إن هذا سؤال من تلاميذ الصف الثالث الابتدائي حيث نقوم بدراسة السوائل وقد لاحظ جوردان Jordan بالمساء وجود فقاعات صغيرة بالحوض الكبير المملوء بماء من الصنبور، والسؤال هو: ما مصدر تلك الفقاعات؟

إن ماء الصنبور قادر على تذويب الغازات فتنتقل به الجزيئات من الحالة الغازية إلى الحالة المذابة وعندئذ يصبح من المستحيل "رؤية" الغاز، وهذا ما يحدث مع ملح الطعام: فعندما يذوب الملح لا نراه؛ وفي الواقع فإن ماء الصنبور مشبع بنتروجين الهواء المحيط والمذاب غير أن كمية الغاز التي يستطيع الماء أن يحتويها هي كمية محدودة ويقال عند بلوغها أن الماء قد بلغ درجة التشبع، وتتغير تلك الكمية خاصة مع الحرارة؛ ولنفترض الآن بعد تلك التوضيحات امتلاء حوض بماء الصنبور المشبع بالنتروجين الموجود بالهواء المحيط كالحوض الذي شاهده جوردان Jordan في أغلب الظن، ولنفترض أيضا أن أقصى كمية من الغاز يمكن أن يحتويها الماء تقل مع مرور الوقت، وبالتالي تصبح الكمية الموجودة بالماء أكبر من الحد الأقصى فتعود جزيئات الغاز المذابة إلى حالتها الغازية مكونة فقاعات صغيرة لا تتكون بأي مكان بالحوض وإنما تتكون على جوانبه التي تعد مكانا مميزا لذلك، وتتضخم تلك الفقاعات تدريجيا حتى تبلغ حجما كافيا يسمح لقوة دفع أرشميدس بفصلها عن الجوانب وبدفعها إلى السطح، ويمكن التوصل إلى نفس النتيجة ولكن بطريقة أسرع عن طريق تسخين ماء الصنبور، فعندما ترتفع درجة حرارة الماء يقل الحد الأقصى من الغاز الذي يمكن أن يحتويه الماء فتتكون الفقاعات، وتصبح تلك الظاهرة واضحة جدا عند حوالى 70º ويقال هنا أن الغاز يستخرج من الماء.

إليكم إجابة تتعدى إطار السؤال المطروح: الجزء الأول: للغازات قابلية للذوبان بالماء بمعنى أن كل من جزيئات الماء وجزيئات الغاز تتجاذب بواسطة قوة شديدة إلى حد ما تسمح لعدد من جزيئات الغاز بالاندماج في السائل، وتتوقف تلك القوى على الخصائص الكيميائية الفيزيائية لجزيئات الغاز والسائل، كما أن لطبيعة الذرات التي تتكون منها تلك الجزيئات تأثيراً في القوى الكهربائية الساكنة للجذب فمثلا يعد ثاني أكسيد الكربون CO2 قابل للذوبان في الماء (مياه غازية) ولكن ليس في البنزين الأبيض، ويعد البوتان قابلاً للذوبان في البنزين الأبيض ولكن ليس في الماء (لا يجب محاولة إجراء تلك التجربة لخطورتها)، وثنائي النتروجين N2 (و الذي غالبا ما يطلق عليه النتروجين) الموجود بالهواء قابل للذوبان بالماء إلى حد ما؛ القانون الأول: تتوقف القابلية للذوبان على خصائص المذاب والمذيب؛ ويتعلق الأمر بين جزيئات الغاز والسائل بالجذب فقط وليس بروابط قوية بحيث تضعف الرابطة بينهما عندما تكون الجزيئات شديدة الحركة كالحال عند ارتفاع درجة الحرارة، القانون الثاني: تنخفض قابلية الغازات على الذوبان في الماء مع ارتفاع درجة الحرارة وتنعدم عندما تكون الجزيئات شديدة الحركة لدرجة ابتعادها عن بعضها البعض أي عند بلوغ درجة الغليان؛ وعند الملامسة بين سائل وغاز ينشأ توازن بين جزيئات الغاز: ففي الحالة الغازية ترتبك الجزيئات وتصطدم وبالتالي يصبح لها ضغط، وعند حصرها في وعاء تقوم بالضغط على جوانبه بطريقة أقوى لكثرة عددها بوحدة الحجم ولشدة حركتها (لارتفاع درجة الحرارة): وهذا هو الضغط؛ أما في الحالة السائلة فتنجذب تلك الجزيئات إلى جزيئات أخرى ولكن ينتهي بها الأمر إلى الارتباك هي الأخرى، وأخيرا تتوزع بين الحالتين بحيث تصل حالة الارتباك إلى حدها الأدنى، فإذا كان الضغط شديدا بالحالة الغازية ستميل الجزيئات إلى الانتقال إلى السائل والعكس صحيح. القانون الثالث: تتوقف قابلية الغاز للذوبان على ضغط الغاز الملامس للمذيب. والقانون الرابع: يستغرق الانتقال من سائل إلى غاز أو من غاز إلى سائل وقتا طويلا. الجزء الثاني: يحتوي ماء الصنبور على كمية كبيرة من الهواء المذاب الذي يستخدم بالمصانع التي يعد بها الماء الصالح للشرب فيشارك بتلك العملية، ويستخدم بكميات كبيرة لأن الماء بتلك المصانع بارد ويضخ أحيانا تحت ضغط مرتفع (القانونان الثاني والثالث) وعند خروج الماء من الصنبور بالمنزل وتركه بدلو كبير تصل درجة حرارته إلى درجة حرارة الغرفة حيث تلامس هواء المنزل أو الحديقة تحت الضغط الجوى وتصبح القابلية للذوبان بها أقل مما كانت عليه بالمصنع: فيميل الغاز إلى الخروج ببطء من الماء (القانون الرابع) ويكون الفقاعات الصغيرة، ويمكن الإسراع من تلك التجربة عن طريق تسخين ماء الصنبور بقدر، وقبل الغليان عند حوالى 70º أو 80º تبدأ الفقاعات الصغيرة في التكون على جوانب القدر، حيث تكون قابلية الهواء للذوبان عند درجة الحرارة هذه ضعيفة جدا؛ وتبلغ قابلية الهواء للذوبان بالماء 22.4مل في لتر الماء عند درجة حرارة 10º، و18.3مل عند درجة حرارة 20º، و5مل عند درجة حرارة 80º.

أشكركم على ردكم على سؤال التلاميذ الذين قد أرادوا طبيعيا تسخين الماء لمشاهدة الفقاعات عن قرب، ولقد مدني الرد من ناحية أخرى بفكرة لطرح تحد على التلاميذ: "الملح والسكر أيهما سيختفي أولا بنفس الكمية من ماء الصنبور؟"؛ ولقد تفاجؤون من حدوث تغيرات بالسوائل دون التدخل المباشر من جانبنا، ولقد كنا بنهاية المنهج بشهر ديسمبر وسينبغى علينا المتابعة حيث يتبقى لنا إجراء التجارب حول المادة مما قد يؤدى إلى طرح أسئلة أخرى عليكم، ولقد ملأت إجابتكم التلاميذ بالفخر.