كيف يتحول الماء السائل إلى جليد صلب ومتماسك عند انخفاض الحرارة؟

تحول الماء إلى حالة صلبة مع انخفاض الحرارة

يتكون الجليد في أي مكان في حال اجتمع وجود ماء وجو بارد، فيتحول الماء ببساطة إلى جليد. يتشكل الجليد عادة عند أو تحت درجات حرارة 0 درجة مئوية، أو 32 فهرنهايت، أو 273.15 كلفن. ويمتلك الجليد بنية بلورية منتظمة تعتمد على جزيء الماء، والذي يتكون من ذرة أكسجين مفردة مرتبطة تساهميـاً بذرتين من الهيدروجين. وتتحكم الروابط الهيدروجينية بين ذرات الأكسجين والهيدروجين المتجاورة في العديد من الخصائص الفيزيائية للماء والجليد، ورغم أنها رابطة ضعيفة إلا أنها تؤدي دوراً حاسماً في التحكم في بنية كل من الماء والجليد.

عندما يتم تبريد الماء ببطء أو عندما تنخفض درجات الحرارة في فصل الشتاء، تبدأ جزيئات الماء في تكوين بلورات سداسية الشكل. وتُعد هذه البنية الهيكلية هي الشكل الأكثر شيوعاً للجليد على سطح الأرض. وتؤدي هذه العملية إلى تحول الحالة السائلة للمياه إلى الحالة الصلبة المتبلورة غير الفلزية.

الكثافة العجيبة وتمدد الحجم عند التجمد

من الخصائص غير المعتادة للماء أن شكله الصلب، أي الجليد المتجمد عند الضغط الجوي، أقل كثافة بنسبة 8.3% من شكله السائل. ويعادل هذا الفارق زيادة حجمية بنسبة 9% تقريباً. وتبلغ كثافة الجليد 0.9167 إلى 0.9168 غرام لكل سنتيمتر مكعب عند درجة حرارة 0 مئوية والضغط الجوي القياسي، بينما تصل كثافة الماء إلى حوالي 0.9998 غرام لكل سنتيمتر مكعب عند نفس درجة الحرارة والضغط.

تصل المياه السائلة إلى ذروة كثافتها، والتي تبلغ فعلياً 1.00 غرام لكل سنتيمتر مكعب، عند درجة حرارة 4 مئوية. ومع استمرار انخفاض الحرارة والوصول إلى نقطة التجمد، تبدأ الكثافة في التراجع لأن جزيئات الماء تبدأ في تكوين بلورات سداسية. ويرجع ذلك إلى هيمنة الروابط الهيدروجينية على القوى بين الجزيئات، مما ينتج عنه حزمة من الجزيئات أقل رصاً واكتظاظاً في الحالة الصلبة مقارنة بالحالة السائلة.

الآثار المترتبة على تمدد المياه المتجمدة

يؤدي تمدد الماء عند تجمده بنسبة تقارب 9% للمياه العذبة إلى تأثيرات واسعة النطاق في الطبيعة والحياة اليومية. وتعتبر قوة تمدد الجليد سبباً رئيسياً في التجوية الصخرية الناتجة عن دورات التجمد والذوبان في الطبيعة. كما يتسبب هذا التمدد في أضرار بالغة لبناء الأساسات الخاصة بالمباني والطرقات نتيجة لظاهرة ارتفاع الصقيع.

إلى جانب ذلك، يعد تمدد المياه عند تجملها سبباً شائعاً لانفجار أنابيب المياه في المنازل بسبب الضغط الهائل الذي يمارسه الماء المتمدد، مما يؤدي أحياناً إلى فيضان المنازل. وبسبب كون الجليد أقل كثافة من الماء السائل، فإن طبقات الجليد تطفو على أسطح البحيرات والمسطحات المائية، مما يمنع تجمدها من القاع إلى الأعلى ويوفر بيئة محمية للحياة النباتية والحيوانية في الأسفل.

اختلاف مراحل الجليد وتأثرها بالحرارة والضغط

على عكس معظم السوائل التي تتجمد عند ضغوط مرتفعة في درجات حرارة أعلى، فإن الروابط الهيدروجينية القوية في الماء تجعله مختلفاً. ففي بعض الضغوط التي تزيد عن الضغط الجوي القياسي، يتجمد الماء عند درجات حرارة أقل من 0 مئوية. ومع تعرض الجليد لدرجات حرارة وضغوط متفاوتة، فإنه يستطيع تكوين عدة مراحل بلورية مختلفة بكثافات متنوعة.

تختلف هذه الأنواع اعتماداً على بنيتها البلورية وترتيب البروتونات والكثافة الخاصة بها. وفي ظل ظروف التبريد السريع جداً أو البطيء، تتشكل أنواع مختلفة من الجليد مثل الجليد غير المتبلور أو الأنواع البلورية المتعددة التي تدرس في المختبرات لفهم سلوك المياه تحت ظروف قاسية. ورغم أن الجليد يبدو مألوفاً وبسيطاً في حياتنا اليومية، إلا أن بنيته الدقيقة تخفي تعقيدات هائلـة تظهر جلياً عند تغيّر الظروف المحيطة به من ضغط وحرارة.

سلوك الجليد الطبيعي والبيئة المحيطة

يُعرف الغلاف الجليدي بأنه المصطلح الذي يصف جماعياً جميع أجزاء سطح الأرض التي تتواجد فيها المياه بحالة متجمدة. وتعتبر الأنهار الجليدية والصفائح القطبية الضخمة مخازن رئيسية للمياه العذبة على كوكب الأرض. وتتشكل هذه الأنهار عندما تهطل كميات كبيرة من الثلوج خلال فصل الشتاء وتتراكم فوق بعضها البعض لتنضغط تدريجياً وتتحول إلى كتل جليدية سميكة تتحرك ببطء شديد تحت تأثير الجاذبية والأوزان الهائلة.

تؤدي درجات الحرارة المنخفضة في فصل الشتاء إلى تكوين الجليد البحري والبحيرات المتجمدة في المناطق المختلفة. وعلى الرغم من أن طبقات سميكة من أسطح البحيرات تتجمد أحياناً، إلا أن البحيرات لا تتجمد بالكامل من القاع، مما يحافظ على استمرار الحياة تحت السطح المتجمد.

زاوية معلومات: لماذا يعنينا تجمد الماء في الشتاء؟

لاحظنا أن ظاهرة تجمد المياه ليست مجرد تفصيل مناخي عابر، بل هي القاعدة الأساسية التي تبقي محيطاتنا وبحيراتنا صالحة للحياة دون أن تتجمد من القاع إلى الأعلى، بفضل تلك الخصائص الفريدة التي تجعل الجليد خفيفاً فيطفو على السطح. ما أدهشنا حقاً هو كيف أن هذه الكتل البسيطة من الماء المتجمد تخفي في طبقاتها ومساماتها سجلاً دقيقاً لطقس الأرض وتاريخ البشرية عبر آلاف السنين. جرّب في المرة القادمة التي تنظر فيها إلى كوب ماء يوشك على التجمد أو إلى صقيع الشتاء أن تتذكر أن هذا التحول البسيط يرتكز على روابط جزيئية دقيقة تحكم شكل كوكبنا بأكمله.