Właściwości fizyczne i chemiczne wody
Czym jest woda?
Tlenek wodoru (nazwy systematyczne- monotlenek diwodoru, oksydan) - związek chemiczny o wzorze H2O, występujący w warunkach standardowych (pokojowych) w stanie ciekłym. W stanie gazowym wodę określa się mianem pary wodnej, a w stałym stanie skupienia - lodem. Słowo woda jako nazwa związku chemicznego może się odnosić do każdego stanu skupienia.
Występowanie wody
• Wody różnego rodzaju pokrywają prawie ¾ powierzchni naszego globu, z czego 97% stanowią morza i oceany, około 2% wody lodowcowe, a resztę wody głębinowe, jeziora i rzeki oraz woda w atmosferze. Woda znajduje się w stałym obiegu: ziemia -atmosfera - ziemia.
• Wody naturalne występujące w przyrodzie dzielimy na 3 rodzaje:
1) opadowe (tworzą się z wody odparowanej w górnych warstwach atmosfery i spadają z powrotem na ziemię w postaci deszczu, śniegu, gradu; zawierają liczne substancje rozpuszczone (np. tlen, azot, dwutlenek węgla) i nierozpuszczone (m.in. pyły, sadze, mikroorganizmy, pyłki roślinne),
2) powierzchniowe (występujące na powierzchni ziemi w postaci wód słodkich lub słonych),
3) podziemne (zaskórne, gruntowe, wgłębne)
Woda w związkach
Woda konstytucyjna nie występuje w związkach chemicznych jako cząsteczka wody, natomiast wydziela się w czasie ich rozkładu. Należy tutaj m.in. Ca(OH)2, KOH, H2SO4, itp. Na przykład pod wpływem ogrzewania:
Ca(OH)2 --> CaO+H2O
Woda koordynacyjna związana jest z cząsteczką specjalnym wiązaniem koordynacyjnym, np.:
[Cu(NH3)4 (H2O)2]+3, [Cr(H2O)6]+3
Woda krystalizacyjna jest związana w kryształkach związków jonowych w ilościach stechiometrycznych np. CuSO4x5H2O. Usunięcie jej z takich substancji jest bardzo trudne.
Woda sieciowa. Podczas ogrzewania związków zawierających wodę sieciową nie obserwuje się powstawania nowych faz. Woda ta zawarta jest pomiędzy warstwami sieci krystalicznej.
Budowa cząsteczki wody
W rzucie na płaszczyznę ma wygląd trójkąta równoramiennego z atomem tlenu w jednym narożu trójkąta i atomami wodoru w pozostałych dwóch. Boki tego trójkąta mają długości: 1,013 x 10-10m (wiązanie H - O) oraz 1,63 x 10-10m (średnie odległości między atomami wodoru). Kąt między wiązaniami H - O ma wartość 104° 27', co odpowiada 1,82 rad. W trzech wymiarach cząsteczka wody ma kształt tetraedru z atomem tlenu w środku i atomami wodoru oraz wolnymi parami elektronowymi w wierzchołkach.
W związku z różnicą elektroujemności wodoru i tlenu wiązanie H - O jest wyraźnie spolaryzowane, a cała cząsteczka ma charakter polarny; jest również dipolem. Wartość jej momentu dipolowego wynosi 1,84D.
Na atomie tlenu znajdują się dwie wolne pary elektronowe. Oznacza to, że cząsteczka wody może tworzyć cztery wiązania wodorowe: dwa przez tlen (a konkretnie przez jego wolne pary elektronowe) i dwa przez atomy wodoru mogące oddziaływać z innymi wolnymi parami elektronowymi. Te wiązania wodorowe są odpowiedzialne za łączenie się cząsteczek wody w asocjaty i za powstawanie struktury lodu.
Wynikają z tego właściwośc chemiczne i fizyczne wody.
Właściwości chemiczne
Woda jest środowiskiem reakcji chemicznych oraz podstawowym składnikiem komórek. Jest bardzo rozpuszczalnikiem dla substancji polarnych. Chemicznie czysta jest pozbawiona smaku i zapachu. Zwilża wiele powierzchni, tworząc wiązania wodorowe.
Właściwości fizyczne
Maksymalna gęstość w temperaturze 4 °C 277,14K
Rozszerzalność podczas krzepnięcia
Duże napięcie powierzchniowe
Bardzo duże ciepło właściwe w porównaniu z innymi cieczami
Stosunkowo duże przewodnictwo cieplne
Duża zdolność jonizująca
Zdolność tworzenia układów koloidowych
Temperatura topnienia pod ciśnieniem 1 atm: 0 °C = 273,15 K
Temperatura wrzenia pod ciśnieniem 1 atm: 99,97°C = 373,12 K
Trzy stany skupienia
W środowisku naturalnym woda występuje w trzech postaciach: gazu - pary wodnej, lodu i cieczy. Dzięki zmianom temperatury możliwe jest przechodzenie pomiędzy tymi stanami:
1. parowanie - przejście cieczy w parę
2. wrzenie - parowanie z całej powierzchni,
3. sublimacja - przejście lodu w parę,
4. skraplanie - przejście pary w ciecz,
5. krzepnięcie - przejście cieczy w lód,
6. topnienie - przejście lodu w ciecz.
Każda przemiana związana jest z pobieraniem lub oddawaniem ciepła przez wodę. Podczas parowania, wrzenia, sublimacji i topnienia jest zapotrzebowanie na duże ilości energii, a podczas skraplania i krzepnięcia wręcz przeciwnie - uwalniane jest ciepło.
Dzięki tym trzem różnym postaciom, możliwy jest obieg wody między lądami i morzami. Część wody paruje i tworzy chmury, poczym skrapla się i w postaci opadów atmosferycznych trafia na powierzchnię lądu. Niewielkie jej ilości są retencjonowane - magazynowane (gleba, jeziora, lód, zbiorniki zaporowe), a reszta spływa ciekami do mórz i oceanów.
Woda paruje cały czas i to niezależnie od temperatury. W temperaturach poniżej T krzepnięcia mamy do czynienia z sublimacją (bezpośrednim przejściem z ciała stałego w stan gazowy). W temperaturze wrzenia w cieczy zaczynają się tworzyć pęcherzyki pary początkowo przy ściankach naczynia, a następnie w całej objętosci.
Temperatura wrzenia wody wzrasta wraz z ciśnieniem. Dla ciśnień niższych od 1atm wrze ona w temperaturze poniżej 100°C, dla ciśnień wyższych powyżej tej temperatury. Czysta woda pozbawiona jakichkolwiek rozpuszczonych w niej gazów wrze w bardzo wysokich temperaturach.
Znaczenie wody w organizmie
Zawartość wody w organizmach żywych waha się w bardzo szerokich granicach od 10-12% w nasionach, do 99% w ciałach jamochłonów czy glonów. Różnice te są uwarunkowane: trybem życia, środowiskiem życia, stopniem rozwoju ewolucyjnego, wiekiem i czynnikami zewnętrznymi. Niezależnie od tego woda jest niezbędna do życia wszystkich organizmów ponieważ:
- stanowi uniwersalny rozpuszczalnik
- jest nośnikiem i transporterem wielu substancji (pokarmowych, hormonów, gazów oddechowych)
- umożliwia dysocjację (substancje mineralne w organizmie są zazwyczaj aktywne w postaci jonowej np. „pompa sodowo- potasowa” umożliwiająca przewodnictwo nerwowe)
- jest substratem lub produktem WSZYSTKICH reakcji biochemicznych
- ze względu na dużą pojemność cieplną jest dobrym nośnikiem ciepła
- umożliwia zachodzenie wielu procesów biologicznych np. zapłodnienie
Anomalie w gęstości
Woda jako jedna z niewielu substancji nie poddaje się zasadzie liniowej rozszerzalności temperaturowej - w zakresie temperatur 0-4°C rozszerza się wraz ze spadkiem temperatury, a zmniejsza objętość wraz ze wzrostem temperatury (anomalna rozszerzalność wody). Spowodowane jest to tym, iż wiązania wodorowe, które powodują np.: dużą gęstość wody, pękają, toteż zwiększa się nieuporządkowanie wśród cząsteczek, więc zajmują większą objętość. Zwiększa też objętość podczas krzepnięcia - dlatego lód pływa po powierzchni wody, rozsadza naczynia, niszczy asfalt na drogach itp. Większość znanych człowiekowi substancji zachowuje się odwrotnie.
Ciekawostki
Woda ma swoje święto - 22 marca.
Nawet w warunkach domowych łatwe jest doprowadzenie wody do wrzenia przy 95 stopniach Celsjusza - w czasie głębokiego niżu barycznego.
Woda ciężka- jest to połączenie izotopu wodoru- deuteru z tlenem (D2O). Słabiej zdysocjowana i gorzej rozpuszczająca sole niż zwykła woda. Nie podtrzymuje życia, zabija niektóre bakterie. Stosowana jako moderator lub chłodziwo w reaktorach jądrowych.