواد الحمضية أو الأساسية ولا نموت؟ المخازن المؤقتة هي المفتاح. تمتص المخازن الزائدة بسهولة H+ أو أوه، والحفاظ على درجة الحموضة في الجسم بعناية في النطاق الضيق المذكور أعلاه. ثاني أكسيد الكربون هو جزء من نظام عازل بارز في جسم الإنسان ؛ يحافظ على الرقم الهيدروجيني ضمن النطاق المناسب. يشتمل نظام العازلة هذا على حمض الكربونيك (H2كو3) وبيكربونات (HCO3) أنيون. إذا كان الكثير من H+ يدخل الجسم ، وسوف تتحد البيكربونات مع H.+ لإنتاج حمض الكربونيك والحد من انخفاض درجة الحموضة. وبالمثل ، إذا كان الكثير من OH يتم إدخاله في النظام ، وسوف يتفكك حمض الكربونيك بسرعة إلى بيكربونات و H.+ الأيونات. يعمل H+ يمكن أن تتحد الأيونات مع OH الأيونات ، مما يحد من الزيادة في الرقم الهيدروجيني. في حين أن حمض الكربونيك هو منتج مهم في هذا التفاعل ، فإن وجوده سريع الزوال لأن حمض الكربونيك ينطلق من الجسم كغاز ثاني أكسيد الكربون في كل مرة نتنفس فيها. بدون هذا النظام العازل ، سيتذبذب الأس الهيدروجيني في أجسامنا كثيرًا وسنفشل في البقاء على قيد الحياة.

ملخص

للمياه العديد من الخصائص الضرورية للحفاظ على الحياة. إنه قطبي ، مما يسمح بتكوين روابط هيدروجينية ، والتي تسمح للأيونات والجزيئات القطبية الأخرى بالذوبان في الماء. لذلك ، الماء مذيب ممتاز. تمنح الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء الماء القدرة على الاحتفاظ بالحرارة بشكل أفضل من العديد من المواد الأخرى. مع ارتفاع درجة الحرارة ، تنكسر الروابط الهيدروجينية بين الماء وتصلح باستمرار ، مما يسمح بالحفاظ على استقرار درجة الحرارة الإجمالية ، على الرغم من إضافة طاقة متزايدة إلى النظام. تسمح قوى تماسك الماء بخاصية التوتر السطحي. كل هذه الخصائص الفريدة للمياه مهمة في كيمياء الكائنات الحية.

الرقم الهيدروجيني للمحلول هو مقياس لتركيز أيونات الهيدروجين في المحلول. المحلول الذي يحتوي على عدد كبير من أيونات الهيدروجين حمضي وله قيمة منخفضة من الأس الهيدروجيني. يعتبر الحل الذي يحتوي على عدد كبير من أيونات الهيدروكسيد أساسيًا وله قيمة عالية من الأس الهيدروجيني. يتراوح مقياس الأس الهيدروجيني من 0 إلى 14 ، مع كون الرقم الهيدروجيني 7 محايدًا. المحاليل الوقائية هي حلول تعمل على تعديل تغيرات الأس الهيدروجيني عند إضافة حمض أو قاعدة إلى نظام المخزن المؤقت. تعتبر المحاليل الوقائية مهمة في الأنظمة البيولوجية بسبب قدرتها على الحفاظ على ظروف درجة الحموضة الثابتة.

قائمة المصطلحات

حامض
مادة تتبرع بأيونات الهيدروجين وبالتالي تخفض درجة الحموضة
التصاق
التجاذب بين جزيئات الماء وجزيئات مادة مختلفة
يتمركز
مادة تمتص أيونات الهيدروجين وبالتالي ترفع درجة الحموضة
متعادل
محلول يقاوم التغير في الأس الهيدروجيني عن طريق امتصاص أو إطلاق أيونات الهيدروجين أو الهيدروكسيد
تماسك
القوى الجزيئية بين جزيئات الماء التي تسببها الطبيعة القطبية للماء ؛ يخلق التوتر السطحي
تبخر
إطلاق جزيئات الماء من الماء السائل لتكوين بخار الماء
محبة للماء
يصف مادة تذوب في الماء ؛ محبة للماء
نافرة من الماء
يصف مادة لا تذوب في الماء ؛ يخشى الماء
ورق عباد الشمس
ورق الترشيح الذي تم معالجته بصبغة طبيعية قابلة للذوبان في الماء بحيث يمكن استخدامه كمؤشر للأس الهيدروجيني
مقياس درجة الحموضة
مقياس يتراوح من 0 إلى 14 يقيس التركيز التقريبي لأيونات الهيدروجين لمادة ما
مذيب
مادة قادرة على إذابة مادة أخرى
التوتر السطحي
قوة التماسك على سطح جسم سائل تمنع الجزيئات من الانفصال
درجة الحرارة
مقياس الحركة الجزيئية

موضوع بيولوجيا IB DP الموضوع 2: البيولوجيا الجزيئية 2.2 ملاحظات دراسة المياه

تشكل ذرات الهيدروجين والأكسجين داخل جزيئات الماء روابط تساهمية قطبية. تقضي الإلكترونات المشتركة وقتًا مرتبطًا بذرة الأكسجين أكثر 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. بسبب هذه الشحنات ، تتنافر ذرات الهيدروجين الموجبة قليلاً مع بعضها البعض وتشكل الشكل الفريد الذي يظهر في [الرابط]. كل جزيء ماء يجذب جزيئات الماء الأخرى بسبب الشحنات الموجبة والسالبة في الأجزاء المختلفة للجزيء. يجذب الماء أيضًا الجزيئات القطبية الأخرى (مثل السكريات) ، مكونًا روابط هيدروجينية. عندما تشكل مادة ما بسهولة روابط هيدروجينية مع الماء ، فإنها يمكن أن تذوب في الماء ويشار إليها على أنها محبة للماء ("محبة للماء"). لا تتشكل الروابط الهيدروجينية بسهولة مع المواد غير القطبية مثل الزيوت والدهون (الشكل 2.2.1). هذه المركبات غير القطبية كارهة للماء ("تخشى الماء") ولن تذوب في الماء.

الشكل 2.2.1: كما تظهر هذه الصورة الماكروسكوبية للزيت والماء ، فإن الزيت مركب غير قطبي ، وبالتالي لن يذوب في الماء. الزيت والماء لا يختلطان. (الائتمان: جوتام دوجرا)

الماء يثبّت درجة الحرارة

تسمح روابط الهيدروجين الموجودة في الماء له بامتصاص الطاقة الحرارية وإطلاقها بشكل أبطأ من العديد من المواد الأخرى. درجة الحرارة هي مقياس لحركة (الطاقة الحركية) للجزيئات. مع زيادة الحركة ، تكون الطاقة أعلى وبالتالي تكون درجة الحرارة أعلى. يمتص الماء قدرًا كبيرًا من الطاقة قبل أن ترتفع درجة حرارته. تؤدي زيادة الطاقة إلى تعطيل الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء. نظرًا لأنه يمكن إنشاء هذه الروابط وتعطيلها بسرعة ، فإن الماء يمتص زيادة في الطاقة وتتغير درجة الحرارة بشكل ضئيل فقط. هذا يعني أن الماء يعدل التغيرات في درجات الحرارة داخل الكائنات الحية وفي بيئاتها. مع استمرار مدخلات الطاقة ، يتأرجح التوازن بين تكوين الرابطة الهيدروجينية والتدمير نحو جانب التدمير. يتم كسر المزيد من الروابط أكثر مما يتم تكوينه. تؤدي هذه العملية إلى إطلاق جزيئات الماء الفردية على سطح السائل (مثل جسم مائي أو أوراق نبات أو جلد كائن حي) في عملية تسمى التبخر. يسمح تبخر العرق ، الذي يتكون من 90 بالمائة من الماء ، بتبريد الكائن الحي ، لأن كسر الروابط الهيدروجينية يتطلب مدخلاً من الطاقة ويأخذ الحرارة بعيدًا عن الجسم.

على العكس من ذلك ، مع انخفاض الحركة الجزيئية وانخفاض درجات الحرارة ، توجد طاقة أقل لكسر الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء. تظل هذه الروابط سليمة وتبدأ في تكوين بنية صلبة تشبه الشبكة (مثل الجليد) (الشكل 2.2.2)أ). عند التجميد ، يكون الجليد أقل كثافة من الماء السائل (الجزيئات متباعدة). هذا يعني أن الجليد يطفو على سطح جسم مائي (الشكل 2.2.2ب). في البحيرات والبرك والمحيطات ، سيتشكل الجليد على سطح الماء ، مما يخلق حاجزًا عازلًا لحماية الحيوانات والنباتات الموجودة تحتها من التجمد في الماء. إذا لم يحدث هذا ، فإن النباتات والحيوانات التي تعيش في الماء ستتجمد في كتلة من الجليد ولن تستطيع التحرك بحرية ، مما يجعل الحياة في درجات الحرارة الباردة صعبة أو مستحيلة.

الشكل 2.2.2: (أ) تجعل البنية الشبكية للجليد أقل كثافة من جزيئات الماء السائل التي تتدفق بحرية. تتيح الكثافة المنخفضة للثلج & # 8217s أن (ب) تطفو على الماء.

الماء مذيب ممتاز

لأن الماء قطبي ، مع شحنات موجبة وسالبة طفيفة ، يمكن للمركبات الأيونية والجزيئات القطبية أن تذوب فيه بسهولة. لذلك ، فإن الماء هو ما يشار إليه بالمذيب - مادة قادرة على إذابة مادة أخرى. ستشكل الجسيمات المشحونة روابط هيدروجينية مع الطبقة المحيطة من جزيئات الماء. يشار إلى هذا باسم مجال الترطيب ويعمل على إبقاء الجزيئات منفصلة أو مشتتة في الماء. في حالة ملح الطعام (كلوريد الصوديوم) الممزوج بالماء (الشكل 2.2.3) ، تنفصل أيونات الصوديوم والكلوريد ، أو تنفصل ، في الماء ، وتتشكل كرات الماء حول الأيونات. أيون الصوديوم موجب الشحنة محاط بالشحنات السالبة جزئيًا لذرات الأكسجين في جزيئات الماء. أيون كلوريد سالب الشحنة محاط بشحنات موجبة جزئيًا لذرات الهيدروجين في جزيئات الماء. يشار إلى مجالات الترطيب هذه أيضًا باسم قشور الماء. إن قطبية جزيء الماء تجعله مذيبًا فعالًا ومهمًا في أدواره العديدة في الأنظمة الحية.

الشكل 2.2.3: عندما يتم خلط ملح الطعام (NaCl) في الماء ، تتشكل كرات من الماء حول الأيونات.

الماء متماسك

هل سبق لك أن ملأت كوبًا من الماء إلى الأعلى ثم أضفت بضع قطرات أخرى ببطء؟ قبل أن يفيض ، يشكل الماء في الواقع شكلًا يشبه القبة فوق حافة الزجاج. يمكن أن يبقى هذا الماء فوق الزجاج بسبب خاصية التماسك. في حالة التماسك ، تنجذب جزيئات الماء إلى بعضها البعض (بسبب الرابطة الهيدروجينية) ، مما يحافظ على الجزيئات معًا عند واجهة الهواء السائل (الغاز) ، على الرغم من عدم وجود مساحة إضافية في الزجاج. يؤدي التماسك إلى حدوث توتر سطحي ، أي قدرة المادة على تحمل التمزق عند وضعها تحت ضغط أو توتر. عندما تسقط قصاصة 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 الناتج عن جزيئات الماء. يحافظ التماسك والتوتر السطحي على سلامة جزيئات الماء والعنصر الطافي في الأعلى. حتى أنه من الممكن "تعويم" إبرة فولاذية فوق كوب من الماء إذا وضعتها برفق ، دون كسر التوتر السطحي (الشكل 2.2.4).

الشكل 2.2.4: وزن إبرة فوق الماء يسحب التوتر السطحي إلى أسفل في نفس الوقت ، ويسحبها التوتر السطحي للماء ، ويعلق الإبرة على سطح الماء ويمنعها من الغرق. لاحظ المسافة البادئة في الماء حول الإبرة.

ترتبط قوى التماسك هذه أيضًا بخاصية التصاق الماء ، أو التجاذب بين جزيئات الماء والجزيئات الأخرى. يتم ملاحظة ذلك عندما "يتسلق" الماء فوق قش يوضع في كوب من الماء. ستلاحظ أن الماء يبدو أعلى على جوانب المصاصة منه في المنتصف. وذلك لأن جزيئات الماء تنجذب إلى القش وبالتالي تلتصق بها.

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

المخازن المؤقتة ، ودرجة الحموضة ، والأحماض ، والقواعد

الرقم الهيدروجيني للمحلول هو مقياس للحموضة أو القلوية. ربما تكون قد استخدمت ورق عباد الشمس ، وهو ورق تمت معالجته بصبغة طبيعية قابلة للذوبان في الماء بحيث يمكن استخدامه كمؤشر للأس الهيدروجيني ، لاختبار مقدار الحمض أو القاعدة (القلوية) الموجودة في المحلول. ربما تكون قد استخدمت البعض للتأكد من معالجة المياه في حمام السباحة الخارجي بشكل صحيح. في كلتا الحالتين ، يقيس اختبار الأس الهيدروجيني هذا كمية أيونات الهيدروجين الموجودة في محلول معين. ينتج عن التركيزات العالية من أيونات الهيدروجين درجة حموضة منخفضة ، بينما تؤدي المستويات المنخفضة من أيونات الهيدروجين إلى ارتفاع درجة الحموضة. يرتبط التركيز الكلي لأيونات الهيدروجين عكسياً مع الرقم الهيدروجيني ويمكن قياسه على مقياس الأس الهيدروجيني (الشكل 2.2.5). لذلك ، كلما زاد عدد أيونات الهيدروجين ، كلما انخفض الرقم الهيدروجيني بالعكس ، كلما قل عدد أيونات الهيدروجين ، زاد الرقم الهيدروجيني.

يتراوح مقياس الأس الهيدروجيني من 0 إلى 14. يمثل تغيير وحدة واحدة على مقياس الأس الهيدروجيني تغيرًا في تركيز أيونات الهيدروجين بمعامل 10 ، ويمثل التغيير في وحدتين تغييرًا في تركيز أيونات الهيدروجين بعامل. من 100. وهكذا ، فإن التغييرات الصغيرة في الرقم الهيدروجيني تمثل تغيرات كبيرة في تركيزات أيونات الهيدروجين. الماء النقي محايد. إنه ليس حمضيًا ولا قاعديًا ، وله درجة حموضة 7.0. أي شيء أقل من 7.0 (يتراوح من 0.0 إلى 6.9) يكون حمضيًا ، وأي شيء أعلى من 7.0 (من 7.1 إلى 14.0) يكون قلويًا. الدم في عروقك قلوي قليلاً (الرقم الهيدروجيني = 7.4). البيئة في معدتك شديدة الحموضة (الرقم الهيدروجيني = 1 إلى 2). عصير البرتقال حمضي قليلًا (الرقم الهيدروجيني = 3.5 تقريبًا) ، في حين أن صودا الخبز قاعدية (الرقم الهيدروجيني = 9.0).

الشكل 2.2.5: مقياس الأس الهيدروجيني يقيس كمية أيونات الهيدروجين (H +) في مادة ما. (الائتمان: تعديل العمل بواسطة إدوارد ستيفنز)

الأحماض هي مواد توفر أيونات الهيدروجين (H +) ودرجة حموضة أقل ، بينما توفر القواعد أيونات الهيدروكسيد (OH -) وترفع درجة الحموضة. كلما كان الحمض أقوى ، كان يتبرع بـ H + بسهولة. على سبيل المثال ، حمض الهيدروكلوريك وعصير الليمون حمضيان للغاية ويتخلان بسهولة عن H + عند إضافتهما إلى الماء. على العكس من ذلك ، فإن القواعد هي تلك المواد التي تتبرع بسهولة بـ OH -. تتحد أيونات OH مع H + لإنتاج الماء ، مما يرفع درجة حموضة المادة. هيدروكسيد الصوديوم والعديد من المنظفات المنزلية شديدة القلوية وتتخلص من الهيدروكسيد - بسرعة عند وضعها في الماء ، وبالتالي ترفع درجة الحموضة.

تعمل معظم الخلايا في أجسامنا ضمن نافذة ضيقة جدًا من مقياس الأس الهيدروجيني ، وعادة ما يتراوح فقط من 7.2 إلى 7.6. إذا كان الرقم الهيدروجيني للجسم خارج هذا النطاق ، فسيحدث خلل في الجهاز التنفسي ، كما يحدث مع الأجهزة الأخرى في الجسم. لم تعد الخلايا تعمل بشكل صحيح ، وسوف تتفكك البروتينات. يمكن أن يؤدي الانحراف خارج نطاق الأس الهيدروجيني إلى غيبوبة أو حتى يتسبب في الوفاة.

إذن كيف يمكننا أن نبتلع أو نستنشق المواد الحمضية أو الأساسية ولا نموت؟ المخازن المؤقتة هي المفتاح. تمتص المحاليل الفائضة بسهولة H + أو OH - ، مع الحفاظ على درجة الحموضة في الجسم بعناية في النطاق الضيق المذكور أعلاه. ثاني أكسيد الكربون هو جزء من نظام عازل بارز في جسم الإنسان يحافظ على درجة الحموضة ضمن النطاق المناسب. يشتمل نظام العازلة هذا على حمض الكربونيك (H2كو3) وبيكربونات (HCO3 -) أنيون. إذا دخل الكثير من H + الجسم ، فسوف تتحد البيكربونات مع H + لتكوين حمض الكربونيك والحد من انخفاض الرقم الهيدروجيني. وبالمثل ، إذا تم إدخال الكثير من OH في النظام ، فسوف يتفكك حمض الكربونيك بسرعة إلى بيكربونات وأيونات H +. يمكن أن تتحد أيونات H + مع أيونات OH ، مما يحد من الزيادة في الرقم الهيدروجيني. في حين أن حمض الكربونيك هو منتج مهم في هذا التفاعل ، فإن وجوده سريع الزوال لأن حمض الكربونيك ينطلق من الجسم كغاز ثاني أكسيد الكربون في كل مرة نتنفس فيها. بدون هذا النظام العازل ، سيتذبذب الأس الهيدروجيني في أجسامنا كثيرًا وسنفشل في البقاء على قيد الحياة.

ملخص

للمياه العديد من الخصائص الضرورية للحفاظ على الحياة. إنه قطبي ، مما يسمح بتكوين روابط هيدروجينية ، والتي تسمح للأيونات والجزيئات القطبية الأخرى بالذوبان في الماء. لذلك ، الماء مذيب ممتاز. تمنح الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء الماء القدرة على الاحتفاظ بالحرارة بشكل أفضل من العديد من المواد الأخرى. مع ارتفاع درجة الحرارة ، تنكسر الروابط الهيدروجينية بين الماء وتصلح باستمرار ، مما يسمح بالحفاظ على استقرار درجة الحرارة الإجمالية ، على الرغم من إضافة طاقة متزايدة إلى النظام. تسمح قوى تماسك الماء بخاصية التوتر السطحي. كل هذه الخصائص الفريدة للمياه مهمة في كيمياء الكائنات الحية.

الرقم الهيدروجيني للمحلول هو مقياس لتركيز أيونات الهيدروجين في المحلول. المحلول الذي يحتوي على عدد كبير من أيونات الهيدروجين حمضي وله قيمة منخفضة من الأس الهيدروجيني. يعتبر الحل الذي يحتوي على عدد كبير من أيونات الهيدروكسيد أساسيًا وله قيمة عالية من الأس الهيدروجيني. يتراوح مقياس الأس الهيدروجيني من 0 إلى 14 ، مع كون الرقم الهيدروجيني 7 محايدًا. المحاليل الوقائية هي حلول تعمل على تعديل تغيرات الأس الهيدروجيني عند إضافة حمض أو قاعدة إلى نظام المخزن المؤقت. تعتبر المحاليل الوقائية مهمة في الأنظمة البيولوجية بسبب قدرتها على الحفاظ على ظروف درجة الحموضة الثابتة.


المياه - ورقة التخطيط 2.2

ورقة التخطيط لمفهوم (فهم) الأنشطة 1 و 2 - خصائص النشاط المائي 3 - خصائص المياه السؤال (الأسئلة) الأساسي TOK / طبيعة العلوم / IMSkills سيكون لدى الطلاب الوقت: ساعة واحدة. يستخدم هذا الدرس شاشة عرض لإدخال رسم تخطيطي بسيط للرابطة الهيدروجينية في الماء. هناك مجموعة من الأنشطة لمساعدة الطلاب على فهم كيفية تأثير هذه الروابط الهيدروجينية على خصائص الماء وكيف يؤثر ذلك.

للوصول إلى محتويات هذا الموقع بالكامل ، تحتاج إلى تسجيل الدخول أو الاشتراك فيه.


اختبار المياه 2.2.2 تحديث

هذا اختبار لأسئلة نمط الاختيار من متعدد حول موضوع المياه 2.2 إنها أسئلة ذاتية التحديد ، لذا يمكنك النقر فوق & quot check & quot لمعرفة ما إذا كانت الإجابة صحيحة. يحتوي كل سؤال على ملاحظة مفيدة كتبها الفاحص. رائعة للمراجعة. يمكن للمدرسين التحكم في الوصول إلى هذا الاختبار لمجموعاتهم في قسم & quot وصول الطلاب & quot. الطلاب - إذا كانت هذه مهمة - تذكر النقر فوق الزر & quot إرسال & quot.

للوصول إلى محتويات هذا الموقع بالكامل ، تحتاج إلى تسجيل الدخول أو الاشتراك فيه.


خصائص الماء

الوصف الكيميائي للماء & # 8217s هو H2O. كما يوضح الرسم البياني على اليسار ، هذه ذرة واحدة من الأكسجين مرتبطة بذرتين من الهيدروجين. ذرات الهيدروجين & # 8220 موصولة & # 8221 إلى جانب واحد من ذرة الأكسجين ، مما ينتج عنه جزيء ماء له شحنة موجبة على الجانب حيث توجد ذرات الهيدروجين وشحنة سالبة على الجانب الآخر ، حيث توجد ذرة الأكسجين. يسمى هذا التوزيع غير المتكافئ للشحنة قطبية. نظرًا لأن الشحنات الكهربائية المعاكسة تجتذب ، تميل جزيئات الماء إلى جذب بعضها البعض ، مما يجعل الماء نوعًا من & # 8220 لاصق. & # 8221 كما يوضح الرسم البياني الأيمن ، فإن الجانب الذي يحتوي على ذرات الهيدروجين (الشحنة الموجبة) يجذب جانب الأكسجين (الشحنة السالبة) ) لجزيء ماء مختلف. (إذا كان جزيء الماء هنا يبدو مألوفًا ، فتذكر أن الفأر المفضل لدى الجميع هو الماء أيضًا). تُعرف خاصية الماء هذه باسم تماسك.

الماء ، السائل الذي يشيع استخدامه للتنظيف ، له خاصية تسمى التوتر السطحي. في جسم الماء ، يُحاط كل جزيء بجزيئات الماء الأخرى ويجذبها. ومع ذلك ، على السطح ، هذه الجزيئات محاطة بجزيئات الماء الأخرى فقط على جانب الماء. يتم إنشاء التوتر عندما يتم سحب جزيئات الماء الموجودة على السطح إلى جسم الماء. يؤدي هذا التوتر إلى تصاعد الماء على الأسطح (الزجاج والنسيج) ، مما يبطئ ترطيب السطح ويمنع عملية التنظيف. يمكنك رؤية التوتر السطحي أثناء العمل عن طريق وضع قطرة ماء على سطح طاولة. ستحتفظ القطرة بشكلها ولن تنتشر.

في عملية التنظيف ، يجب تقليل التوتر السطحي حتى ينتشر الماء ويبلل الأسطح. تسمى المواد الكيميائية القادرة على القيام بذلك بشكل فعال عوامل نشطة السطح ، أو السطحي. يقال إنها تجعل الماء & # 8220 ترطيب. & # 8221 تؤدي العوامل الخافضة للتوتر السطحي وظائف مهمة أخرى في التنظيف ، مثل التفكيك والاستحلاب (التشتت في الماء) وتعليق التربة حتى يمكن شطفها بعيدًا. يمكن أن توفر المواد الخافضة للتوتر السطحي أيضًا القلوية ، وهو أمر مفيد في إزالة التربة الحمضية.


شاهد الفيديو: IB - Water (يوليو 2022).


تعليقات:

  1. Codell

    آسف ، لقد دفعت هذه الفكرة بعيدًا :)

  2. Icarius

    عذرا ، أنني أتدخل ، لكني أقترح أن أذهب إلى آخر.

  3. Amita

    أؤكد. لذلك يحدث. يمكننا التواصل حول هذا الموضوع.

  4. Scadwiella

    من خلال موضوع لا تضاهى



اكتب رسالة