الخاصية:
- تقل درجة تجمد الماء عند الصفر المئوي في حالة وجود مواد ذائبة فيه.
- تقل درجة تجمد الماء عند الصفر المئوي في حالة وجود مواد ذائبة فيه.
سببها:
- وجود مواد ذائبة في الماء.
أهميتها بالنسبة للكائنات الحية:
- عدم تجمد الماء في أجسام الكائنات الحية التي تعيش في المناطق الباردة التي تقل درجة حرارتها عن الصفر.
هل يمكن للماء أن يبقى سائلاً تحت درجة الصفر؟
بادئ ذي بدء، تعتمد مرحلة المادة (سواء كانت غازًا أو سائلًا أو صلبًا) بشدة على درجة الحرارة والضغط.
بالنسبة لمعظم السوائل، يؤدي الضغط إلى رفع درجة حرارة تجمد السائل إلى صلب.
تتشكل المادة الصلبة عندما تتباطأ جزيئات السائل المتعرجة والمتعرجة بما يكفي وتغلق بما يكفي لتشكيل روابط ثابتة تثبتها في مكانها. عندما نضغط على السائل، نجبر الجزيئات على الاقتراب من بعضها البعض.
وبالتالي يمكنها تكوين روابط ثابتة وتصبح صلبة حتى لو كانت درجة حرارتها أعلى من درجة التجمد عند الضغط القياسي.
على الرغم من أن الماء فريد إلى حد ما.
تنتشر جزيئات الماء عندما تترابط في بنية بلورية صلبة.
تؤدي هذه العملية المنتشرة إلى أن يكون الجليد أقل كثافة من الماء السائل، مما يتسبب في طفو الجليد.
هذا العمل المنتشر لجزيئات الماء أثناء التجميد يعني أيضًا أن الضغط على الماء يقلل من نقطة التجمد.
إذا مارست ضغطًا كافيًا (مما يجعل من الصعب على جزيئات الماء الانتشار في الهيكل الصلب)، يمكنك الحصول على ماء سائل عدة درجات تحت الصفر درجة مئوية.
حتى إذا لم تمارس الضغط، فلا يزال بإمكانك الحصول على ماء سائل في درجات حرارة دون الصفر باستخدام الإضافات.
يمكن أن تتداخل الإضافات مثل الملح مع الروابط الكيميائية اللازمة لتكوين مادة صلبة، وبالتالي يمكن أن تقلل من درجة تجمد الماء.
يتكون الملح من أيونات الصوديوم والكلور القوية. عند الذوبان في الماء، تميل جزيئات الماء إلى التصاق أيونات الملح بدلاً من بعضها البعض، وبالتالي فهي لا تتجمد بسهولة.
عندما تضيف المزيد من الملح إلى الماء، تستمر نقطة التجمد في الانخفاض حتى تصل المياه إلى التشبع ولا يمكنها الاحتفاظ بأي ملح إضافي.
إذا قمت بإضافة كمية كافية من الملح، يمكن أن تنخفض نقطة تجمد الماء إلى -21 درجة مئوية.
هذه الحقيقة تعني أن الماء عند -21 درجة مئوية يمكن أن يظل سائلاً إذا تم إضافة كمية كافية من الملح.
بدلاً من منع الماء السائل من التجمد، يمكن أيضًا استخدام خاصية الملح القوية هذه لتحويل الجليد مرة أخرى إلى ماء.
إن رش الملح على الأرصفة الجليدية يقلل من درجة تجمد الجليد تحت درجة الحرارة المحيطة ويذوب الجليد.
لكن رش الملح على الممرات الجليدية لن يساعد إذا كانت درجة الحرارة المحيطة أقل من -21 درجة مئوية.
كما أن تأثير الملح على نقطة تجمد الماء له تأثيرات عميقة على محيطات الأرض.
حتى إذا لم تضغط ولم تضف أي شيء إلى الماء، فلا يزال بإمكانك الحصول على ماء سائل عند درجات حرارة أقل من صفر درجة مئوية.
لكي يتجمد الماء إلى الجليد، يحتاج إلى شيء للتجمد عليه لبدء العملية.
نسمي نقاط البداية هذه "مراكز التنوي".
في معظم الحالات، يوفر القليل من الغبار أو الشوائب أو حتى الاهتزازات القليلة في الماء مراكز التنوي لتتجمد المياه عليها.
ولكن إذا كان الماء نقيًا جدًا ولا يزال شديدًا، فلا يوجد شيء لتتبلور فيه جزيئات الماء.
ونتيجة لذلك، يمكنك تبريد المياه النقية جدًا إلى ما دون الصفر درجة مئوية بدون تجميدها.
الماء في هذه الحالة يسمى "مبرد فائق".
عند الضغط القياسي، يمكن تبريد الماء النقي إلى درجة حرارة منخفضة تصل إلى -40 درجة مئوية تقريبًا.
يتم منع الماء الفائق التبريد من التجمد فقط بسبب نقص مراكز التنوي.
لذلك، بمجرد توفير مراكز التنوي (والتي يمكن أن تكون بسيطة مثل الاهتزاز)، يتجمد الماء المبرد بسرعة.
المطر المتجمد هو مثال طبيعي على الماء السائل المبرد.
بمجرد أن يضرب المطر المتجمد جسمًا على سطح الأرض، يوفر هذا الجسم مراكز التنوي، ويتجمد المطر إلى الجليد.
---------------------
لقد علمنا جميعًا أن الماء يتجمد عند 32 درجة فهرنهايت، 0 درجة مئوية، 273.15 كلفن.
ليس هذا هو الحال دائمًا.
وجد العلماء الماء السائل باردًا حتى -40 درجة فهرنهايت في الغيوم وحتى الماء المبرد حتى -42 درجة فهرنهايت في المختبر.
كيف يمكن أن يذهبوا منخفضة؟
وتبين أن هذه مشكلة صعبة للإجابة عليها.
عندما يبرد الماء السائل إلى أقل من -42 درجة فهرنهايت، يتبلور إلى ثلج بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا يستطيع العلماء قياس درجة حرارة السائل.
لذا طورت إميلي مور وفاليريا مولينيرو من جامعة يوتا محاكاة كمبيوتر متطورة لجزيئات الماء 32768 (جزيئات أقل مما يمكن العثور عليه في قطرة المطر) التي سمحت لهم برؤية ما حدث للسعة الحرارية للمياه وكثافتها وقابليتها لأنها مبردة و تحديد ما حدث عندما تجمد 4000 من تلك الجزيئات.
مع اقتراب درجة حرارة الماء -55 درجة فهرنهايت، تشكل جزيئات الماء رباعي الأسطح، مع ارتباط كل جزيء بشكل فضفاض بأربعة جزيئات أخرى.
تقل كثافة الماء، وتزداد سعته الحرارية وتزداد انضغاطه.
يقول مولينيرو: "إن تغير بنية الماء يتحكم في معدل تشكل الثلج".
"نظهر كلا من الديناميكا الحرارية للماء ومعدل التبلور يتم التحكم فيهما عن طريق التغيير في بنية الماء السائل الذي يقترب من هيكل الجليد".
أقل من -55 درجة فهرنهايت، قد تظل قطع صغيرة من الماء السائل موجودة ، لكنها ستبقى كذلك لفترة قصيرة بشكل لا يصدق ، كما يقول مولينيرو.
هذا التبريد الفائق للماء ممكن لأن الماء يحتاج إلى نواة صغيرة أو بذرة ثلج للجزيئات لتكوين البلورات وفي المياه النقية جدًا "الطريقة الوحيدة التي يمكنك من خلالها تكوين نواة هي تغيير هيكل السائل تلقائيًا"، كما يقول مولينيرو.
لن تتشكل تلك النوى أو تنمو بشكل كبير بما يكفي حتى تقترب بنية جزيئات الماء السائل من الجليد الصلب، وهو ما لا يحدث حتى يصبح الماء باردًا جدًا.
