Zagadnienia teoretyczne

Budowa wszystkich ciał makroskopowych jest cząsteczkowa, przy czym owe cząsteczki są w ciągłym ruchu i oddziaływają między sobą pewnymi siłami. Siły oddziaływania międzyatomowego są odpowiedzialne za powstawanie cząsteczek. Siły oddziaływania miedzy cząsteczkami prowadzą do tworzenia się struktur wielomolekularnych, w szczególności do powstania ciał stałych i cieczy. Zbliżanie do siebie atomów powoduje pojawienie się sił przyciągających, które najpierw wzrastają w miarę zmniejszania odległości miedzy jądrami atomów, a potem zmniejszają się aż w końcu przechodzą w siły odpychające. Gdy siła oddziaływania jest zerowa dla pewnej odległości r oraz energia potencjalna osiąga minimalną wartość cząstka jest w stanie równowagi trwałej. Ową odległość r nazywamy długością wiązania atomowego. Ze względu na strukturę wiązań możemy wyróżnić wiązania jonowe (powstają w wyniku przyciągania się elektrostatycznego) oraz kowalencyjne (powstaje dzięki 2 elektronom - po jednym z każdego atomu - ale jako para należą jednocześnie do jednego jak i drugiego atomu).

W przypadku cząsteczki wody atomy wodoru połączone są z atomem tlenu wiązaniem kowalencyjnym. W cząsteczce wody ładunek ujemny jest przesunięty w kierunku atomu tlenu (większa zdolność przyciągania elektronów przez atomy tlenu), a co za tym idzie - ładunek dodatni jest przesunięty w kierunku atomów wodoru. W rezultacie cząsteczka wody ma charakter dipolowy (o określonym momencie dipolowym).

W cieczach odległości między cząsteczkami są porównywalne z ich wymiarami, dlatego ważne są też oddziaływania między cząsteczkowe. W wodzie występują tzw. siły van der Wallsa. Są to siły międzycząsteczkowe w krysztale, mające tę samą naturę co siły przyciągania się cząsteczek w gazach.

W przypadku wody, elektrycznie spolaryzowane cząsteczki łączą się z sąsiednimi cząsteczkami wiązaniami wodorowymi (słabe wiązanie tworzące mostek wodorowy). Przyjmuje się, że struktura wody ma charakter kwazikrystaliczny (zmienny w czasie), o uporządkowaniu bliskim względem najbliższych sąsiadów. Woda zawiera cząsteczki swobodne, ale również grupy cząsteczek powiązanych ze sobą wiązaniami wodorowymi. Te właśnie wiązania wodorowe są odpowiedzialne za oddziaływania cząsteczek i za szczególne właściwości wody i lodu. Większość cieczy zwiększa swoją objętość wraz ze wzrostem temperatury. Woda jest jednak wyjątkiem. Powyżej 4
zachowuje się „normalnie” jednak w zakresie temperatur od 0
do 4
kurczy się aby w temperaturze 4
mieć najmniejszą objętość (największą gęstość). Wynika z tego, że obniżając temperaturę woda rozszerza się. Jest to skutkiem asocjacji (łączenia się) cząsteczek wody, w wyniku czego w temperaturze 0
tworzy się heksagonalna struktura lodu z dużymi otwartymi przestrzeniami między ściankami kryształu. Konsekwencją takich procesów jest zwiększenie objętości wody o około 10%. W czasie topnienia wiązania wodorowe pękają a kryształki przechodzą w stan ciekłej wody.

---