من البخار إلى الجليد ، يستمر الماء في الغموض.
فيما يلي بعض المشكلات العلمية المتعلقة بالمياه والتي لا تزال مفتوحة حتى اليوم:
1. كم عدد أنواع الجليد الموجودة؟
في آخر إحصاء ، يوجد 17 شكلًا بلوريًا مختلفًا من الماء الصلب. ومع ذلك ، يوجد شكل واحد فقط - Ice Ih - بشكل شائع على الأرض وخارج المختبر. يوجد شكل بلوري ثانٍ يسمى Ice Ic بكميات قليلة جدًا في الغلاف الجوي العلوي ، ويوجد 15 شكلاً آخراً فقط عند ضغوط عالية جدًا. (يوجد أيضًا الكثير من الماء في الفضاء بين النجوم ، ولكنه عادةً ما يكون جليدًا زجاجيًا غير متبلور ومتجمد على حبيبات الغبار).
ينتج التنوع الرائع لأشكال الجليد البلوري عن شبكة رباعي السطوح (Tetrahedral network) من روابط هيدروجينية قوية تكونت بين جزيئات الماء المجاورة. في مراحل الماء المكثف ، يعمل كل جزيء على تحسين قدرته على الترابط الهيدروجيني عن طريق تكوين أربعة روابط هيدروجينية بزوايا شبه رباعية السطوح. تشكل الروابط الهيدروجينية داخل Ice Ih بنية مفتوحة ثلاثية الأبعاد ذات كثافة منخفضة.
الجليد الكبير: يتكون الماء السائل (يسار) من ذرات الهيدروجين (أبيض) والأكسجين (الأحمر) مرتبة في هيكل رباعي السطوح تقريبًا. يُظهر الجليد الشائع ، أو Ice Ih (على اليمين) ، شبكة ثلاثية الأبعاد أقل كثافة ، وتشرح سبب تطفو الجليد على الماء.
يمكن أن يؤدي تطبيق الضغط على المواد الرباعية السطوح ، بما في ذلك الجليد البلوري ، والكربون الأولي ، والسيليكون ، والفوسفور ، إلى انهيار الأشكال الصلبة منخفضة الكثافة في مجموعة متنوعة من الهياكل ذات الكثافة الأعلى بالتتابع ، ويفترض حتى الوصول إلى الحد المحشو. ينتج هذا 17 شكلاً من الجليد البلوري الذي لاحظناه حتى الآن. هل هناك المزيد لاكتشافه؟
2. هل هناك نوعان من الماء السائل؟
منذ عدة عقود ، ادعى العلماء اليابانيون أنهم لاحظوا انتقالات بين مرحلتين من الجليد غير المتبلور تحت ضغط مرتفع. نظرًا لأننا نعتقد أن الجليد غير المتبلور هو في الأساس لقطة مجمدة للسائل المقابل ، فقد أشارت هذه الملاحظة إلى وجود نوعين من الماء السائل: عادي منخفض الكثافة ، وشكل مضغوط عالي الكثافة مشابه للثلج غير المتبلور عالي الضغط.
وقد دعمت عمليات المحاكاة اللاحقة هذا الادعاء. لقد تم فحص الماء الذي كانت درجة حرارته أقل من درجة التجمد ، ولكن أعلى من "درجة حرارة النواة المتجانسة" (درجة الحرارة التي لا يمكن أن يوجد تحتها الماء السائل). في هذه المنطقة المسماة بالمنطقة "شديدة البرودة" ، رأى العلماء دليلًا على انتقال الطور بين شكلين سائلين من الماء.
ومع ذلك ، يجادل علماء آخرون بأن هذه النتائج مجرد نتائج ، وأنه من غير المحتمل حدوث مثل هذه التحولات ، بناءً على مبادئ الميكانيكا الإحصائية. حقيقة أنها تحدث بعيدًا عن التوازن تجعل من الصعب ملاحظتها ووضع نموذج لها - في الواقع ، السلوك بعيدًا عن التوازن هو الحد الحالي لنظرية المادة المكثفة.
3. كيف يتبخر الماء؟
يعد معدل تبخر الماء السائل أحد عوامل عدم اليقين الرئيسية في نمذجة المناخ الحديث. يحدد حجم توزيع قطرات الماء في السحب ، والتي بدورها تحدد كيفية انعكاس الضوء وامتصاصه وتشتيته.
لكن الآلية الدقيقة لكيفية تبخر الماء ليست مفهومة تمامًا. يتم تمثيل معدل التبخر تقليديًا من حيث معدل التصادم بين الجزيئات ، مضروبًا في عامل فدج (وهو رقم مدرج في عملية حسابية لحساب الخطأ أو الظروف غير المتوقعة ، أو لضمان النتيجة المرجوة) ويسمى معامل التبخر ، والذي يتراوح بين صفر وواحد. اختلف التحديد التجريبي لهذا المعامل ، الذي امتد لعدة عقود ، على مدى ثلاثة درجات من حيث الحجم. أعاقت الحسابات النظرية حقيقة أن التبخر هو حدث نادر للغاية ، ويتطلب عمليات محاكاة حاسوبية طويلة وكبيرة.
هناك شيء رائع حول الضباب المحيط بشلالات نياجرا: تتحرك القطرات الفردية كما لو كانت سالبة الشحنة.
جنبا إلى جنب مع زملائه ، ديفيد تشاندلر ، من جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، استخدم نظرية قادرة على وصف مثل هذه الأحداث النادرة ، تسمى أخذ عينات المسار الانتقالي ، لحساب معامل تبخر الماء ، ووصلوا إلى قيمة قريبة من واحد. يتوافق هذا جيدًا إلى حد ما مع تجارب المروحة خفيفة الدفع للسائل التي تنتج قيمة 0.6 لكل من الماء العادي والماء الثقيل.
ومع ذلك ، لا يزال من غير الواضح لماذا تؤدي التجارب التي يتم إجراؤها في ظل ظروف أكثر ملاءمة للغلاف الجوي إلى قيم أقل بكثير. أيضًا ، تشير عمليات محاكاة أخذ عينات مسار الانتقال إلى أن التبخر يعتمد على موجة شعرية كبيرة بشكل غير طبيعي تعمل على طول سطح السائل ، مما يؤدي إلى إجهاد وإضعاف الروابط الهيدروجينية التي تمسك بجزيء الماء المتبخر. تؤدي إضافة الأملاح إلى الماء إلى زيادة التوتر السطحي وتثبيط سعة الموجة الشعرية ، وبالتالي يجب تقليل معدل التبخر. لكن الدراسات التجريبية تظهر تأثيرًا ضئيلًا أو معدومًا عند إضافة الأملاح.
4. هل سطح الماء السائل حمضي أم قاعدي ؟
هناك شيء رائع حول الضباب المحيط بشلالات نياجرا: تتحرك القطرات الفردية كما لو كانت سالبة الشحنة. وينطبق الشيء نفسه على معظم الشلالات. تم تفسير هذا منذ فترة طويلة كدليل على تراكم أيونات الهيدروكسيد السالبة (OH-) على أسطح القطيرات ، مما يعني أن الأسطح أساسية - مع قيمة pH أكبر من 7 من الماء المحايد. في الواقع ، أصبح هذا التفكير عقيدة داخل مجتمع علماء الغروانيات.
يحتوي سطح الماء السائل على عدد أكبر من الروابط الهيدروجينية المكسورة ، والتي تنتج بيئة كيميائية مختلفة نوعًا ما عن تلك الموجودة في الكتلة. لكن التجارب والحسابات الحديثة تشير إلى أن البروتونات المائية (H+ ) تهيمن فعليًا على سطح الماء السائل ، مما ينتج عنه أس هيدروجيني حمضي (أقل من 7) وسطح مشحون إيجابياً ، بدلاً من سطح أساسي سالب الشحنة.
تتضمن العديد من العمليات المهمة في الكيمياء والبيولوجيا ، مثل تبادل الغازات والهباء الجوي وتحفيز الإنزيم ونقل البروتون عبر الغشاء ، تبادل البروتونات على سطح الماء ، وتعتمد بشكل صريح على الرقم الهيدروجيني على سطح الماء ، وهي كمية غير معروفة حاليًا.
5. هل تختلف المياه المحصنة (Nanoconfined Water)؟
لا تتدفق المياه دائمًا في المحيطات العملاقة. في كل من الطبيعة والأجهزة التي من صنع الإنسان ، غالبًا ما يقتصر الماء على مساحات صغيرة لا يمكن تصورها ، مثل المذيلات العكسية ، والأنابيب النانوية الكربونية ، وأغشية تبادل البروتونات ، و xerogels (وهي مواد صلبة زجاجية عالية المسامية).
يبدو أن كل من التجربة والحساب يشيران إلى أن المياه المحصورة بجدران صلبة في مناطق صغيرة من الفضاء ، والتي يمكن مقارنتها بحجم بضع مئات من الجزيئات ، تبدأ في إظهار تأثيرات ميكانيكية الكم ، بما في ذلك عدم التمركز والتماسك الكمي. تختلف هذه الخصائص بشكل لافت للنظر عن تلك الخاصة بالمياه السائبة ، ويمكن أن تؤثر على كل شيء من الخلايا البيولوجية إلى الهياكل الجيولوجية. كما يمكن أن يكون ذا أهمية عملية كبيرة ، على سبيل المثال في تصميم أنظمة تحلية أكثر كفاءة.
ومع ذلك ، تظل النتائج الحالية غامضة إلى حد ما ، ولا يزال يتعين القيام بالمزيد من العمل في هذا المجال من أجل تحديد طبيعة المياه في الحجر.
المصدر