Podstawowe wiadomości

Woda (tlenek wodoru) zbudowany jest z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Proste zmieszanie obydwu gazów nie doprowadza do powstania cząsteczek wody. Do zajścia reakcji potrzebna jest energia.

Woda to pozbawiona barwy, zapachu oraz smaku ciecz. Temperatura krzepnięcia wynosi 0°C, zaś temperatura wrzenia ma wartość 100°C.

Wodę bardzo trudno się ogrzewa i trudno ochładza. Energia 40 tysięcy dżuli jest potrzebna do zwiększenia o 10°C temperatury jednego dm3 wody. Dla porównania, tyle samo pracy trzeba wykonać, aby wnieść dwie dwukilowe torby na Giewont. Podgrzanie alkoholu etylowego wymaga dwukrotnie mniejszej energii, zaś stali dziesięciokrotnie mniejszej. Średnia temperatura oceanów wynosi 0-35°C, zaś lądów - 70-55°C. Woda ma istotne znaczenie w łagodzenie klimatu na Ziemi.

Budowa cząsteczki wody

Elektrony pochodzące od atomów wodoru są skierowane do atomu tlenu. Atomy wodoru są obdarzone ładunkiem dodatnim, a atom tlenu ładunkiem ujemnym. Cząsteczki wody z łatwością mogą się łączyć z cząsteczkami innych związków, które są obdarzone ładunkiem elektrycznym. Są w stanie się przyciągać. Obecność wiązań wodorowych ma wpływ na kilka zadziwiających właściwości wody. Dzięki tym wiązaniom temperatura wrzenia jest wysoka. Musimy zdać sobie sprawę z tego, że gdyby nie było wiązań wodorowych, to zamarzałaby w temperaturze -100°C, zaś temperatura wrzenia wynosiłaby -80°C. Niemożliwe byłoby wówczas życie na Ziemi. Można śmiało stwierdzić, ze wiązania wodorowe warunkują życie na Ziemi. Kubeczek wody zawiera około 8 bilion bilionów cząsteczek wody.

Stany skupienia wody

Woda występuje w różnych stanach skupienia:

- ciało stałe (grad oraz śnieg);

- ciecz (deszcz);

- gaz (para wodna).

We wszystkich stanach skupienia woda ma taki sam skład chemiczny oraz zbliżoną strukturę, jednak jej zachowanie jest odmienne.

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.

Procesy fazowe

W czasie zamarzania woda zwiększa swoją objętość. Z tego powodu  rury w których płynie woda w okresie zimowym, przy temperaturach poniżej 0°C mogą pękać. Lód musi być lżejszy od wody, w przeciwnym wypadku nie możliwe byłoby życie zwierząt wodnych. Lód opadałby na dno zbiornika.

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).

Woda, gdy paruje zwiększa objętość o około 1650 razy).

Gdy woda wrze, to tworzą się pęcherzyki pary wodnej. Z początku w okolicach ścianek naczynia, by później w całej objętości cieczy.

Mamy do czynienia z zależnością: wraz ze wzrostem ciśnienia wzrasta jego temperatura wrzenia. Woda pozbawiona rozpuszczonych gazów jest zdolna wrzeć w wysokich temperaturach.

Właściwości wody

Czysta woda bez jakichkolwiek obcych jonów może być izolatorem. Charakteryzuje się dużym oporem właściwym i małym przewodnictwem cieplnym. Wartość oporu właściwego 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 ˉ.

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).

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.

 Woda jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem. Roztwory wodne otrzymujemy w procesie rozpuszczenia stałej substancji w wodzie.

Gdy 100 cm3 wody rozpuścimy pewną ilość cukru, to wówczas po rozpuszczeniu mamy do czynienia z roztworem nasyconym. Wraz ze wzrostem temperatury powstaje roztwór nienasycony. Sposobem rozdzielania cukru od wody jest krystalizacja z nasyconego roztworu, ewentualnie możemy odparować wodę.

Różne rodzaje „wody”

W języku chemicznym występuje kilka związków nazywanych wodami, aczkolwiek mających całkowicie inny skład niż prawdziwa woda.

Wyróżniamy:

1. Wodę mineralną, w skład której wchodzi dwutlenek węgla, liczne rozpuszczone związki oraz pierwiastki chemiczne;

2. Wodę królewską, która jest mieszaniną kwasy solnego i azotowego w stosunku objętościowym 3:1. Jest w stanie rozpuścić wszystkie metale, w tym złoto;

3. Wodę twardą, która zawiera w swoim składzie związki magnezu oraz wapnia;

4. Wodę ciężką, w skład której wchodzą deutery zamiast wodoru. Jest wykorzystywana w różnych reaktorach jądrowych;

5. Wodę destylowaną, która jest doskonale oczyszczoną woda, nie zawiera żadnych rozpuszczalnych soli. Stosowana na szeroką skalę w pracowniach laboratoryjnych oraz w branży samochodowej (akumulatory);

6. Wodę utlenioną, która jest 3% wodnym roztworem H2O2. Wykorzystywana jest w dezynfekcji;

7. Wodę wapienną, która jest nasyconym wodnym roztworem Ca(OH)2. Może ulec zmętnieniu w wyniku działania CO2;

8. Wodę amoniakalną, która jest wodny roztworem amoniaku (zasada azotowa). Charakteryzuje się intensywnym zapachem. Wykorzystywana jest jako nawóz sztuczny.

Występowanie wody w przyrodzie

Woda to najbardziej rozpowszechniony związek trwały w przyrodzie. Występuje w stałym obiegu. Stanowi 6,6 procent masy całej powłoki ziemskiej.

Woda w środowisku naturalnym posiada w swojej budowie stałe oraz gazowe substancje rozpuszczone, ale także różnego rodzaju zawiesiny nieorganiczne, bakterie oraz drobnoustroje.

Woda to główny składnik organizmów żywych. Komórka zawiera około 75-85%. Woda w znaczący sposób wpływa na światowy klimat, dzięki znacznej pojemności cieplnej. Odgrywa dużą rolę w biologicznych procesach, gospodarstwie domowym, oraz jako woda pitna jest codziennie spożywana.

Woda jest stosowana w licznych procesach technologicznych. Wykorzystywane jest jako dobry rozpuszczalnik, dobry nośnik ciepła (ochładzanie oraz ogrzewanie).

Prawie 97,4% wody jest w morzach, jednak wody słone nie mogą być wykorzystywane do picia. 2/3 pozostałych zasobów tworzy polarne pokrywy lodowe, natomiast reszta jest zawarta w licznych wodach gruntowych (jeziora, rzeki) i atmosferze. Według przeprowadzanych badań dostępne zasoby wodne o charakterze pitnym stanowią tylko 1% zasobów ziemskich wody słodkiej. Ulokowanie ich jest ponadto nierównomierne na lądzie i są w nieodpowiedni sposób eksploatowane. Wchodzi tu w grę nieodpowiednia infrastruktura oraz brak gospodarki komunalnej. Eksperci ostrzegają, że za 50 lat niedobór wody pitnej będzie odczuwany dla 2/3 ludzi na świecie.

Polska nie może się poszczycić dużymi zasobami wodnymi.