Woda i roztwory wodne
Woda i roztwory wodne
Tlenek wodoru, zwany zwyczajowo wodą, składa się z tlenu i wodoru. Samo wymieszanie tych 2 gazów nie zapewnia reakcji między nimi; do zapoczątkowania syntezy jest konieczne dostarczenie energii.
Woda to bezbarwna ciecz (w grubych warstwach niebieskawa), bez smaku i zapachu; temp. topn. 0C, temp. wrz. 100C. Wodę trudno ogrzać lub ochłodzić. Aby zwiększyć temp. litra wody o 10oC, trzeba dostarczyć jej energii równej około 40.000 dżuli- tyle samo, ile trzeba zużyć na wniesienie 4 kilowego plecaka z Krupówek na szczyt Giewontu. Dla porównania podgrzanie tej samej ilości alkoholu wymagałoby 2 razy mniej energii, a podgrzanie kawałka stali-jednej dziesiątej. Z tego względu wahania temperatury oceanów są dużo mniejsze niż lądów. Średnia temp. oceanów zawiera się pomiędzy 0 a 35oC, podczas gdy średnia temp. lądów wynosi od -70 do 55oC. Dzięki temu woda łagodzi klimat naszej planety.
W powiększeniu cząsteczka wody przypomina głowę niedźwiadka-głowa to tlen, a uszy to dwa dużo mniejsze atomy wodoru. Budowa cząsteczki wody zdaje się prosta, ale kryje w sobie wiele tajemnic. Elektrony atomów wodoru są przesunięte w kierunku atomu tlenu i dlatego uszy niedźwiadka mają ładunek dodatni, a głowa ujemny. To oznacza, że cząsteczki wody łatwo łączą się z innymi cząsteczkami, które posiadają ładunek elektryczny, a także mogą przyciągać się nawzajem. Właśnie obecność tych wiązań między cząsteczkami wody(„wiązań wodorowych” jak mówią chemicy) jest odpowiedzialna za wiele niezwykłych właściwości wody. Ze względu na te wiązania temperatura wrzenia wody jest tak wysoka. Gdyby ich nie było, woda zamarzałaby w około -100oC, a gotowałaby się w -80oC. W takich warunkach nie byłoby na Ziemi oceanów i prawdopodobnie nie powstałoby życie.
W jednej szklance wody mieści się około 8 kwadrylionów (bilion bilionów) jej cząsteczek.
Woda występuje w trzech stanach skupienia: gazowym, ciekłym i stałym.
W każdym ze stanów skupienia woda ma identyczny skład chemiczny i podobną strukturę.
W zależności od ciśnienia (i temperatury) istnieje 8 odmian lodu różniących się właściwościami, np. lód II i lód III maja większą gęstość niż lód I (zwykły), a lód VI i VII mają temperatury topnienia powyżej 80 C. Wszystkie odmiany poza lodem I istnieją w wysokich ciśnieniach. To nie koniec magicznych własności lodu. Większość substancji przy zamarzaniu zmniejsza swoją objętość, woda zachowuje się dokładnie odwrotnie-dlatego rury zimą pękają, kiedy woda w ich wnętrzu zamarza. Jednak świat, w którym byłoby inaczej, byłby zabójczy dla ryb i innych wodnych zwierząt. Jeżeli lód byłby cięższy od wody, opadałby na dno i zbiorniki wodne zamarzałyby całe-od dołu do góry, nie dając najmniejszej szansy przeżycia ich mieszkańcom.
Ciekawym zjawiskiem jest samo parowanie wody. Woda parując zwiększa swoją objętość 1650 razy. Woda paruje cały czas i to niezależnie od temperatury. Nie tylko w temperaturze 100oC-gdyby tak było, pranie w łazience nigdy by nie wyschło. W temperaturach poniżej temperatury 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 objętości.
Temperatura wrzenia wody wzrasta wraz z ciśnieniem. Czysta woda pozbawiona jakichkolwiek rozpuszczonych w niej gazów wrze w bardzo wysokich temperaturach. Ze względu na bardzo małe przewodnictwo cieplne woda, a także lód są idealnymi izolatorami cieplnymi.Kolejną własnością wody odróżniająca ją od innych cieczy jest jej wysokie napięcie powierzchniowe. Wyższe wartości napięcie powierzchniowe osiąga tylko dla stopionych metali. Wraz ze wzrostem temperatury napięcie powierzchniowe wody maleje. Zjawiskiem związanym z napięciem powierzchniowym jest menisk (określony kształt powierzchni wody). Jego kształt zależy od wartości sił spójności i sił przylegania. Gdy siły spójności są większe od sił przylegania tworzy się menisk wypukły (np. woda w naczyniu szklanym pokrytym parafiną), gdy jest odwrotnie, tworzy się menisk wklęsły (np. woda w szklanym naczyniu).
Inną ważną cechą jest lepkość, czyli tarcie wewnętrzne. Lepkość cieczy maleje wraz ze wzrostem temperatury, co hamuje migracje cząsteczek wody w tkankach w niższych temperaturach. W zasadzie, wodę można uważać przy umiarkowanych ciśnieniach za ciecz o małej lepkości i ściśliwości. Wraz ze wzrostem ciśnienia lepkość rośnie dość znacznie, co trzeba uwzględniać we wszelkich projektach instalacji pracujących w wyższych ciśnieniach.
Mimo pozorów woda, o ile jest bardzo czysta i pozbawiona wszelkich obcych jonów, jest izolatorem, tzn. wykazuje bardzo duży opór właściwy. Jeszcze większy opór wykazuje lód. Jednak obecność minimalnych ilości obcych jonów pochodzących z rozpuszczonych w wodzie soli czy gazów znacznie zwiększa przewodnictwo wody.(elektrolity-substancje, których wodne roztwory przewodzą prąd elektr).
Ponadto przewodnictwo rośnie wraz z temperaturą. Woda jest diamagnetykiem, czyli jest wypychana z pola magnetycznego.
Woda jest także rewelacyjnym rozpuszczalnikiem, jednym z najlepszych jakie istnieją. I znów przyczyn tego należy doszukiwać się w budowie jej cząsteczek. Roztwór wodny można otrzymać w wyniku rozpuszczenia substancji stałej w wodzie, która pełni rolę rozpuszczalnika.
Jeśli np. rozpuści się w 100 gramach wody, w danej temperaturze określoną ilość cukru zgodną z rozpuszczalnością powstanie roztwór nasycony. Po podwyższeniu temperatury z roztworu nasyconego powstanie roztwór nienasycony. Aby oddzielić cukier od wody, czyli rozpuszczalnika należy przeprowadzić krystalizację z roztworu nasyconego, lub odparować wodę.
Nie każda woda to H2O. Znane są nazwy zwyczajowe wielu różnych "wód", pod którymi kryją się związki chemiczne, mieszaniny lub roztwory całkiem od prawdziwej wody odmienne i często nienadające się do spożycia:
--woda królewska-Mieszanina trzech objętości stężonego HCl(kwas solny) i jednej objętości HNO3(kwas azotowy), roztwarza wszystkie metale także złoto.
--woda ciężka-zamiast atomów wodoru zawiera w cząsteczce 1 lub 2 atomy deuteru, jest stosowana w reaktorach jądrowych.
--Woda twarda-Woda zawierająca rozpuszczone związki magnezu i wapnia.
--Woda utleniona-3% wodny roztwór nadtlenku wodoru, stosowany do dezynfekcji.
--Woda amoniakalna-Wodny roztwór NH3 (zasada azotowa) o ostrym zapachu, stosowany jako ciekły nawóz sztuczny.
--Woda wapienna- Nasycony wodny roztwór zasady wapniowej, mętnieje pod wpływem CO2.
--Woda destylowana- Woda oczyszczona, niezawierająca rozpuszczonych soli, stosowana w laboratoriach i akumulatorach samochodowych.
--Woda mineralna-Woda zawierająca w swoim składzie między innymi CO2 oraz rozpuszczone pierwiastki i związki chemiczne.
Woda jest trwałym związkiem chemicznym, najbardziej rozpowszechnionym w przyrodzie (ok. 6,6% masy powłoki ziemskiej) i znajduje się w stałym obiegu.
Woda w naturze zawiera rozpuszczone substancje stałe i gazowe oraz zawiesiny substancji nieorganicznych, trudno rozpuszczalnych, a także bakterie i inne drobnoustroje.
Woda jest jednym z podstawowych składników wszystkich żywych organizmów (żywa komórka zawiera 75-85% wody); dzięki dużej pojemności cieplnej woda wpływa na kształtowanie się klimatu, odgrywa specyficzną rolę w procesach biologicznych; oczyszczona używana jest w gosp. domowych oraz jako woda pitna.
W przemyśle w wielu procesach technologicznych, m.in. jako rozpuszczalnik, nośnik ciepła (chłodnictwo, ogrzewanie). 97,39% wody znajduje się w morzach, a więc są to wody słone, nie nadające się do wykorzystywania w celach pitnych. 2/3 pozostałych zasobów jest uwięzione w polarnych pokrywach lodowych i lodowcach, a reszta znajduje się w wodach gruntowych, w jeziorach i rzekach oraz w atmosferze. Wg ekspertów dostępne zasoby wody pitnej stanowią niespełna 1% ziemskich zasobów wody słodkiej. W dodatku są one nierówno rozmieszczone na powierzchni lądów oraz niewłaściwie eksploatowane (zaniedbanie infrastruktury, brak gospodarki ściekami komunalnymi i przemysłowymi). Eksperci sygnalizują, iż w połowie XXI stulecia niedobory wody pitnej odczuje 2/3 ludności świata.
Polska zaliczana jest do państw o ubogich zasobach wodnych.
Mateusz Kasza Ib
18.05.2004