ziemia
Autor: Mirosław Dworniczak | dodano: 2015-08-26
(Nie)zwykła woda

 Fot. Indigo Images

 Na pozór to rzeczywiście prosty związek chemiczny: zaledwie trzy atomy w każdej cząsteczce. Ale ich sposób ułożenia, a konkretnie to, że nie leżą w linii prostej, wyznacza bardzo istotne i ciekawe właściwości wody. Weźmy molekułę dwutlenku węgla i wody. Każda z nich liczy raptem trzy atomy; w pierwszej mamy w centrum atom węgla, a po bokach atomy tlenu, a w drugiej na środku jest tlen, po bokach zaś wodór. Istnieje jednak istotna różnica – w CO2 atomy ułożone są w jednej linii (O=C=O), a w H2O nie. Wiązania H-O-H tworzą kąt około 104°. Ponieważ ładunki elektryczne w cząsteczce nie rozkładają się równomiernie – większa gęstość elektronowa jest w okolicy atomu tlenu, mniejsza – w okolicy wodoru, cząsteczka jest dipolem, czyli ma charakter polarny. A to w dużym stopniu określa właściwości makroskopowe wody.

Właśnie ze względu na swoją polarność woda rozpuszcza większość typowych soli i innych związków nieorganicznych, a także sporo związków organicznych. Jeśli mamy ciekły związek niepolarny, nie będzie on rozpuszczał tego typu substancji. To zjawisko zauważono już bardzo dawno (oczywiście tylko na poziomie makro). Znane jest stare łacińskie powiedzenie similia similibus solvuntur, czyli „podobne rozpuszcza się w podobnym”. Zasada jest prosta – polarne w polarnym, niepolarne w niepolarnym. Można bez wielkiego ryzyka powiedzieć, że gdyby cząsteczka wody nie była „zagięta”, życie w obecnej postaci nie mogłoby powstać. Ba, nie wiadomo, czy powstałoby jakiekolwiek życie.

Ale nie tylko struktura cząsteczki wody ma w tym kontekście olbrzymie znaczenie. Istotny jest też fakt, że w typowych temperaturach ziemskich woda może współistnieć we wszystkich trzech postaciach fizycznych – jako ciało stałe (lód), ciecz, a także gaz (para wodna).

Jest jeszcze jedna bardzo istotna właściwość, o której uczymy się w szkole. Chodzi o tzw. anomalną rozszerzalność cieplną wody. Większość cieczy zwiększa swoją gęstość, jeśli je ochłodzimy. Woda zachowuje się podobnie, ale tylko do temperatury około 4°C. W zakresie od 4° do 0°C zachodzi zależność odwrotna. Widocznym efektem tego zjawiska jest pływanie lodu na powierzchni wody. To zjawisko pomaga też przeżyć zimowe mrozy zwierzętom wodnym – przy samym dnie woda ma największą gęstość i długi czas jest tam cieplej niż na powierzchni.

Co ciekawe – do dziś fizycy nie znają jednoznacznego wyjaśnienia anomalnej rozszerzalności. Na pewno mają na to wpływ takie czynniki jak kształt cząsteczki wody, jak też tzw. wiązania wodorowe.

Wiązania wodorowe

Woda w warunkach standardowych jest cieczą, co uznajemy za naturalne. Ale tak naprawdę powinno nas to dziwić. Dlaczego? Najczęściej dzieje się tak, że im większą masę cząsteczkową ma związek chemiczny, tym większa jest szansa, że będzie on cieczą lub ciałem stałym. Najlepiej widać to na szeregu prostych związków organicznych – alkanów, z których pierwsze cztery są gazami, kilka następnych cieczami, a te o sporej już masie cząsteczkowej to ciała stałe.

Tymczasem woda o masie cząsteczkowej 18 jest cieczą, a np. tlen cząsteczkowy o masie 32 jest gazem. Gazami są także siarkowodór (H2S – m. cz. 34) czy amoniak (NH3 – m. cz. 17). Co więc sprawia, że woda pozostaje cieczą w temperaturze pokojowej? Odpowiedź jest prosta – wiązania wodorowe; bardzo szczególny typ wiązania chemicznego. Mówiąc skrótowo – atom wodoru jednej cząsteczki wody łączy się bardzo słabo z elektronami (ściślej – parami elektronowymi) atomu tlenu sąsiedniej cząsteczki wody. Moc pojedynczego wiązania jest niewielka, bo wynosi tylko około 5% mocy zwykłych wiązań. A jednak wpływają one bardzo znacząco na właściwości makroskopowe, ponieważ tych wiązań jest bardzo wiele w każdej najmniejszej kropli wody. Dlatego też możemy wyobrazić sobie, że każdą cząsteczkę wody „oblepiają” inne cząsteczki, co powoduje, że efektywna masa cząsteczkowa H2O jest zdecydowanie większa niż 18. Dlatego też woda w temperaturze pokojowej jest cieczą. Oczywiście to samo zjawisko odpowiada za wysoką temperaturę topnienia tego związku. Ale nie tylko.

Wiązania wodorowe, w powiązaniu z kształtem samej cząsteczki, odpowiadają za jedno z niezwyk­łych zjawisk, które możemy obserwować zimą. Chodzi oczywiście o sześciokątny kształt płatków śniegu. Gdyby nie istniały wiązania wodorowe, płatki byłyby na pewno znacznie bardziej „nudne”. Inne właściwości wody także zależą od wspomnianych wiązań. Chodzi o bardzo wysoką pojemność ciepl­ną oraz przewodność cieplną. Pojemność cieplna to w skrócie zdolność wody do magazynowania energii cieplnej. W skali mikroskopowej energia ta jest przechowywana w formie energii potencjalnej oscylacji wiązań wodorowych. Efektem makroskopowym, którego doświadczamy wszyscy, jest łagodzenie ziemskiego klimatu przez olbrzymie ilości wody znajdującej się w oceanach. Latem nagrzewają się one, gromadząc energię pochodzącą z promieni słonecznych. Zimą energia ta zostaje stopniowo uwolniona do atmosfery. Dlatego też temperatura na Ziemi pozostaje na tyle wyrównana, że możliwe jest istnienie życia.

Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie" nr 09/2015 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
03/2020
02/2020
Kalendarium
Luty
21
W 2006 r. został wyniesiony na orbitę japoński teleskop promieniowania podczerwonego AKARI
Warto przeczytać
Jak można zmieścić całą wiedzę ludzkości w jednej książce? Z pozoru wydaje się to niemożliwe, jednak wszystko stanie się jasne, jeśli dodamy, że tą książką jest poradnik dla podróżujących w czasie, którzy bezpowrotnie utknęli w odległej przeszłości.

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Mirosław Dworniczak | dodano: 2015-08-26
(Nie)zwykła woda

 Fot. Indigo Images

 Na pozór to rzeczywiście prosty związek chemiczny: zaledwie trzy atomy w każdej cząsteczce. Ale ich sposób ułożenia, a konkretnie to, że nie leżą w linii prostej, wyznacza bardzo istotne i ciekawe właściwości wody. Weźmy molekułę dwutlenku węgla i wody. Każda z nich liczy raptem trzy atomy; w pierwszej mamy w centrum atom węgla, a po bokach atomy tlenu, a w drugiej na środku jest tlen, po bokach zaś wodór. Istnieje jednak istotna różnica – w CO2 atomy ułożone są w jednej linii (O=C=O), a w H2O nie. Wiązania H-O-H tworzą kąt około 104°. Ponieważ ładunki elektryczne w cząsteczce nie rozkładają się równomiernie – większa gęstość elektronowa jest w okolicy atomu tlenu, mniejsza – w okolicy wodoru, cząsteczka jest dipolem, czyli ma charakter polarny. A to w dużym stopniu określa właściwości makroskopowe wody.

Właśnie ze względu na swoją polarność woda rozpuszcza większość typowych soli i innych związków nieorganicznych, a także sporo związków organicznych. Jeśli mamy ciekły związek niepolarny, nie będzie on rozpuszczał tego typu substancji. To zjawisko zauważono już bardzo dawno (oczywiście tylko na poziomie makro). Znane jest stare łacińskie powiedzenie similia similibus solvuntur, czyli „podobne rozpuszcza się w podobnym”. Zasada jest prosta – polarne w polarnym, niepolarne w niepolarnym. Można bez wielkiego ryzyka powiedzieć, że gdyby cząsteczka wody nie była „zagięta”, życie w obecnej postaci nie mogłoby powstać. Ba, nie wiadomo, czy powstałoby jakiekolwiek życie.

Ale nie tylko struktura cząsteczki wody ma w tym kontekście olbrzymie znaczenie. Istotny jest też fakt, że w typowych temperaturach ziemskich woda może współistnieć we wszystkich trzech postaciach fizycznych – jako ciało stałe (lód), ciecz, a także gaz (para wodna).

Jest jeszcze jedna bardzo istotna właściwość, o której uczymy się w szkole. Chodzi o tzw. anomalną rozszerzalność cieplną wody. Większość cieczy zwiększa swoją gęstość, jeśli je ochłodzimy. Woda zachowuje się podobnie, ale tylko do temperatury około 4°C. W zakresie od 4° do 0°C zachodzi zależność odwrotna. Widocznym efektem tego zjawiska jest pływanie lodu na powierzchni wody. To zjawisko pomaga też przeżyć zimowe mrozy zwierzętom wodnym – przy samym dnie woda ma największą gęstość i długi czas jest tam cieplej niż na powierzchni.

Co ciekawe – do dziś fizycy nie znają jednoznacznego wyjaśnienia anomalnej rozszerzalności. Na pewno mają na to wpływ takie czynniki jak kształt cząsteczki wody, jak też tzw. wiązania wodorowe.

Wiązania wodorowe

Woda w warunkach standardowych jest cieczą, co uznajemy za naturalne. Ale tak naprawdę powinno nas to dziwić. Dlaczego? Najczęściej dzieje się tak, że im większą masę cząsteczkową ma związek chemiczny, tym większa jest szansa, że będzie on cieczą lub ciałem stałym. Najlepiej widać to na szeregu prostych związków organicznych – alkanów, z których pierwsze cztery są gazami, kilka następnych cieczami, a te o sporej już masie cząsteczkowej to ciała stałe.

Tymczasem woda o masie cząsteczkowej 18 jest cieczą, a np. tlen cząsteczkowy o masie 32 jest gazem. Gazami są także siarkowodór (H2S – m. cz. 34) czy amoniak (NH3 – m. cz. 17). Co więc sprawia, że woda pozostaje cieczą w temperaturze pokojowej? Odpowiedź jest prosta – wiązania wodorowe; bardzo szczególny typ wiązania chemicznego. Mówiąc skrótowo – atom wodoru jednej cząsteczki wody łączy się bardzo słabo z elektronami (ściślej – parami elektronowymi) atomu tlenu sąsiedniej cząsteczki wody. Moc pojedynczego wiązania jest niewielka, bo wynosi tylko około 5% mocy zwykłych wiązań. A jednak wpływają one bardzo znacząco na właściwości makroskopowe, ponieważ tych wiązań jest bardzo wiele w każdej najmniejszej kropli wody. Dlatego też możemy wyobrazić sobie, że każdą cząsteczkę wody „oblepiają” inne cząsteczki, co powoduje, że efektywna masa cząsteczkowa H2O jest zdecydowanie większa niż 18. Dlatego też woda w temperaturze pokojowej jest cieczą. Oczywiście to samo zjawisko odpowiada za wysoką temperaturę topnienia tego związku. Ale nie tylko.

Wiązania wodorowe, w powiązaniu z kształtem samej cząsteczki, odpowiadają za jedno z niezwyk­łych zjawisk, które możemy obserwować zimą. Chodzi oczywiście o sześciokątny kształt płatków śniegu. Gdyby nie istniały wiązania wodorowe, płatki byłyby na pewno znacznie bardziej „nudne”. Inne właściwości wody także zależą od wspomnianych wiązań. Chodzi o bardzo wysoką pojemność ciepl­ną oraz przewodność cieplną. Pojemność cieplna to w skrócie zdolność wody do magazynowania energii cieplnej. W skali mikroskopowej energia ta jest przechowywana w formie energii potencjalnej oscylacji wiązań wodorowych. Efektem makroskopowym, którego doświadczamy wszyscy, jest łagodzenie ziemskiego klimatu przez olbrzymie ilości wody znajdującej się w oceanach. Latem nagrzewają się one, gromadząc energię pochodzącą z promieni słonecznych. Zimą energia ta zostaje stopniowo uwolniona do atmosfery. Dlatego też temperatura na Ziemi pozostaje na tyle wyrównana, że możliwe jest istnienie życia.