كيف تستطيع بعض الحشرات المشي
على سطح بركة،
ولكنك تغرق بسرعة في القاع
عند محاولة المشي على الماء؟
ولم تتجمد البحيرات من الأعلى إلى أسفل في فصل الشتاء؟
في كلمة واحدة، الجواب على جميع هذه الأسئلة هو "القطبية"
الماء جزيئة بسيطة
تتكون من ذرة واحدة من الأكسجين، وذرتين من الهيدروجين،
ولكنه ضروري للحياة.
في الواقع، تشكّل المياه حوالي 60 %
من وزن جسم إنسان بالغ.
القطبية داخل جزيئات الماء تلك
تعطي هذا الجوهر المشترك خصائص
تجعله فريدا ومحافظا على الحياة.
القطبية تشير إلى التشارك غير المتكافئ
للإلكترونات داخل جزيئة.
بالنسبة للماء، الرابطة بين ذرة الأكسجين
واثنين من ذرات الهيدروجين في جزيئة واحدة من الماء
أشبه بلعبة شد حبل ما بين لاعب كرة قدم ضخم وقوي
وطفل لطيف صغير.
الأكسجين ذرة أكبر،
ببروتونات أكثر في نواتها من الهيدروجين.
هذه الشحنات الإيجابية هي مثل القوة البدنية للشخص.
إنها قادرة على اجتذاب
الإلكترونات المشحونة سلبا في الرابطة،
تماما مثل قدرة شخص قوي على التغلب
على فرد أضعف في لعبة شد الحبل.
لذا، فالأوكسجين قادر على اجتذاب
أكثر من نصيبه العادل من الإلكترونات.
لأن الهيدروجين أصغر حجماً وأقل قوة،
أو لديه عدد أقل من البروتونات،
فإنه يخسر لعبة شد الحبل
ويجذب عددا أقل من نصيبه العادل من الإلكترونات.
لذا، فالأوكسجين في المياه يتصرف كما لو أنه سالب،
والهيدروجين يتصرف كما لو أنه موجب.
الروابط داخل جزيئة واحدة من الماء
تسمى روابط تساهمية قطبية.
تساهمية بمعنى أن الإلكترونات مشتركة.
ولكن، كما تعلمنا للتو،
فإن القطبية تعني أن هذه الإلكترونات غير متقاسمة بالتساوي.
في الماء، الأكسجين يتصرف بسلبية
والهيدروجين بإيجابية.
وبما أن الموجب والسالب يتجاذبان،
فإن الأكسجين ينجذب إلى ذرات الهيدروجين
في جزيئات الماء المجاورة.
يتشكل نوع خاص من الروابط بين جزيئات الماء،
معروف باسم رابطة الهيدروجين.
روابط الهيدروجين لا تحدث فقط في المياه كذلك.
فيمكن أن تتشكل بين جزيات الماء
ومواد القطبية أو أيونية مختلفة.
قدرة الماء على التمسك بذاته تدعى بالتماسك
بينما قدرة الماء على التمسك بمواد أخرى
تدعى بالالتصاق.
الآن، فكروا مجددا في الأسئلة الأولى.
أولاً، لماذا تستطيع بعض الحشرات السير على الماء؟
التوتر السطحي بسبب رابطة الهيدروجين
ينشئ طبقة رقيقة على سطح الماء
تعطي ما يكفي من المقاومة
للسماح للحشرات البالغة الخفة بالسير عليه.
لا يمكنك أن تمشي عليه
لأن روابط الهيدروجين ليست قوية بما يكفي
لتبقيك على السطح.
لماذا يطفو الجليد فوق الماء السائل؟
بالنسبة لمعظم المواد الأخرى،
الحالة الصلبة هي أكثر كثافة من السائلة،
ولكن هذه ليست الحال بالنسبة للماء!
روابط الهيدروجين تبقي جزيئات الماء
متباعدة أكثر في الماء المتجمد منه في السائل.
بقدر تباعد الجزيئات عن بعضها،
تقل كثافة الجسم الصلب.
لذا فإن الثلج أقل كثافة من الماء، بحوالي 9 %
وهو ما يعني أنه يطفو في الأعلى.
ولهذا تتجمد البحيرات من الأعلى إلى أسفل
فتستطيع الحياة المائية البقاء على قيد الحياة
طوال فصل الشتاء البارد في كل عام.
إن قطبية جزيئة الماء
ورابطة الهيدروجين الناتجة
هي ما تعطي للماء خواصه الفريدة.
لذا، السبب في كون الماء فريدا للغاية،
من داخل الخلايا الخاصة بك
إلى المحيطات في العالم،
هو ببساطة لأنه عبارة عن جزيئات قطبية.