الوحدة الأولى: النظام البيئي المائي — الدرس 1-4: المحاليل المائية وخواصها (الخواص الجمعية والأسموزية)

• درست في الدرسين 1-2 و1-3 الماء النقي: الجزيء القطبي، والروابط الهيدروجينية، وارتفاع درجة الغليان، والكثافة غير المعتادة.
• لكن الماء في البحيرات والأنهار والمحيطات ليس نقيًا؛
• فهو مخلوط بمواد ذائبة أو عالقة.
• وهذه المواد الذائبة تؤثر بشكل مباشر في خواص الماء (كدرجة تجمده وكثافته)، مما يؤدي إلى تغيرات في التيارات المائية، وفي أماكن معيشة الكائنات الحية، وفي طريقة تبادل الخلايا للماء مع الوسط المحيط (الأسموزية).
• ويشرح هذا الدرس هذه التغيرات باستخدام أربع خواص جمعية.

المحلول

• هو خليط متجانس من مذيب ومذاب واحد أو أكثر.
• المذيب هو المادة الموجودة بكمية أكبر والتي تقوم بالإذابة، والمذاب هو المادة التي تذوب فيه.
• وفي البيئات المائية يكون الماء هو المذيب، أما المذاب فقد يكون:

• ملحًا (NaCl وMgCl₂ وCaSO₄ …) في صورة أيونات متفككة في الغالب؛
• غازات (O₂ وCO₂ وN₂)؛
• مواد جزيئية (سكريات، يوريا، بروتينات، مواد عضوية).

• والمحلول متجانس: جسيمات المذاب جزيئات أو أيونات أصغر من أن تُرى أو تترسب، ويبدو الخليط متماثلًا.
• (أما المعلق مثل الماء العكر فيحتوي جسيمات كبيرة تترسب، وهو خليط غير متجانس).

الخواص الجمعية

• هي خواص المحلول التي تعتمد على عدد جزيئات أو أيونات المادة المذابة غير المتطايرة، وليس على نوع المذاب.
• (كلمة «جمعية» تعني «تعتمد على مجموع العدد»).

وتشمل أربع خواص:

1. انخفاض الضغط البخاري للسائل.
2. ارتفاع درجة الغليان.
3. انخفاض درجة التجمد.
4. الضغط الأسموزي (وظاهرة الأسموزية).

• مهم: المادة المذابة غير المتطايرة هي التي لا تتبخر بدرجة تُذكر (الملح، السكر، اليوريا).
• وكلما زاد عدد الجسيمات في المحلول زاد التأثير.
• فمول واحد من NaCl يعطي مولين من الجسيمات (Na⁺ وCl⁻) فتأثيره الجمعي نحو ضعف تأثير مول من الجلوكوز الذي يبقى جزيئات منفردة؛
• ومول من CaCl₂ يعطي ثلاثة مولات من الجسيمات (نحو ثلاثة أمثال التأثير).

• تخيل سائلًا في دورق مغلق (نظام مغلق) عند درجة حرارة ثابتة.
• بعض جزيئات السطح لها طاقة كافية للإفلات والتحول إلى بخار، وفي الوقت نفسه تعود بعض جزيئات البخار من الهواء إلى السائل.
• وعندما يصبح معدل التبخر مساويًا لمعدل التكثف بحيث تثبت كمية كل من السائل والبخار نقول إن السائل وبخاره في حالة اتزان ديناميكي («ديناميكي» لأن العمليتين مستمرتان لكن دون تغير صافٍ).

• والبخار المتكوّن فوق سطح السائل من عملية التبخر يمارس ضغطًا على سطح السائل وعلى الجدران، يسمى الضغط البخاري للسائل.
• ويزداد بارتفاع درجة الحرارة (فيصبح عدد أكبر من الجزيئات قادرًا على الإفلات).
• وللماء: نحو 2.3 kPa عند 20°C و3.2 kPa عند 25°C و101.3 kPa عند 100°C.

في الماء النقي تتحرر جزيئات السطح بحرية (ولا يحجزها إلا ارتباطها الهيدروجيني بجيرانها). أما عند إذابة مادة غير متطايرة فإن:

1. بعض جزيئات أو أيونات المذاب تحتل جزءًا من سطح السائل، فيقل عدد جزيئات الماء الحرة للتبخر على السطح.
2. توجد قوى تجاذب قوية بين جزيئات الماء وجسيمات المذاب (جذب أيون–قطب في الأملاح، وروابط هيدروجينية في الجزيئات القطبية) بالإضافة إلى قوى التجاذب بين جزيئات الماء، فيتطلب تحرير جزيء الماء طاقة أكبر.

• وبالتالي يقل عدد جزيئات الماء المتبخرة ويكون الضغط البخاري للمحلول أقل من الضغط البخاري للماء النقي عند درجة الحرارة نفسها.
• ويتناسب الانخفاض تناسبًا طرديًا مع عدد جسيمات المذاب (جزيئات أو أيونات) في المحلول.

• للمحلول الذي مذابه غير متطاير: P = χ(المذيب) × P°، حيث χ الكسر المولي للمذيب وP° الضغط البخاري للمذيب النقي.
• وهي طريقة مناسبة لحساب الانخفاض.

درجة غليان السائل

• هي درجة الحرارة التي يتساوى عندها الضغط البخاري للسائل مع الضغط الجوي (الخارجي) عند سطح السائل.
• وعندها يمكن أن تتكون فقاعات البخار في كل أجزاء السائل وتصعد.

النتائج:

• تحت الضغط الجوي المعتاد (القياسي) تكون درجة غليان السائل النقي ثابتة (100°C للماء)، ولذلك يمكن الاستدلال بها على درجة نقاء السوائل: فالسوائل غير النقية تغلي عند درجة مختلفة وعلى مدى.
• تعتمد درجة الغليان على الضغط الخارجي:
  • زيادة الضغط ترفع درجة الغليان. مثال: القدر الكاتم (حلة الضغط) يحبس البخار فيصل الضغط إلى نحو 2 atm ويغلي الماء عند نحو 120°C فيُطهى الطعام أسرع.
  • انخفاض الضغط يخفض درجة الغليان. على الارتفاعات العالية يقل الضغط الجوي فيغلي الماء عند أقل من 100°C (نحو 90°C على ارتفاع 3000 m ونحو 71°C فوق قمة إفرست). ويستغرق الطهي وقتًا أطول هناك.

• عند إذابة مادة غير متطايرة في الماء يصبح الضغط البخاري للمحلول أقل من الماء النقي عند الدرجة نفسها (القسم 2).
• ولكي يصل الضغط البخاري إلى الضغط الجوي يجب تسخين المحلول إلى درجة أعلى.
• لذلك تكون درجة غليان المحلول أعلى من درجة غليان الماء النقي تحت الضغط نفسه؛
• أي تلزم طاقة أكبر لتبخير السائل بسبب قوى التجاذب بين جسيمات المذاب وجزيئات الماء (المذيب).

• ويتناسب الارتفاع في درجة الغليان طرديًا مع عدد الجسيمات المذابة (مع التركيز المولالي في المحاليل المخففة): \[\begin{gathered}\Delta T_{b} = i \cdot K_{b} \cdot m\end{gathered}\] ، حيث m التركيز المولالي (مولات المذاب لكل kg مذيب) وi عدد الجسيمات الناتجة من وحدة الصيغة (NaCl: 2 ؛
• CaCl₂: 3 ؛
• جلوكوز: 1) و\(K_{b}\) للماء = \(0.512 {}^{\circ} \dfrac{\,\text{ext}{C}\cdot \,\text{kg}}{\,\text{mol}.}\) (هذه الصيغة إضافة لتساعدك في الحسابات؛
• أما الكتاب فيذكر التناسب فقط).

درجة تجمد المحلول المائي أقل دائمًا من درجة تجمد الماء النقي

• تحت الضغط الجوي المعتاد.
• والسبب أن قوى التجاذب بين جزيئات الماء وجسيمات المذاب تعوق ارتباط جزيئات الماء ببعضها لتشكيل بلورات الثلج؛
• فيجب تبريد المحلول أكثر قبل تكوّن بلورات الجليد.

\[\begin{gathered}\Delta T_{f} = i \cdot K_{f} \cdot m\end{gathered}\] حيث \(K_{f}\) للماء = \(1.86 {}^{\circ} \dfrac{\,\text{ext}{C}\cdot \,\text{kg}}{\,\text{mol}}\).

تطبيقات وأمثلة:

• الملح على الطرق الجليدية. في البلاد الباردة يُرش الملح على الطرق في الأماكن التي تصل فيها درجة الحرارة إلى 0°C لمنع تجمد مياه الأمطار على الطرق ومنع انزلاق السيارات وتقليل الحوادث. فالملح يذوب في الطبقة الرقيقة من الماء ويخفض درجة تجمدها. (ينفع الملح العادي حتى نحو −9°C؛ وتحت ذلك تُستخدم مواد أخرى).
• ماء البحر يتجمد تحت 0°C (نحو −1.9°C عند ملوحة \(35 g/\,\text{kg}\)) فتبقى البحار القطبية سائلة حين يبرد الهواء؛ وعند تكون جليد البحر يبقى معظم الملح في الماء الذي تحته فيصير أكثر ملوحة وكثافة فيغوص ويحرك التيارات العميقة (ربط بالدرس 1-3).
• مضاد التجمد (إيثيلين جليكول) المضاف إلى رادياتير السيارة يخفض درجة تجمد سائل التبريد ويرفع درجة غليانه.
• الكائنات الحية تستخدم الفكرة نفسها: فبعض الأسماك والحشرات تصنع سكريات أو «بروتينات مضادة للتجمد» لتمنع تجمد سوائل أجسامها (الدرس 2-3).

• الأسموزية ظاهرة انتقال الماء من المحلول المخفف إلى المحلول المركز من خلال غشاء شبه منفذ يفصل بين المحلولين. (الغشاء شبه المنفذ يسمح بمرور جزيئات المذيب الصغيرة (الماء) ويمنع الجسيمات الأكبر أو المتهدرتة من المذاب؛ ويسلك الغشاء البلازمي للخلية هذا السلوك).
• الضغط الأسموزي هو الضغط الناشئ في المحلول لاختلاف تركيز المادة المذابة بين أجزائه، ويؤدي إلى انتشار الماء من المحلول الأقل تركيزًا (ذي الضغط الأسموزي المنخفض) في اتجاه المحلول الأعلى تركيزًا (ذي الضغط الأسموزي الأعلى).

لاحظ أن الأمر قد يبدو معكوسًا لفكرة أن الضغط «يدفع للخارج»: فالمحلول الأكثر تركيزًا له ضغط أسموزي أعلى، ومعنى ذلك أن لديه ميلًا أقوى لسحب الماء إليه.

• الماء «أكثر تركيزًا» (نسبة جزيئات الماء الحرة أعلى) في المحلول المخفف.
• وتعبر جزيئات الماء الغشاء في الاتجاهين طوال الوقت، لكن العدد العابر من الجانب المخفف أكبر من العابر من الجانب المركز (حيث تقلل جسيمات المذاب وجزيئات الماء المرتبطة بها عدد جزيئات الماء الحرة المصطدمة بالغشاء).
• فتكون الحركة الصافية نحو الجانب المركز حتى تتساوى التراكيز أو حتى يتولد على الجانب المركز ضغط (ارتفاع السائل أو الضغط الأسموزي) يوقف الحركة الصافية.

• أنبوب على شكل حرف U يفصل بين فرعيه غشاء شبه منفذ في الوسط.
• على اليسار ماء نقي، وعلى اليمين محلول سكر، وعند البدء يكونان بالمستوى نفسه.
• وبعد فترة يرتفع مستوى جانب المحلول وينخفض جانب الماء النقي: انتقل الماء بالأسموزية إلى الجانب المركز.
• ويولّد الارتفاع الإضافي للسائل ضغطًا يعادل في النهاية الضغط الأسموزي.

للمحاليل المخففة: π = i M R T ، حيث M التركيز المولاري \(\left(\dfrac{\,\text{mol}}{L}\right)\) و\[\begin{gathered}R = \dfrac{0.0821 L\cdot \,\text{atm}}{\,\text{mol}\cdot K}\end{gathered}\] (أو \(\dfrac{8.31 J}{\,\text{mol}\cdot K}\)) وT درجة الحرارة بالكلفن.

الغشاء البلازمي شبه منفذ. ثلاث حالات لخلية توضع في محلول:

أمثلة من الحياة والبيئة:

• تمليح الأغذية (الأسماك واللحوم والجبن والمخللات) يحفظها لأن البكتيريا في البيئة الشديدة الملوحة تفقد الماء بالأسموزية فتموت أو لا تستطيع النمو.
• شرب ماء البحر يزيد العطش: لأن ضغطه الأسموزي أعلى من سوائل الجسم، فيضطر الجسم إلى استخدام ماء إضافي للتخلص من الملح.
• جذور النباتات تمتص الماء بالأسموزية لأن عصارة الشعيرات الجذرية أكثر تركيزًا من ماء التربة. والتربة المسمدة بإفراط (ملح ذائب كثير) أو الري بماء مالح قد يعكس الانحدار فتفقد الجذور ماءها ويذبل النبات.
• الكائنات العذبة والبحرية تواجه مشكلتين أسموزيتين متعاكستين؛ وتكيفاتها (الفجوة المنقبضة والكلى واليوريا في أسماك القرش) هي موضوع الدرس 1-6.
• التحلية بالأسموزية العكسية: إذا طُبق ضغط أكبر من الضغط الأسموزي لماء البحر (نحو 27–30 atm) على جانب الماء المالح، دُفع الماء خلال الغشاء عكس الاتجاه الأسموزي الطبيعي وتُركت الأملاح. وتوفر هذه التقنية مياه الشرب لكثير من المدن الساحلية في مصر.

وتعتمد الأربع جميعًا على عدد الجسيمات المذابة ولا تعتمد تقريبًا على هوية المذاب.

• التيارات والتنوع الحيوي. يذكر الكتاب أن المواد الذائبة تؤثر بشكل مباشر على خواص الماء «مما يؤدي إلى تغيرات في التيارات المائية وتنوع الكائنات الحية». فالملوحة تغير الكثافة فتحرك التيارات الرأسية (الدرس 1-3). وفي المصبات حيث يختلط ماء النهر بماء البحر تتغير الملوحة كثيرًا؛ ولا تزدهر فيها إلا الكائنات التي تتحمل تغيرات أسموزية كبيرة (كالبوري والأنقليس والسلمون).
• الملوحة والتجمد. بسبب الملح يبقى ماء البحر القطبي سائلًا حتى −1.9°C.
• التبخر والبحيرات المالحة. حين تفقد بحيرة الماء بالتبخر دون مخرج (كالبحر الميت وبحيرات وادي النطرون) يزداد تركيز المذاب حتى يشبع الماء؛ ويقل الضغط البخاري لمثل هذا المحلول الملحي فيبطؤ التبخر.
• التنظيم الأسموزي (الدرسان 1-6 و2-3) مجموعة الآليات التي تحفظ بها الكائنات توازن الماء والأملاح اعتمادًا على الأسموزية.

• محلول غير مشبع: يمكنه إذابة المزيد من المذاب عند تلك الدرجة.
• محلول مشبع: يحمل أقصى كمية من المذاب عند تلك الدرجة؛ وأي زيادة تبقى غير ذائبة وفي اتزان ديناميكي مع الجزء الذائب (معدل الذوبان = معدل التبلور — الاتزان الديناميكي نفسه الذي رأيناه في الضغط البخاري).
• محلول فوق مشبع: يحمل أكثر من الحد الأقصى المعتاد (يُحضَّر بتبريد حذر لمحلول مشبع ساخن)؛ وهو غير مستقر ويتبلور إذا اضطرب.

أثر الحرارة على الذوبانية.

• تزداد ذوبانية معظم المواد الصلبة بارتفاع الحرارة (نترات البوتاسيوم: نحو 13 g لكل 100 g ماء عند 0°C و32 g عند 20°C و110 g عند 60°C و247 g عند 100°C)، أما كلوريد الصوديوم فلا يتغير كثيرًا (35.7 g عند 0°C و39.1 g عند 100°C).
• وتقل ذوبانية الغازات بارتفاع الحرارة (الدرس 1-7).
• ولهذا تحمل البحيرة الدافئة أكسجينًا أقل لكنها تحمل معادن ذائبة أكثر.

أنواع المياه حسب الأملاح الذائبة: ماء عذب أقل من 500 ppm (0.05%) ، ماء مستحلب (مائل للملوحة) 1000–10 000 ppm ، ماء مالح أكثر من 10 000 ppm ، ماء البحر \[\begin{gathered}\approx 35 000 \,\text{ppm} (3.5\%)\end{gathered}\] ، المحلول الملحي المركز أكثر من 50 000 ppm (والبحر الميت نحو 340 000 ppm).

• الإلكتروليتات القوية (NaCl وKNO₃ وHCl وNaOH) تتفكك تمامًا إلى أيونات؛ تُوصّل محاليلها الكهرباء جيدًا وتكون i = 2 أو 3.
• الإلكتروليتات الضعيفة (حمض الأسيتيك ومحلول الأمونيا) تتأين جزئيًا؛ توصيلها ضعيف.
• غير الإلكتروليتات (السكر واليوريا والإيثانول) تذوب جزيئات ولا توصل؛ i = 1. ولأن التوصيل الكهربي للماء يزداد بزيادة الأيونات الذائبة، فإن جهاز قياس التوصيل أداة سريعة لتقدير الملوحة في الأنهار والبحيرات ومياه الري.

وحدها المحاليل الحقيقية تبين الخواص الجمعية بالصورة البسيطة التي ندرسها هنا.

1. الأسموزية في شرائح البطاطس. الهدف: إثبات انتقال الماء بالأسموزية. الطريقة: قطّع ثلاث شرائح متساوية من البطاطس (الطول مقيس)، وضع واحدة في ماء مقطر وواحدة في محلول سكر (أو ملح) \(0.5 \,\text{mol}/L\) وواحدة في محلول \(2 \,\text{mol}/L\) لمدة 30 دقيقة، ثم قس الطول والكتلة مرة أخرى. النتيجة: الشريحة في الماء المقطر تزداد كتلتها وتصبح متماسكة (دخل الماء — انتفاخ)؛ والشريحة في المحلول القوي تفقد كتلة وتصبح لينة (خرج الماء — بلزمة)؛ والأوسطى يقل تغيرها إذا كان تركيزها قريبًا من تركيز خلايا البطاطس (متساوي التوتر). الاستنتاج: يتحرك الماء نحو المحلول الأكثر تركيزًا عبر أغشية الخلايا شبه المنفذة.
2. أسموزية البيضة العارية. انقع بيضة نيئة في الخل يومًا لإذابة القشرة (CaCO₃ + 2CH₃COOH → Ca(CH₃COO)₂ + H₂O + CO₂) فيبقى الغشاء شبه المنفذ. ضعها في ماء مقطر: تنتفخ؛ وفي شراب مركز: تنكمش.
3. انخفاض درجة التجمد. حضّر أنبوبتي اختبار فيهما حجم متساوٍ من الماء: إحداهما نقية والأخرى بها ملعقة ملح. ضعهما في خليط من الجليد المجروش والملح (نحو −10°C) وسجل الحرارة كل 30 ثانية. النتيجة: يتجمد الماء النقي عند نحو 0°C مع ثبات في القراءة؛ ويظل المحلول الملحي سائلًا تحت 0°C ويتجمد لاحقًا عند درجة أقل.
4. غليان محلول الملح. سخّن أحجامًا متساوية من الماء ومن ماء مالح قوي بميزان حرارة وسجل الدرجة الثابتة عند الغليان. النتيجة: يغلي المحلول الملحي أعلى قليلًا من 100°C (نحو 101–102°C للمحلول القوي).

• كتابة أن الماء ينتقل من المحلول المركز إلى المخفف. الصحيح العكس.
• الاعتقاد بأن كتلتين متساويتين من السكر والملح لهما التأثير الجمعي نفسه. قارن مولات الجسيمات؛ فـ NaCl يعطي جسيمين لكل وحدة صيغة.
• القول بأن درجة غليان الماء النقي 100°C دائمًا. إنها 100°C عند 1 atm فقط.
• الخلط بين «الضغط البخاري» و«الضغط الجوي». تبلغ درجة الغليان عندما يتساويان.
• كتابة «الخواص الجمعية تعتمد على نوع المذاب». إنها تعتمد على عدد الجسيمات.