كيمياء الماء - الخصائص الفيزيائية والكيميائية والتلوث الأزوتي والفوسفوري
يتألف جزيء الماء من أرتباط ذرة أوكسجين مع ذرتي هيدروجين بروابط تساهمية باستخدام المدارات الهجينة SP3 , بطول رابطة 0.096 nm وبزاوية 104.5° .
أولا - الخصائص الفيزيائية للماء :
1- القطبية :
يعتبر جزيء الماء جزيئا قطبيا أي بتوزع غير منتظم للكثافة الألكترونية ، بشحنة جزئية سالبة قرب ذرة الاوكسجين وشحنة جزئية موجبة بالقرب من ذرات الهيدروجين ، مما يؤدي إلى نشوء عزم ثنائي القطب .ويملك القدرة على تشكيل روابط هيدروجينية بين جزيئاته من خلال التجاذب الكهرساكن مابين ذرة الهيدروجين المشحونة أيجابا مع ذرة الاوكسجين المشحونة بشحنة سالبة .
ويعتبر محل للشوارد والجزيئات الأخرى بسبب قطبيته وهذه القطبية مسؤولة أيضا عن التوتر السطحي الكبير الذي يتمتع به الماء .
2- التحولات الطورية الفيزيائية :
يعتبر الماء المادة الوحيدة على سطح الارض التي توجد باشكالها الثلاثة. وتحدث الاطوار الفيزيائية المختلفة للماء من خلال إعادة ترتيب الجزيئات لنفسها وفق أشكال مختلفة .فعند تجمد الماء تأخذ الجزيئات شكلا هندسيا شديد الأنتظام ذو بنية قفصية ، يتمدد حجمها وتتناقص كثافتها . أما في الحالة الغازية تكون الجزيئات بنية جزيئية عشوائية .
3- الحرارة النوعية :
وهي كمية الطاقة اللازمة لتغير حرارة المادة ، وتملك المياه حرارة نوعية عالية فيمكنها امتصاص كمية كبيرة من الحرارة قبل أن تصبح ساخنة وأطلاق هذه الطاقة المكتسبة ببطء .4- الناقلية الحرارية :
تنقل المياه الحرارة المكتسبة بشكل أسهل من أي سائل آخر عدا الزئبق . 5-التوتر السطحي : تملك المياه توترا سطحيا كبيرا ، تميل بنتيجته إلى التكتل على شكل قطرات .6- الكثافة :
تمتلك المياه العذبة كثافة عظمى بدرجات حرارة تقارب 4 C° ، وتساوي 1غ/سم3 .ثانيا - الخصائص الكيميائية للماء :
1- الماء كمحل عام :
تقلل المياه نتيجة لثابت عزلها الكهربائي العالي من التجاذب بين الشوارد الموجبة والسالبة للكهرليتات ، وتؤدي إلى أنحلال هذه الكهرليتات في الماء .2- درجة الحموضة ال PH :
يحوي الماء النقي في الدرجة 20 C° حوالي( 10 أس 7-) من شوارد الهيدروجين وكمية مكافئة من شوارد الهيدروكسيل مما يجعل الPH مساويا ل 7 . وقد يؤثر على الPH في الماء عوامل عديدة مثل أنحلال مادة أخرى فيه .3- القلوية :
وهي مجموع جميع القلويات الموجودة في الماء وتكون البيكربونات والكربونات هي القلويات المسيطرة ويعبر عنها ب CaCO3 mg/L .4- الناقلية الكهربائية :
تمتلك المياه النقية ناقلية كهربائية شديدة الانخفاض ترتفع عند وجود الشوارد فيها ، أي كلما زادت كمية الاملاح الكلية المنحلة TDS تؤدي إلى أرتفاع الناقلية .5- القساوة :
وهي تركيز جميع املاح الكالسيوم والمغنزيوم المنحلة في الماء .وتقسم إلى :
- قساوة مؤقتة وهي أملاح البيكربونات التي يمكن إزالتها بالغليان
- قساوة دائمة وهي مجموع أملاح الكالسيوم والمغنزيوم غير الكربوناتية المنحلة (كلوريدات - كبريتات .....) ولايمكن إزالتها بالغليان .
6- العكارة :
ويعود سبب العكارة إلى المواد الصلبة المعلقة ، التي تبعثر الضوء المار من خلال هذه المياه ، ويعبر عنها بال NTU7-المغذيات :
وهناك مغذيان رئيسيان هما المركبات الآزوتية والمركبات الفوسفورية اللذان يؤثران في نمو النباتات المائية . ومصادر الآزوت في الماء شوارد النتريت والنترات والأمونيوم .المغذيات الآزوتية في الماء :
1- ينحل غاز النتروجين في الماء لكنه غاز خامل لايمكن استخدامه من قبل النباتات ، ولكن يحدث في الماء عملية تثبيت الآزوت ( Nitrogen Fixation) بواسطة أنواع جرثومية تدعى Cyanobacteria , يحتاج هذا التفاعل إلى الطاقة ويجري كمايلي :
2N2 + 6H2O ---> 4NH3 + 3O2
- تتصف الأمونيا المتحررة في الماء نتيجة تثبيت الآزوت أو تحلل الحموض الأمينية بفعل بعض الأحياء الدقيقة بأنها سامة .
2- يقوم نوع آخر من الجراثيم يدعى Nitrosomonas بتحويل شوارد الأمونيوم في الماء إلى شوارد النتريت بتفاعل نترنة Nitrification ناشر للطاقة :
2NH4 + + 3O2 ---> 2NO2- + 4H+ +2H2O
3- ويحدث أيضا تفاعل نترنة أخر بوجود جراثيم Nitrobacter تتحول فيه شوارد النتريت إلى شوارد النترات الأقل سمية من النتريت أيضا ، والتي يمكن أن تستخدم من قبل النباتات كمصدر للنتروجين المغذي : 2NO2- + O2 ----> 2NO3
- إذا يحوي الماء ثلاثة مصادر للآزوت (شوارد النترات والنتريت والأمونيوم ) ولايمكن التعبير عن تركيز الآزوت إلا من خلال مجموع تراكيز هذه الشوارد .
( " أدت النشاطات البشرية إلى الأخلال بالدورة الطبيعية للنتروجين في الماء حيث تم أعتماد مقدار التلوث بالنترات كمؤشر ودليل عل نوعية المياه الجوفية" )
" تعد أهم مصادر تلوث المياه بمركبات النتروجين ، بالأضافة إلى المصادر الطبيعية ، النشاطات الزراعية المتنامية التي واكبها زيادة في استخدام كميات كبيرة من الأسمدة النتروجينية والاسمدة العضوية والمبيدات ، ومياه الصرف ، والأرتشاحات من مدافن النفايات .
- بالأستناد إلى كل ماذكر ، تحتل حالة الأكسدة والأرجاع لمركبات الآزوت في المنظومات المائية الطبيعية دورا هاما في الدراسات البيئية لأن أستهلاك الأكسجين وتشكل المركبات المتوسطة السامة دليل مهم على أزدياد الفعالية والأنتاجية الحيوانية والنباتية يتعلق وجود مركبات الآزوت بأرقام أكسدة مختلفة ( -3 للأمونيوم ، +3 للنتريت ، +5 للنترات ) بالعديد من العوامل ويتعلق بشكل وثيق بالفعالية البروتونية للوسط وهذا ماتبينه المعادلات التالية :
المغذيات الفوسفورية :
يوجد الفوسفور في الماء بأشكال منحلة مختلفة ، تتضمن الفوسفات المرتبطة عضويا ، البولي فوسفات ، والأورتو فوسفات اللاعضوية ، تعد مركبات البولي الفوسفات مركبات غير مستقرة في الماء تتحول فبها إلى الأورتو فوسفات بمعدلات مختلفة تعتمد على أنواعها ، الحرارة ، وعلى الPH
" يعتبر الفوسفور عاملا حاسما في نمو نباتات الأوساط المائية ، ويمكن أن تسبب زيادة طرحه في الماء ظاهرة الأثراء الغذائي Eutrophication في البحيرات ، مهددة حياة الكائنات الحية فيها ، وتساهم النشاطات الأنسانية في ذلك وخاصة الزراعية منها (الأستخدام الجائر للأسمدة الفوسفاتية ) ، أستخدام المنظفات ، مياه الصرف الصحي " .