Magdalena Kwolek-Mirek
Zastanawiacie się pewnie co ciekawego może być w „wodzie”. Każdy z nas ma z nią do czynienia na co dzień. Pijemy wodę, myjemy się wodą, przejeżdżamy przez most, a pod nim woda, patrzymy na akwarium, a tam woda, nawet gdy zmokniemy w drodze do pracy winna jest – woda! Woda, woda, woda… Ale ile tak naprawdę o niej wiemy?
Woda, czyli tlenek wodoru to związek chemiczny o wzorze H2O. W każdej cząsteczce wody dwa atomy wodoru są kowalencyjnie związane z atomem tlenu. Ale czy każdy wie, że nie wystarczy samo wymieszanie tych dwóch gazów do zapewnienia reakcji między nimi? Do zapoczątkowania reakcji syntezy konieczne jest dostarczenie energii. Po zainicjowaniu reakcja biegnie już bardzo szybko i powoduje wydzielenie znacznych ilości energii.
Wiązania kowalencyjne znajdujące się miedzy wodorem a tlenem są silnie spolaryzowane, ponieważ tlen przyciąga elektrony znacznie silniej niż wodór. W rezultacie w cząsteczce wody elektrony są nierównomiernie rozmieszczone, co prowadzi do przesunięcia ładunku dodatniego na atomy wodoru, a ujemnego – na tlen. Kiedy dodatnio naładowany rejon cząsteczki wody (tzn. jeden z atomów wodoru) przybliża się do ujemnie naładowanego rejonu (czyli atomu tlenu) drugiej cząsteczki, ich wzajemne przyciąganie się prowadzi do powstania słabego wiązania, zwanego wiązaniem wodorowym.
[pic]
Wiązania takie są znacznie słabsze niż wiązania kowalencyjne i ulegają łatwo zerwaniu przez przypadkowe ruchy termiczne pod wpływem energii cieplnej cząsteczek, przez co czas trwania każdego z tych wiązań jest bardzo krótki, ale sumaryczny ich efekt jest znaczący. Każda cząsteczka wody może tworzyć wiązania wodorowe poprzez swoje dwa atomy H z dwiema innymi cząsteczkami, co prowadzi do powstania sieci, w której wiązania wodorowe stale ulegają zrywaniu i ponownemu tworzeniu. Tylko dzięki wiązaniom wodorowym, łączącym poszczególne cząsteczki, woda w temperaturze pokojowej nie jest gazem, lecz cieczą o względnie wysokiej temperaturze wrzenia i dużym napięciu powierzchniowym.
W jaki sposób tworzenie wiązań wodorowych między cząsteczkami wody wpływa na jej napięcie powierzchniowe? Woda dąży do minimalizacji powierzchni swojego kontaktu z powietrzem, którego cząsteczki mogą być traktowane jako hydrofobowe. Dlatego na powierzchni roztworów wodnych tworzy się tzw. błona powierzchniowa. Jest ona wystarczająco spójna, aby nie rozerwać się pod ciężarem leżących na niej odpowiednio lekkich przedmiotów. Tę właściwość wody wykorzystują niektóre owady polujące na jej powierzchni np.: nartnik. Dzięki wysokiemu napięciu powierzchniowemu wody możliwe jest także podnoszenie wody w kapilarach. Na tej zasadzie odbywa się transport wody i soli mineralnych u roślin (ksylem). Wraz ze wzrostem temperatury napięcie powierzchniowe wody maleje.
Woda jest dobrym rozpuszczalnikiem. Proces rozpuszczania się substancji w wodzie zachodzi w ten sposób, że wokół cząsteczek tej substancji powstają otoczki z cząsteczek wody zwane otoczkami solwatacyjnymi. Aby wytworzyła się otoczka solwatacyjna, cząsteczki rozpuszczanej substancji muszą być obdarzone ładunkiem, być polarne, albo mieć dużą zdolność do tworzenia wiązań wodorowych. Takie substancje określa się mianem hydrofilowych, czyli „lubiących wodę”. Substancje, które nie są obdarzone ładunkiem i wykazują brak polarności nie rozpuszczają się w wodzie. Pojawienie się takich substancji rozbija część wiązań wodorowych między cząsteczkami wody. Jest to energetycznie niekorzystne, dlatego cząsteczki wody dążą do „wypchnięcia intruzów”. Cząsteczki substancji nierozpuszczalnych w roztworach wodnych wykazują tendencje do gromadzenia się w warstwie powierzchniowej roztworu oraz w skupiskach, tak aby powierzchnia ich kontaktu z wodą była minimalna (zjawisko to łatwo można zaobserwować wlewając olej do wody). Takie substancje określa się mianem hydrofobowych, czyli „bojących się wody”. Pojawienie się natomiast w wodzie cząsteczek amfifilowych (tj. mających zarówno region hydrofilowy, jak i hydrofobowy), na skutek opisanej powyżej tendencji cząsteczek wody do minimalizacji oddziaływań ze związkami hydrofobowymi, prowadzi do powstania miceli – kropelek substancji amfifilowych. Zewnętrzną warstwę miceli stanowią regiony hydrofilowe, a rdzeń regiony hydrofobowe. Taką budowę posiadają surfaktanty (detergenty).
Cząsteczki wody dysocjują na jony wodorotlenkowe (OH–) i wodorowe (H+). Do określenia stężenia jonów wodorowych w komórce oraz w płynach ustrojowych stosuje się pojęcie pH. Właściwości fizyczne oraz chemiczne wielu cząsteczek zależą od wartości pH np.: aktywność enzymów. Odczyn chemicznie czystej wody jest obojętny (pH= 7).
Woda może występować w trzech stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym. Warto pamiętać, iż w każdym ze stanów skupienia woda, choć ma nadal identyczny skład chemiczny i podobną strukturę, zachowuje się w różny sposób. W stanie gazowym – para wodna – każda z cząsteczek wody może istnieć samodzielnie, a odległości między nimi są znaczne, praktycznie jedynymi oddziaływaniami są zderzenia na skutek bezwładnych ruchów cieplnych. Natomiast w stanie stałym – lód – cząsteczki wody zajmują określone pozycje w strukturze krystalicznej, ich ruchy ograniczają się do drgań wokół pewnych położeń równowagi. W każdej temperaturze pomiędzy tkrzepnięcia a twrzenia, czyli w stanie ciekłym, oddziaływania międzycząsteczkowe w wodzie są słabsze niż w ciele stałym lecz silniejsze niż w gazie.
Inną ważną cechą wody jest lepkość, inaczej tarcie wewnętrzne, czyli opór wewnętrzny przeciw płynięciu. Najprościej właściwość tą można wyjaśnić na przykładzie cieków wodnych, gdzie można zaobserwować dwa rodzaje ruchów wody: turbulentny i laminarny. Turbulentny ruch wody polega na chaotycznym poruszaniu się cząsteczek wody we wszystkich kierunkach. Laminarny zaś, na równoległym przemieszczaniu, ślizganiu się po sobie warstw wody w jednym kierunku – zgodnym z kierunkiem płynięcia cieku. W zależności od stopnia lepkości cieczy, warstwy poruszają się szybciej lub wolniej. Ma to bezpośredni wpływ na szybkość płynięcia rzeki i tworzenie się zawirowań.
W jeziorze lepkość wody wpływa na efektywność ruchów wody, a co za tym idzie na stopień mieszania się zbiornika. Lepkość wody maleje wraz ze wzrostem temperatury (w temperaturze 0oC wynosi 1797×10-6 Pa s, a w 100oC 284×10-6 Pa s), natomiast rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia.
Dla organizmów wodnych ważną cechą wody jest zależność jej gęstości od zmian temperatury otoczenia. Woda w postaci lodu ma strukturę uporządkowaną, krystaliczną. Powoduje to zwiększenie jej objętości i w konsekwencji zmniejszenie gęstości (gęstość lodu wynosi 916,8 kg/m3). W miarę wzrostu temperatury gęstość wody się zwiększa (w temperaturze topnienia wynosi 999,868 kg/m3), osiągając wartość maksymalną w temperaturze 3,98oC (999,972 km/m3), po czym ponownie spada. Tą właściwością tłumaczy się fakt, że zimą zamarzają tylko powierzchniowe warstwy głębokich zbiorników wodnych, natomiast warstwy przydenne utrzymują się w stanie ciekłym.
Na gęstość wody ma wpływ również ciśnienie, zależność ta jest wprost proporcjonalna (wraz ze wzrostem ciśnienia gęstość wody stale rośnie).
Co ciekawe woda paruje cały czas i to niezależnie od temperatury. W temperaturze poniżej tkrzepnięcia mamy do czynienia ze zjawiskiem sublimacji, czyli z bezpośrednim przejściem z ciała stałego w stan gazowy. Natomiast w temperaturze wrzenia w cieczy zaczynają się tworzyć pęcherzyki pary, początkowo przy ściankach naczynia, a następnie w całej objętości. Należy także pamiętać, że twrzenia wody wzrasta wraz z ciśnieniem. Dla ciśnień niższych od 1 atmosfery wrze ona w temperaturze poniżej 100oC, a dla większych ciśnień powyżej tej temperatury.
Dla większości substancji ciepło właściwe zależy od temperatury i wraz z jej wzrostem rośnie. Woda jest tu wyjątkiem! Ta anomalia jest związana z wiązaniami wodorowymi, które wraz ze wzrostem temperatury zostają rozrywane. Ciepło właściwe wodny wynosi 4190 J/kg K, pary wodnej 1970 J/kg K, a lodu 2100 J/kg K. Woda, obok ciekłego litu i wodoru ma najwyższą wartość ciepła właściwego. Mówiąc prościej, oznacza to, że jest stosunkowo złym przewodnikiem ciepła. Wolno ogrzewa się i wolno ochładza. Często, gdy kąpiemy się letnimi wieczorami, powietrze jest już chłodne, a woda w jeziorze wydaje się być cieplejsza niż w czasie słonecznego dnia. Wtedy właśnie rozpoczyna się proces oddawania ciepła przez jezioro i ogrzewania powietrza. Właściwość ta, jest niezwykle istotna dla nas i dla naszego klimatu. W regionach gdzie jest dużo jezior mają one ogromy wpływ na temperaturę powietrza. Podobnie zachowują się morza i oceany. Ogrzewają lub ochładzają prądy powietrza, które kształtują klimat nad całymi kontynentami.
Tak oto w telegraficznym skrócie J została omówiona budowa wody oraz jej właściwości fizykochemiczne. Dla jednych są to informacje znane, a dla innych całkiem nowe. Proszę nie zrażać się duża dawką wiadomości i pojęć, ponieważ są one konieczne dla lepszego zrozumienia roli wody oraz procesów w niej zachodzących. Zapraszam do ponownego przeczytania artykułu, zapoznania się z umieszczonym poniżej słowniczkiem oraz dyskusji na łamach forum. Zachęcam również do sięgnięcia po literaturę fachową. Mam nadzieję, że choć trochę pomogłam Wam w poznaniu tego niezwykłego związku chemicznego jakim jest woda. Czy znacie już odpowiedź na postawione w tytule pytanie? Czy woda była Was w stanie jeszcze czymś zaskoczyć? …
Magdalena Kwolek-Mirek
P.S. Serdecznie zapraszam do przeczytania drugiej części mojego artykułu, w której omówione zostaną m.in. podstawowe parametry wody.
Literatura:
- Alberts B., Bray D., Hopkin K., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P., Podstawy biologii komórki cz.1, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005
- Pigoń K., Ruziewicz Z., Chemia fizyczna cz.1, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005
- Rychlik B. red., Biologia, WSiP, Warszawa 2005
- http://www.lsbu.ac.uk/water/index.html
- http://pl.wikipedia.org/wiki/Woda
Załącznik 1
| Właściwości wody | |
| 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 |
| Napięcie powierzchniowe [J/m2] | 71,98 x 10-3 |
| Lepkość [Pa*s] | 0,8905 x 10-3 |
Słowniczek:
ciepło właściwe – to energia potrzebna do podniesienia temperatury jednej jednostki masy ciała o jedną jednostkę temperatury
cząsteczki amfifilowe – są zwykle długimi cząsteczkami, które na jednym końcu posiadają grupy hydrofilowe, a na drugim grupy hydrofobowe
cząsteczki hydrofilowe – substancje łatwo rozpuszczające się w wodzie, są one złożone z jonów lub cząsteczek polarnych, które przyciągają cząsteczki wody wskutek ładunku elektrycznego,
cząsteczki hydrofobowe – substancje nierozpuszczalne w wodzie, zawierającą większość wiązań niepolarnych,
lepkość – tarcie wewnętrzne; właściwość płynów i plastycznych ciał stałych charakteryzująca ich opór wewnętrzny przeciw płynięciu
napięcie powierzchniowe – właściwość charakteryzująca powierzchnię styku dwóch faz (dwie nie mieszające się ciecze lub układ ciecz-gaz), gdzie na skutek sił działających na cząsteczki będące na granicy faz, powstaje siła dążąca do zmniejszenia powierzchni styku faz; im większa wartość napięcia powierzchniowego między fazami, tym większa skłonność tych faz do rozdzielania się
parowanie – proces zmiany stanu skupienia, przechodzenia z fazy ciekłej danej substancji w fazę gazową (parę) zachodzący z reguły na powierzchni cieczy; może odbywać się w całym zakresie ciśnień i temperatur, w których mogą współistnieć ze sobą obie fazy; parowanie zachodzi wtedy, gdy cząsteczka ma dostatecznie wysoką energię kinetyczną, by wykonać pracę przeciwko siłom przyciągania między cząsteczkami
solwatacja – to proces otaczania cząsteczek rozpuszczanego związku chemicznego przez cząsteczki rozpuszczalnika
sublimacja – to proces przejścia substancji ze stanu stałego w stan gazowy z pominięciem stanu ciekłego; sublimacja jest rodzajem parowania i może zachodzić w całym zakresie temperatur i ciśnień, w których danasubstancja może współistnieć w obu fazach
surfaktanty – (ang. Surface active agent) inaczej substancja powierzchniowo czynna, jest to każdy związek chemiczny, który posiada zdolność do obniżania napięcia powierzchniowego cieczy, ułatwiając tym samym zdolność zwilżania powierzchni ciał stałych przez te ciecze, a także umożliwiające zmieszanie dwóch cieczy, które naturalnie tworzą dwie niemieszalne fazy; surfaktantami są zwykle związki chemiczne o własnościachamfifilowych
wiązanie kowalencyjne – powstaje gdy dwa atomy zbliżają się do siebie na małą odległość i wspólnie „użytkują” jeden lub więcej elektronów
wiązanie wodorowe – rodzaj słabego wiązania chemicznego polegającego na przyciąganiu elektrostatycznymmiędzy atomem wodoru i atomem zawierającym wolne pary elektronów