Woda i jej właściwości

Woda to najbardziej rozpowszechniony związek chemiczny w przyrodzie. Ta niezwykła substancja, jest jedną z niewielu, które mogą wystepować w trzech stanach skupienia:

– lotnym jako para wodna

– ciekłym

– stałym w śnieżynce lub lodzie

Zmiany temperatury i ciśnienia powodują, że woda może  zmieniać swoje stany skupienia. Pomiędzy nimi  rozróżnia się następujace fazy przejściowe:

➔    ze stanu stałego w ciekły – topnienie

➔    ze stanu ciekłego w stały – krzepnięcie

➔    ze stanu ciekłego w gazowy – parowanie

➔    ze stanu gazowego w ciekły – skraplanie

➔    ze stanu stałego w gazowy – sublimacja

➔    ze stanu gazowego w stały – resublimacja

Stany skupienia

Właściwości wody, jako cieczy nie zawsze są zgodne z podstawowymi prawami fizyki. Anomalie te, odnoszą się do jej specyficznej struktury molekularnej. Niezwykły związek wodoru i tlenu zapisany tylko  wzorem sumarycznym H2O nie wyjaśnia unikalnych własciwości fizycznych i chemicznych wody, zależą one  przede wszystkim od budowy cząsteczki, jej kształtu, rozmieszczenia atomów wodoru i tlenu, elektronów, odległości między atomami, kąta między wiązaniami chemicznymi.

Jaki  kształt ma więc  cząsteczka wody?

Woda nie jest cząsteczka liniową. Jej kształt jest  zbliżony raczej  do trójkąta, którego jeden z wierzchołków stanowi atom tlenu a dwa pozostałe atomy wodoru. Kąt położenia atomów wodoru w stosunku do atomu tlenu wynosi  ~105º. W obrazie trójwymiarowym kształt czasteczki wody jest układem tetraedrycznym, który uwzględnia wolne pary elektronów przy atomie tlenu.

Między atomami wodoru  i atomem tlenu w wodzie powstają wiązania  spolaryzowane. Jest to skutek wysokiej elektroujemności atomu tlenu tzn. jego tendencji do przyciagania elektronów. Silniejsze oddziaływanie atomu tlenu niż atomu wodoru  na wiążącą  parę elektronów powoduje, że cząsteczka wody jest spolaryzowana z wyraźnie zaznaczonymi dwoma biegunami elektrycznymi. Wokół jądra atomu tlenu tworzy się obszar o ladunku miejscowo ujemnym, a wokół jąder atomów wodoru- obszar o ładunku miejscowo dodatnim. Budowa cząsteczki wody narzuca więc właściwości polarne, a czasteczka zachowuje sie jak dipol elektryczny. To powoduje, że cząsteczki wody chętnie łączą się ze sobą poprzez wiązania wodorowe (dodatni biegun jednej cząsteczki jest przyciągany przez ujemny biegun drugiej cząsteczki ).Własciwość tę nazywamy asocjacją.

W każdym ze stanów skupienia, w zakresie niewielkich temperatur i pod normalnym ciśnieniem część cząsteczek wody jest zasocjowana – nawet w parze wodnej, choć związki te są dość słabe .

W temperaturze poniżej 0ºC  1 cząsteczka łączy się wiązaniami wodorowymi z 4 innymi cząsteczkami wody. Dzięki temu lód uzyskuje specyficzną strukturę przestrzenną tak jak w kryształach. Powstaje  sieć krystaliczna o  luźnej  strukturze przypominającej połączone tunele puste w środku. Stąd objętość lodu jest duża.

W stanie ciekłym liczba cząsteczek oddziaływujących ze sobą jest mniejsza. W temperaturze 4ºC woda występuje w głównie w postaci asocjatów dwucząsteckowych (H2O)2.

Większość unikalnych właściwości fizykochemicznych wody można przypisać właśnie  jej charakterowi dipolowemu i zdolności tworzenia wiązań wodorowych.

Jedną z nietypowych i ważniejszych właściwości wody  jest zachowanie sie jej w stosunku do energii cieplnej.

Gęstość wody jak i innych substancji, zależy od temperatury. Jednak w przypadku wody zależność ta jest specyficzna. Inaczej niż inne ciecze, których gęstość maleje wraz z ogrzewaniem, woda największą gestość osiąga w temperaturze 4ºC. Dalsze oziębianie wody lub jej podgrzewanie  powoduje zmniejszanie jej gęstości. Dzięki temu lód jest lekki i pływa po wodzie podczas gdy normalnie inne ciała stałe zawsze toną w cieczach powstających przy ich topnieniu. Zamarzanie wody w rzekach i jeziorach tylko na powierzchni umożliwia przetrwanie organizmom żywym w głębi wody.

Anomalią jest też to, że woda inaczej niż inne ciecze zmienia  swoją objętość w zależności od temperatury. Większość cieczy gdy są podgrzewane to zwiększają swoją objętość, woda – inaczej. W zakresie temperatur od 0ºC do 4ºC  woda „kurczy się”, maleje jej objętość, przy rosnącej gęstości, by w  temperaturze 4 ºC osiagnąć minimum objętości. Jest to tzw.efekt anomalnej rozszerzalności cieplnej. Dopiero pod wpływem dalszego ogrzewania woda  rozszerza się i w temperaturze ok 8ºC osiąga objętość mniej więcej taką samą jak w 0ºC. Kurczenie się wody w zakresie od 0ºC do 4ºC jest następstwem stopniowego rozpadania sie wiązań wodorowych między cząsteczkami wody w strukturze lodu, rozpada się ok 15% wiązań wodorowych. Uwolnione ze struktury krystalicznej lodu cząsteczki wykonują coraz gwałtowniejsze ruchy cieplne dążąc do coraz gęstszego upakowania,  osiągniętego właśnie w temperaturze 4ºC. Jednak ze względu na coraz intensywniejsze ruchy cieplne cząsteczek to upakowanie zaczyna się rozluźniać.

Od tego momentu woda zachowuje się już jak normalne ciecze i zwiększa swoją objętość wraz ze wzrostem temperatury. Właśnie to zjawisko tłumaczy rozkład temperatur w zbiorniku wodnym w zimie.  Woda o największej gęstości opada na dno i dzięki temu głębokie zbiorniki wody mają temperaturę zbliżoną do +4°C, zimą na dnie woda ma zawsze temperaturę +4°C, co pozwala rybom przeżyć zimę, natomiast latem na dole zbiornika panuje najniższa temperatura.

Temperatura wody zima

Temperatura wody lato

Duża zmiana objętości właściwej wody zachodzi zarówno podczas jej  topnienia jak i krzepnięcia. Przechodząc w lód woda zwiększa objętość o ok 10%, co jest wynikiem powstawania krystalicznych struktur lodu. Jakie to ma znaczenie i czy możemy to zaobserwować?

Woda zostawiona w zamkniętym naczyniu na mrozie rozerwie je.

Wstrzymanie krążenia wody w rurach centralnego ogrzewania może doprowadzić do jej pęknięcia na skutek zamarznięcia wody. Woda jest też głównym czynnikiem powodującym wietrzenie skał, a lód na powierzchni wody pełni rolę izolatora i chroni przed utratą ciepła, głębsze  warstwy.

Spośród niezwykłych i ważnych z biologicznego punktu widzenia,  właściwości wody ciekłej jest jej duże ciepło właściwe (ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1kg substancji o jeden stopień), największe ze znanych ciał, wskutek czego traktuje sie je jako wzorzec. Dla większości substancji ciepło właściwe wzrasta wraz ze wzrostem temperatury . Woda zachowuje sie inaczej. W przedziale temperatur od 0C do 27C spada jej cieplo właściwe  osiągając minimum w 27ºC. Przy dalszym ogrzewaniu ciepło właściwe rośnie nawet powyżej 100C. Właściwość ta   również wynika z istnienia wiazań wodorowych między cząsteczkami wody. Ich zerwanie wymaga dostarczenia dużej ilości energii np.  w postaci ciepła. Bardzo wysokie wartości ciepła własciwego, parowania, topnienia i krzepnięcia powodują, że woda ogrzewa się bardzo wolno, ale za to długo utrzymuje ciepło. Pochłanianie  i oddawanie ciepła przy przechodzeniu ze stanu ciekłego w stan stały (lód) lub ze stanu ciekłego w parę przebiegają powoli. Dzięki temu woda wpływa łagodząco na klimat i zmniejsza wahania temperatury. Ogromne masy wody takie jak oceany spełniają zatem  ważną rolę regulatorów temperatury na Ziemi. Latem wchłaniają nadmiar energii cieplnej, a zimą oddają ją otoczeniu. Właściwość ta ma też duże znaczenie dla istot żywych,  temperatura organizmów nie zmienia się gwałtownie pomimo szybkich zmian temperatury otoczenia.

Dzięki wysokim wartościom ciepła topnienia lodu, proces ten zachodzi bardzo wolno. Ma to duże znaczenie, dzięki tej właściwości nie doznajemy klęsk powodziowych na skutek gwałtownego topnienia sniegu i lodu wiosną. Lód topniejąc pochłania bardzo duże ilości energii cieplnej.

Osobliwością, którą nie można pominąć jest sposób zamiany wody ciekłej w parę – proces parowania, zachodzi bowiem w każdej temperaturze. Paruje nie tylko woda, lecz również śnieg i lód, nawet w temp ponizej 0ºC – jest to wówczas proces sublimacji.(przejście  bezpośrednio ze stanu stałego w gazowy). Parowanie zwiększa się przy wzroście temperatury. W temperaturze 100ºC przy normalnym ciśnieniu woda zaczyna wrzeć, pęcherzyki pary powiększają swoją objętość i jako lżejsze wypływają na powierzchnię i zaczynają burzyć wodę. Do momentu gdy cała woda nie wyparuje temperatura nie ulegnie zmianie- jest to stałość temperatury wrzenia.  Ciepło parowania   jest zużywane na zwiększenie objętości przy przejściu w stan pary (pokonanie ciśnienia powietrza; woda parując zwiększa swoją objętość 1650 razy). Część  energii służy do rozbicia powiązanych ze sobą cząsteczek wody w pojedyncze cząsteczki.   Temperatura wrzenia wody zależy od jej ciśnienia. Przy  niższym ciśnieniu np w wysokich górach gdzie powietrze jest rozrzedzone, woda wrze w temperaturach niższych niż 100ºc: w Himalajach nawet w temperaturze poniżej 70ºC. Czy wykorzystujemy tę własciwość wody? Tak gotując w tzw. „ciśnieniowych naczyniach”oszczędzajac energię.

Inną właściwością wody wynikającą z tworzenia międzycząsteczkowych wiązań wodorowych jest jej duże napięcie powierzchniowe. Wynika ono stąd, że siły działajace na cząsteczkę wewnąrrz wody ze strony pozostałych cząsteczek znoszą się wzajemnie  natomiast na cząsteczki leżące na powierzchni działa siła wypadkowa skierowana  do środka cieczy (cząsteczki są wciągane do wnętrza cieczy). Siłę tą nazywamy siłą napięcia powierzchniowego.  Woda   dąży więc do minimalizacji powierzchni swojego kontaktu z powietrzem i przybrania takiego kształtu,dla którego przy określonej objętości powierzchnia jest jak najmniejsza. Z geometrii wiadomo, że taki kształt ma kula. Przez to spadająca kropla, czy bańka mydlana ma kształt kuli. Napięcie powierzchniowe ma duże znaczenie biologiczne. Błona powierzchniowa jest na tyle spójna by nie rozerwać się pod  ciężarem leżących odpowiednio lekkich przedmiotów. Wykorzystują tę właściwość  do  poruszania się po powierzchni wody, owady i inne organizmy np nartnik. Kształt powierzchni wody nazywany meniskiem, zależy od tego jaką wartość mają siły spójności między cząsteczkami wody w porównaniu z siłami przylegania ( siłami działającymi między cząsteczkami wody a cząsteczkami ścianek naczynia).

Menisk wklęsły- siły spójności mniejsze od sił przylegania

Menisk wypukły- siły spójności większe niż przylegania

Tworzenie sie menisków wklęsłych pociąga za sobą  zjawisko włoskowatości, polegające na tym, że dzięki napięciu powierzchniowemu  wody  wznosi się ona  w naczyniach o bardzo małych przekrojach. Dzięki temu woda wsiąka w glebę, mury, skały a także  wzosi się na wysokość kilku metrów w pniach drzew. Napięcie powierzchniowe wody zmniejsza się wraz ze wzrostem   temperatury. Praktycznie możemy to wykorzystać w procesach mycia i prania. Dodatek detergentu i podgrzanie wody zmniejsza wartości sił napięcia powierzchniowego dzięki czemu zabrudzenia łatwiej można usunąć.

Lepkość wody – tzn opór jaki stawiają cząsteczki wody podczas przemieszczania się obok siebie nie jest duża ale  silniej zależy od temperatury niż napięcie powierzchniowe. Znaczny wzrost lepkości przy obniżeniu temperatury zapobiega migracji cząsteczek wody w tkankach w niskich temperaturach. Podniesienie temperatury o   10 ºC zmniejsza lepkość   o połowę. Właściwość ta wpływa na poruszanie sie organizmów w środowisku wodnym. Mniejsza lub większa lepkość ułatwia lub utrudnia opadanie organizmów unoszących sie w toni wodnej.Właściwość ta, ma też znaczenie przy rozprowadzaniu substancji wewnątrz organizmów żywych.

Woda jest dobrym rozpuszczalnikiem dzięki wyjątkowo dużej stałej dialelektrycznej.

(e = 80), co oznacza, że dwa punktowe ładunki różnoimienne w wodzie przyciągają się z siłą 80 razy mniejszą niż w próżni. Dzięki tej anormalnie wysokiej wartości stałej dielektrycznej, woda stała się najbardziej wszechstronnym rozpuszczalnikiem na Ziemi.

Ropuszcza doskonale wiele związków chemicznych stałych, ciekłych i gazowych, prawie wszystkie substancje nieorganiczne i wiele organicznych. Z tego względu uznawana jest za   rozpuszczalnik uniwersalny, rozpuszcza nawet  choć w bardzo minimalnym stopniu złoto i srebro. Przede wszystkim jednak jest doskonałym rozpuszczalnikiem dla substancji hydrofilowych ( tzn. „lubiących wodę”), które posiadają ładunek, tak jak jony, są polarne np alkohol etylowy albo mają zdolność tworzenia wiązań wodorowych. Dobrze rozpuszczalne są np sole w rodzaju chlorku sodu. Dodatni biegun cząsteczki wody przyciągany jest przez anion , a ujemny przez kation co prowadzi do tzw. hydratacji tzn gromadzeniu  sie wokół odpowiednich jonów, cząsteczek wodnych tworzących coś w rodzaju płaszcza wodnego.W minimalnym stopniu woda  rozpuszcza tzw. substancje hydrofobowe ( tzw.”bojące sie wody”) np. węglowodory, żywice, tłuszcze, białka. Szkło i metale rozpuszczają się w bardzo mimimalnym stopniu, tak że uważane są one za nierozpuszczalne. Dobra rozpuszczalność wody umożliwia nie tylko pranie i sporządzanie niektórych napojów , w  organizmach woda jest czynnikiem transportującym jako składnik krwi, limfy, soku komórkowego roślin. Negatywne konsekwencje dobrej rozpuszczalności polegają na rozpuszczeniu również substancji szkodliwych dla zdrowia; pestycydów a nawet silnych trucizn: związków rtęci, kadmu, które przedostają sie z wodą do gleby, rzek i jezior,  stwarzając zagrożenia cywilizacyjne.

          W zwykłej temperaturze woda jest cieczą przezroczystą, bez smaku i zapachu. Barwa wody, jej przezroczystość,  zależy od składu substancji w niej rozpuszczonych lub zawieszonych, które wpływają na stopień odbicia , rozproszenia i pochłaniania światła przez wodę. Czasami wydawać sie może, że barwa wody  jest niebieska, a spowodowane to jest tym, że rozproszeniu silniej ulegają krótkofalowe częsci widma światła. Wysoka przezroczystość wód  w okolicach równika spowodowana jest małą ilością substancji odżywczych i soli, a przez to małą ilością planktonu. Woda w Morzu Sargassowym, niezwykle przezroczysta,  pod wzgledem właściwości optycznych prawie nie różni sie od wody destylowanej.

Ze względu na bardzo małe przewodnictwo cieplne woda, a także lód są bardzo dobrymi izolatorami cieplnymi.

Właściwość

H2O

Masa cząsteczkowa [u]

18,016

Gęstość [g/cm3] /w t=20° C/

0,9982

Objętość molowa [cm3] /w t=20°C/

18,048

Współczynnik załamania światła /w t=20° C/

1,3330

T topnienia [° C]

0

T wrzenia [° C]

100

Ciepło topnienia [J/mol]

6,022

Ciepło parowania [J/mol]

40,824

Stała dielektryczna

78,39

Napięcie powierzchniowe [J/m2]

71,98 x 10-3

Lepkość [Pa*s]

0,8905 x 10-3

Opracowano na podstawie:

Praca zbiorowa,Pracownia Dydaktyki Fizyki Instytutu Fizyki UMK „Prawie wszystko o wodzie”

Paweł Żukowski”Degradacja Hydrosfery”