Woda jako mieszanina wybuchowa
Woda (tlenek wodoru) zbudowany jest z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Zawartość procentowa masy wynosi dla wodoru 11,19%, zaś dla tlenu 88,81%. Proste zmieszanie obydwu gazów nie doprowadza do powstania cząsteczek wody. Do zajścia reakcji potrzebna jest energia. Gdy dostarczymy energię następuje jej zainicjowanie. Reakcja ma gwałtowny przebieg (wybuchowa) i wydziela duże ilości energii. Już 20g mieszaniny wodoru oraz tlenu w odpowiednich proporcjach objętościowych: 2:1 może dostarczyć energii niezbędnej do zagotowania 1dm3 wody.
Budowa cząsteczki
Gdy dokonamy rzutu cząsteczki wody na płaszczyznę, to wówczas wygląda, jak trójkąt równoramienny. Atomy wodoru są w dwóch narożach trójkąta, a atom tlenu w pozostałym trzecim. Długość boku omawianego trójkąta równoramiennego ma wartość: 1,013x10-10m (dotyczy wiązania H-O) i 1,63x10-10m (dotyczy odległości między wodorami). Kąt pomiędzy wiązaniami H-O 1040,45’ (1,82 rad). W projekcji trójwymiarowej cząsteczka wody jest tetraedrem. Atom tlenu ulokowany jest w środku, zaś atomy wodoru oraz wolna para elektronowa w wierzchołkach.
Cząsteczka wody posiada charakter polarny i jest dipolem. Pomiędzy wodorem i tlenem ma miejsce znaczna różnica elektroujemności, dlatego wiązanie H-O jest wiązaniem spolaryzowanym. Moment dipolowy ma wartość 1,84D. Według teorii rezonansu kwantowo-mechanicznego, opracowanej przez Paulinga, rzeczywiste wiązania występujące w cząsteczce wody to wypadkowa 4 możliwych struktur rezonansowych:
- struktura z wiązaniami czysto kowalencyjnymi (procentowy udział wynosi 37);
- struktura z wiązaniami jonowymi pomiędzy anionem tlenu i kationami wodoru i (procentowy udział wynosi 15);
- struktura z wiązaniami kowalencyjno – jonowymi (procentowy udział wiązania H-O wynosi 24- wiązanie jonowe, zaś procentowy udział wiązania drugiego- kowalencyjnego także wynosi 24).
Atom tlenu posiada 2 wolne pary elektronowe. Dzięki temu cząsteczka wody jest w stanie tworzyć 4 wiązania wodorowe. Wolne pary elektronowe tworzą 2 wiązania. 2 wiązania wodorowe powstają także przez oddziaływanie dwóch atomów wodoru z dowolnymi wolnymi parami elektronowymi. Ostatni typ wiązań odpowiada za struktury zwane asocjatami oraz za powstanie kryształów lodu. Te wiązania wodorowe są odpowiedzialne za łączenie się cząsteczek wody w asocjaty i za powstawanie struktury lodu.
Cząsteczka wody ma możliwość wykonywania rozmaitych ruchów. Wyróżniamy następujące ruchy cząsteczek wody:
- ruch translacyjny (przemieszczanie się);
- ruch rotacyjny (obracanie się wokół własnej osi);
- ruch oscylacyjny (drgania wiązań H-O).
Różne stany skupienia wody
We wszystkich stanach skupienia woda ma taki sam skład chemiczny oraz zbliżoną strukturę, jednak jej zachowanie jest odmienne.
1. Stan gazowy
W stanie gazowym, do temperatury 573K woda zachowuje tak samo jak gaz. Wszystkie cząsteczki wody są zdolne do samodzielnego istnienia, a odległości pomiędzy nimi są dosyć duże. Po wpływem ruchów cieplnych mają miejsca zderzenia cząsteczek wody.
2. Stan ciekły
Woda w stanie ciekłym ma zbliżoną strukturę do fazy stałej, jak i gazowej. W temperaturze bliskiej 100°C cząsteczki wody wykazują zachowanie zbliżone do zachowania pary wodnej. Ten stan skupienia charakteryzuje chaotyczny ruch cząsteczek. W temperaturze bliskiej temperaturze krzepnięcia wszystkie cząsteczki tworzą asocjaty (zbiorowiska cząsteczek). Struktura jest zbliżona do stanu stałego. Oddziaływania międzycząsteczkowe w cieczy są słabsze od oddziaływań w stanie stałym, ale mocniejsze od oddziaływań w stanie gazowym.
3. Stan stały
Wody w stanie stałym charakteryzuje się budowa krystaliczną. Występują drgania cząsteczek Ich ruchy wokół położeń równowagi. Biorąc pod uwagę panujące ciśnienie oraz temperaturę możemy wyróżnić osiem odmian lodu. Każda z odmian charakteryzuje się innymi właściwościami. Lód II oraz lód III charakteryzują się większą gęstością niż lód I (występujący pod zwykłym ciśnieniem). Lody II- VIII występują pod zwiększonym ciśnienie.
Lód charakteryzuje się wysokim ciepłem topnienia. W temperaturze 0°C wynosi 334,8kJ/kg. Obok glinu jest to najwyższe ciepło topnienia. Temperatura topnienia zależy od ciśnienia. Występuje zależność: wraz wzrostem ciśnienia temperatura topnienia spada i by osiąga minimum dla ciśnienia równego 500 MPa, później tylko rośnie.
4. Diagramy fazowe
Diagramy fazowe opisują zależności pomiędzy poszczególnymi stanami skupienia. Występuje punkt potrójny charakteryzujący się następującymi parametrami dla wody (p = 631,163Pa oraz t = 273,16K). w punkcie mamy do czynienia z trzema stanami skupienia: woda, para wodna oraz lód. Występuje także krytyczny, charakteryzujący się następującymi parametrami dla wody (p = 22,13MPa oraz t = 647,31K). Nie jest konieczne dostarczanie energii, aby przekształcić wodę w parę. W tych warunkach zarówno stan ciekły oraz gazowy mają identyczne gęstości. Z innych parametrów warte podkreślenia są: napięcie powierzchniowe, które spada do wartości zero, swobodna powierzchnia wody zanika. Temperatura wyższa od krytycznej uniemożliwia skroplenie gazu.
5. Procesy fazowe
Woda może parować nieustannie, bez względu na otaczająca temperaturę. W temperaturze niższej niż temperatura krzepnięcia występuje sublimacja (to przejście fazowe ze stany stałego w gaz).
Gdy ciecz wrze, to tworzą się pęcherzyki pary wodnej. Z początku w okolicach ścianek naczynia, by później w całej objętości cieczy.
Ciepło parowania ma wartość 2252,5kJ/kg. Tylko 180kJ/kg jest wykorzystywane do zwiększenia objętości w wyniku przejściu w stan gazowy (woda, gdy paruje zwiększa swoją objętość o około 1650 razy). Reszta energii użyta jest do rozerwania powiązanych cząsteczek wody, tak aby powstały chaotycznie poruszające się pojedyncze cząsteczki.
Mamy do czynienia z zależnością: wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta jego temperatura wrzenia. Woda pozbawiona rozpuszczonych gazów jest zdolna wrzeć w wysokich temperaturach.
W wyniku topnienia zerwaniu ulega 15% wiązań wodorowych. Zmniejsza się w ten sposób objętość. Z tego powodu woda ma mniejsza objętość niż lód. W przedziale 0-4°C objętość wody ulega zmniejszeniu, ale gęstość wzrasta. To dziwne zjawisko jest wynikiem anormalnej, nietypowej rozszerzalności cieplnej. Jak to wyjaśnić? Wraz ze wzrostem temperatury cząsteczki lodu uwolnione z krystalicznych struktur wykonują gwałtowne ruchy cieplne i zmierzają do gęstszego ulokowania, które ma miejsce w 4°C. Wraz ze wzrostem intensywności ruchów cieplnych cząsteczek, gęste upakowanie cząsteczek powoli się rozluźnia. Tak można wytłumaczyć rozkład temperatury w zbiornikach wodnych w okresie zimowym.
Własności wody
Gęstość materii jest uzależniona od panującego ciśnienia oraz temperatury. Gęstość substancji ma różną wartość, zależną od stanu skupienia w jakim przebywa. Gęstość lodu ma wartość 916,8kg/m3, ale gdy dochodzi do temperatury topnienia wartość ulega zmianie- 999,868 kg/m3. Przy wysokim ciśnieniu gęstość wody rośnie.
Gęstość wody maleje wraz ze spadkiem temperatury od 4°C (1g/cm3), wynika to z rozpadu asocjatów, wiązania wodorowe ulęgają rozerwaniu. Dimery w wyniku dalszego ogrzewania ulegają rozpadowi na pojedyncze cząstki, powoduje to zwiększenie objętości cieczy.
Wiązaniami wodorowe, gdy temperatura wzrasta ulegają rozerwaniu. Ta zależność oraz wzrost energii potencjalnej oraz kinetycznej oscylacji atomów doprowadza do zwiększania się ciepła właściwego wody. Najwyższe ciepło właściwe posiada woda w stanie ciekłym. Woda wraz z lodem, dzięki temu, że mają nieznaczne przewodnictwo cieplne, są doskonałymi izolatorami cieplnymi.
Woda posiada bardzo duże napięcie powierzchniowe. Wyższą wartością mogą się tylko poszczycić stopione metale. Związane to jest z oddziaływaniem międzycząsteczkowymi (wiązania wodorowe łączące cząsteczki w asocjaty), które zależy od temperatury.
W wyniku wzrostu temperatury wartość napięcia powierzchniowego maleje.
Menisk określa kształt powierzchni cieczy. Kształt menisku jest uzależniony od sił spójności oraz sił przylegania. Występuje zależność: gdy siły spójności mają większą wartość niż siły przylegania, to wówczas mamy do czynienia z meniskiem wypukłym (za przykład może posłużyć woda w szklance, która jest pokryta parafiną). Menisk występuje w sytuacji odwrotnej (za przykład może posłużyć woda w szklance).
W przypadku menisku wklęsłego mamy do czynienia ze zjawiskiem włoskowatości, które polega na procesie podnoszenia cieczy w maleńkich kapilarach).
Lepkość (tarcie wewnętrzne) cieczy maleje, gdy zwiększamy temperaturę. Mamy do czynienia z hamowaniem transportu cząstek wody we wszystkich tkankach wraz z obniżeniem temperaturach. Woda jest cieczą o niezbyt dużej lepkości oraz ściśliwości.
Pod wpływem wzrostu ciśnienia lepkość także wzrasta. Ma to istotne znaczenie dla architektów, przy projektowaniu instalacji pracujących pod zwiększonym ciśnieniem.
Czysta woda bez jakichkolwiek obcych jonów może być izolatorem. Charakteryzuje się dużym oporem właściwym. Wartość jest jeszcze większa dla lodu. Przewodnictwo wody zwiększa się, gdy mamy do czynienia z obecnością obcych jonów, które pochodzą z rozpuszczonych soli oraz gazów. Przewodnictwo wzrasta z temperaturą. Zwiększeniu ulega proces dysocjacji wody na kation H+ oraz anion OH-.
Woda wykazuje znaczną polarność. Stała dielektryczna wody jest zależna od temperatury i wynosi 87,9 w temperaturze 00C, a w temperaturze 250C ma wartość 78,4.
Woda jest dipolem.
Dzięki dużej wartości stałej dielektrycznej woda jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem wielu substancji jonowych i wywołuje proces ich dysocjacji.
Woda wykazuje właściwości diamagnetyczne. W polu magnetycznym jest wypychana.
Występują różne odmiany izotopowe wody. Wyróżniamy:
- zwykłą wodę (H2O);
- HDO, D2O, jest to tzw. ciężką woda;
- HTO, T2O lub DTO;
- H217O lub H218O.
W wyniku zmiany izotopu na inny cięższy, zmianie ulęgają także właściwości wody takie jak: objętość molowa, gęstość, temperatura topnienia oraz temperatura wrzenia. W cząsteczce z cięższym izotopem mamy do czynienia z silniejszym oddziaływaniem.
Wspólnie ze wzrostem masy cząsteczki, zwiększa się wartość stałej siłowej tworzonego wiązania. Zmianie ulega wiązanie, które staje się krótsze oraz silniejsze (także wiązania wodorowe).
