للإجابة عن سؤال ما هو شذوذ الماء، سنفصل بين تبريد السائل وتجمده، ثم نقرأ منحنى كثافته بدل الاكتفاء بحفظ درجة حرارة.
الخلاصة السريعة
شذوذ الماء هو تمدده أثناء التبريد قرب التجمد، خلاف الانكماش المعتاد. يفسر ترتيب الروابط الهيدروجينية هذا السلوك. [1]
- للماء النقي عند الضغط الجوي القياسي كثافة قصوى قرب 3.98°م. [2]
- من نحو 4°م إلى التجمد يتمدد السائل قليلًا؛ وعند التجمد يزداد الحجم بنحو 9%. [1]
- البنية المفتوحة للجليد العادي تجعله أقل كثافة، لذلك يطفو. [1]
- تتغير البنية المحلية للروابط الهيدروجينية؛ لا يلزم القول إنها كلها تتفكك. [1]
- للماء حرارة نوعية مرتفعة مقارنة بكثير من السوائل، لكنها ليست الأعلى مطلقًا. [1]
كيف تتغير الكثافة؟
الكثافة هي كتلة مقسومة على حجم. عند ثبات الكتلة، زيادة الحجم تخفض الكثافة. [3]
للماء النقي عند الضغط الجوي القياسي كثافة قصوى قرب 3.98°م. [2] لا تعمم قيمة واحدة على كل ضغوط الماء وتركيباته.
الرسم يحسب كثافة السائل عند ضغط 0.1MPa وفق علاقة IAPWS. [3] محور الكثافة لا يبدأ من الصفر؛ راقب الفرق الصغير لا ارتفاع الخط وحده.
لماذا يطفو الجليد؟
عند التبريد القريب من التجمد، تنشأ ترتيبات محلية أكثر انفتاحًا تميل إلى زيادة الحجم. وفي الجليد العادي تنتظم شبكة مفتوحة من الروابط الهيدروجينية. [1]
من نحو 4°م إلى التجمد يتمدد السائل قليلًا؛ وعند التجمد يزداد الحجم بنحو 9%. [1] هذان تغيران مختلفان.
البنية المفتوحة للجليد العادي تجعله أقل كثافة، لذلك يطفو. [1]
هل كل خاصية للماء استثنائية؟
للماء حرارة نوعية مرتفعة مقارنة بكثير من السوائل، لكنها ليست الأعلى مطلقًا. [1]
ابدأ بالخاصية وشروطها، ثم قارنها بمواد محددة. عبارة «الماء شاذ» وحدها لا تثبت أنه يتفوق على كل سائل في كل شيء.
المصادر ومتابعة القراءة
- IAPWS: بنية الماء والكثافة والحرارة النوعية (يفتح في نافذة جديدة)iapws.org
- IAPWS: أقصى كثافة عند ضغط جوي قياسي (يفتح في نافذة جديدة)iapws.org
- IAPWS: علاقة الماء السائل عند ضغط 0.1MPa (يفتح في نافذة جديدة)iapws.org
أُعدّ هذا المقال بصياغة عربية أصلية بالاستناد إلى المصادر أعلاه، وهو مدخل تمهيدي إلى الموضوع. اقرأ منهجية المحتوى وحدوده.