الهواء ومكوناته

إنّ الهواء يحيط بنا من كلّ جانب، ونحن وإن كنّا لا نراه فإنّنا نرى فعله في اكتياح الأوراق ورفرفة الأعلام وتدويم دخان المداخن، كما نحسّ به يلفح وجوهنا وأيدينا وأرجلنا في الأيام العاصفة.

وقد ظلّ العلماء يعتقدون بعنصريّة الهواء حتى عام 1670 حين اكتشف بعض العلماء وجود غازين على الأقلّ في تكوينه.  وحدا ذلك إلى مزيد من البحث ثبت به أنّ الهواء مزيج من أكثر من غازين. ونحن نعلم اليوم أنّ الهواء يتكوّن من عدّة غازات، يؤلّف منها الأكسيجين حوالي 21% والنتروجين 78% والأرغون نحو 1%. ويحوي الهواء إلى جانب هذه الغازات الثلاثة كمّيّات قليلة من ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء ومفادير ضئيلة من غازات نادرة أربعة وهي الهليوم والنّيون والزّنون والكربتون.

والأكسجين هو جسم غازي ثنائي الذرة يشار إليه بعلامة O2، يتكون عندما يتفاعل مع تأثيرات الضوء خاصة في المناطق الاستوائية، ثم توزعه الريح على كامل مناطق الكرة الأرضية. وهو غاز الحياة في الهواء الذي يلفّ الأرض بسمك يقارب 72 كيلومترا لا يتكافأ فيه توزّع الغازات. فالهواء في الطبقات العليا يقلّ كثيرا بحيث يعود الأكسجين فيه كاف للتنفس. ولذا يحتاج الطيارون ومتسلفو الجبال العالية إلى مدد من الاكسجين للتنفس وإلاّ انهاروا لنقص الأكسجين في الدم وخلايا الجسم.

وقد توصل العالم الفرنسي (أنطوان لافوازييه) سنة 1775 إلى ضبط الوظائف الأساسية لهذا الجسم الغازي وهو أول من أطلق عليه اسم (أكسجين) وبين أنه يوجد في الهواء وفي الماء وفي أغلب المواد العضوية النباتية والحيوانية، وهو ضروري لتنفس الكائنات، كما بيّن أنه هو العامل الأساسي لتأكسد المعادن (الصدأ) وأساسي في تركيبة الحوامض.

ويمكن للهواء بصفة عامّة أن يكون ساخنا عند تعرّضه لأشعة الشمس فيتمدّد ويصبح وزنه أخفّ من الهواء البارد فيصعد إلى أعلى ويحلّ محلّه الهواء البارد الذي يتحوّل إلى رياج تهبّ على الأرض بسرعة متفاوتة.

ويكوّن الهواء المحيط بالأرض غلافا يمتصّ أشعّة الشمس الخطيرة، ولولاه لارتفعت درجة الحرارة على سطح الأرض إلى 110 درجة فوق الصفر في النهار وتنزل في الليل إلى 184 درجة تحت الصفر، علما أنّ غليان الماء يبدأ عند درجة 100، ويتجمد عند درجة 0.

إنّ تبادل الغازات بين الغلاف الجوي والكائنات الحية في حركة مستمرة. فعندما يتنفس الإنسان والحيوانات فإنّهم يستنشقون الأكسجين ويطلقون ثاني أكسيد الكربون، أمّا النباتات فهي تلتقط ثاني أكسيد الكربون الضروري لعمليّة التمثيل الضوئي وتطلق الأكسجين في الجوّ.

الهواء في كل مكان

نحن نحسّ بالهواء على أجسادنا وفي أفواهنا، فهل بالإمكان البرهان على أن الهواء في كل مكان حوالينا؟

- غطس قنينة ضيقة العنق في دلو ماء وفوهتها إلى الأسفل.
- أمِل فوهة القنينة ببطء نحو سطح الماء.
- ماذا تلاحظ؟
- هل كانت القنينة فارغة؟
* لقد كانت القنينة مليئة بالهواء الذي رأيناه يتصاعد منها على شكل فقاقيع والماء يدخلها.


- أسقط في دلو الماء كتلة من تراب الحديقة.
- فماذا تلاحظ؟
- حاول تلقي هذه الفقاقيع في قنينة ملأى بالماء منكسة باتجاه الفقاقيع.

- أعد التجربة بتدلية طوبة أو آجرة في دلو الماء.
- هل هنالك ما يشير إلى أن الهواء كان موجودا في الطوبة؟
* إنّ الطوبة تحوي الهواء في مسامتها ككتلة التراب. فالهواء يملأ كل حيز حولنا صغر أم كبر.

لاحظ كيف تطفو إسفنجة الحمام على سطح الماء ومساماتها ملأى بالهواء، لكنك إذا عصرتها تحت سطح الماء تمتلئ مساماتها  بالماء ويزداد وزنها.

اِملأ كوبا بالماء البارد واتركه في مكان دافئ أو على عتبة نافذة معرضة للشمس بضع ساعات ولاحظ ما يحدث.
- هل هناك ما يشير إلى أنّ الماء يحوي بعض الهواء؟

- إنّ الماء يحوي بعض الهواء مذابا فيه وبتأثير الدفء تقلّ ذوابانيّة الهواء في الماء فيتصاعد بعضه على شكل فقاقيع. 

الهواء والاحتراق

تحتاج النار إلى الهواء، وقد عرف الإنسان الأول هذه العلاقة حين اكتشف أنّ التهوية (أو النفخ) تجعل من الشرارة نارا وهّاجة، وأنّ النار المكشوفة تستعر وتتوهّج أشدّ بتوافر التهوية.

وفي التجارب التالية سنكتشف علاقة الهواء بالاحتراق.
يلزمك لهذه التجارب شمعة وطبق مسطح وثلاثة مَرْطبانات مختلفة الأحجام وقليلا من الصلصال.
- ثبت الشمعة في وسط الطبق بالصلصال وأشعلها.
- بعد استقرار اللهب، نكسّ فوق الشمعة أصغر المرطبانات وراقب ما يحدث.
* لهب الشمعة يأخذ في التضاؤل حتى ينطفئ (وقّت الزمن منذ تنكيس المرطبان حتى انطفاء اللهب).

- أعد التجربة مستخدم المرطبانين الآخرين وقارن فترة استمرار اللهب في كل مرّة (مع ملاحظة تساوي فتيل الشمعة عند اشتعاله في كل مرّة).
* إنّ كمّيّة الهواء الأكثر تحتوي أكسجينا أكثر، وهذا يطيل أمد الاشتعال.

- أعد التجربة بعد صبّ الماء في الطبق حول الشمعة، وسجلّ ملاحظاتك.
* إنّ الاحتراق يستهلك أكسجين الهواء وهذا هو سبب ارتفاع الماء في المرطبان.
- هل يمكنك تقدير نسبة الأكسجين في الهواء بقياس كمّيّة الماء التي شغلت مكانه؟

- أعد التجربة مستخدما المرطبانات المختلفة ووقت الزمن الذي ينقضي قبل انطفاء لهب الشمعة في كلّ مرطبان، وقم بقيس ارتفاع عمود الماء النسبي في كل حالة.
- هل يرتفع عمود الماء إلى العلامة نفسها إذا أعدت التجربة مستخدما المرطبان نفسه؟