Rozkład
ładunku dookoła cząsteczki wody: kolor czerwony – cząstkowy ładunek ujemny, kolor niebieski – cząstkowy ładunek dodatni
Woda (tlenek wodoru; nazwa systematyczna IUPAC: oksydan) – związek chemiczny o wzorze H2O, występujący w warunkach standardowych w stanie ciekłym. W stanie gazowym wodę wyznacza się mianem pary wodnej, a w stałym stanie skupienia – lodem. Słowo woda jako nazwa związku chemicznego może się odnosić do każdego stanu skupienia.
Woda jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem dla substancji polarnych. Przeważajaca ilość występującej w przyrodzie wody jest "słona" (około 97,38%), tzn. zawiera dużo rozpuszczonych soli, z reguły chlorku sodu. W naturalnej wodzie rozpuszczone są gazy atmosferyczne, z których w największym stężeniu istnieje dwutlenek węgla.
Woda naturalna w wielu przypadkach przed zastosowaniem musi zostać uzdatniona. Proces uzdatniania wody dotyczy zarówno wody pitnej jak oraz przemysłowej.
Pochodzenie wody
Zachodzenie wody
Woda jest na Ziemi bardzo rozpowszechniona. Jest z reguły w oceanach, które pokrywają 70,8% powierzchni globu, ale także w rzekach, jeziorach oraz w postaci stałej w lodowcach. Część wody istnieje pod powierzchnią ziemi albo w atmosferze (chmury, para wodna). Pewne związki chemiczne zawierają cząsteczki wody w swojej budowie (hydraty – wyznacza się ją wówczas mianem wody krystalizacyjnej). Woda występująca w przyrodzie jest roztworem soli oraz gazów. Najwięcej soli mineralnych zawiera woda morska oraz wody mineralne; najmniej woda z opadów atmosferycznych. Wodę o małej zawartości składników mineralnych nazywamy wodą miękką, natomiast zawierającą znaczne ilości soli wapnia oraz magnezu – wodą twardą. nieoczekiwanie tego wody naturalne zawierają rozpuszczone substancje pochodzenia organicznego, np. mocznik, kwasy humusowe itp.
Woda na ciałach niebieskich
NASA odkryła wodę na Marsie 31 lipca 2008 roku[4]. Obecność wody na Księżycu w głębi zacienionego krateru była wykazana podczas misji LCROSS 8 października 2009 r. Zachodzenie znaczących ilości wody na innych ciałach niebieskich nie było wykazane, chociaż są pośrednie dowody jej występowania, np. na poniektórych księżycach Jowisza.
Właściwości fizyczne wody
- temperatura topnienia pod ciśnieniem 1 atm: 0 °C = 273,152519 K
- temperatura wrzenia pod ciśnieniem 1 atm: 99,97 °C = 373,12 K
- punkt potrójny 0,01 °C = 273,16 K, 611,657 Pa
- gęstość w temperaturze 3,98 °C: 1 kg/l (gęstość maksymalna).
- temperatura krytyczna: 647,096 K[5] (ok. 374 °C)
- ciśnienie krytyczne: 22,064 MPa[5]
- ciepło właściwe: 4187 J/(kg·K) = 1 kcal/(kg·K)
- ciepło parowania: 2257 kJ/kg
- ciepło topnienia: 333,7 kJ/kg
- masa cząsteczkowa: 18,01524 Da
- względna przenikalność elektryczna w stałym polu elektrycznym: 87,9 (0 °C), 78,4 (25 °C), 55,6 (100 °C)
- barwa: lekko jasnoniebieska (w małych objętościach wydaje się bezbarwna)[6][7]
- zapach: bezwonna
- konduktywność, σ, albo rezystywność, ρ: dla dobrej jakości wody destylowanej albo demineralizowanej ρ > 18 MΩm
- odczyn: 7,0
Dla wody zawierającej inne substancje wyznacza się szereg dodatkowych właściwości, np.
Kolor wody
Lekko niebieski kolor wody wynika z pochłaniania przez nią promieniowania elektromagnetycznego z zakresu światła widzialnego odpowiadającego barwie czerwonej (światło czerwone jest absorbowane przez wodę ok. 100× silniej niż niebieskie[8]). Maksimum silnej absorpcji przypada na 760 nm oraz ramię tego pasma wchodzi częściowo w zakres widzialny (<700 nm). Obecne są też dwa słabe maksima przy 605 oraz 660 nm. Pochłaniane promieniowanie powoduje przejścia pomiędzy poziomami oscylacyjnymi, a w efekcie silnie wzbudzone drgania atomów cząsteczek wody. Zachodzenie pasm absorpcji oscylacyjnej na zakres widzialny jest unikalną cechą wody oraz stanowić może wyłączny przypadek takiego źródła barwy substancji. Pozostałe barwne cząsteczki oraz atomy zawdzięczają swój kolor absorpcji światła widzialnego przez elektrony[6] (barwa bywa też wynikiem zjawisk optycznych).
W stanie gazowym pasma absorpcji wody przesunięte są w kierunku światła widzialnego (wyższej częstotliwości), a w stanie stałym w kierunku podczerwieni (niższej częstotliwości), co wynika odpowiednio, z osłabienia oraz wzmocnienia oddziaływań wodorowych. Lód wykazuje także barwę niebieską w świetle przechodzącym, a jego widmo IR jest zbliżone do widma wody ciekłej. Światło przechodzące przez śnieg ma szczególnie intensywnie niebieską barwę w wyniku wielokrotnego rozproszenia[6].
W ciężkiej wodzie (D2O) drgania oscylacyjne przesunięte są znacząco w kierunku podczerwieni (pasmo 760 nm wody istnieje przy ok. 1000 nm), w wyniku czego ciężka woda jest bezbarwna. Zjawisko to jest jednym z dowodów na poprawność przypisania barwy wody absorpcji oscylacyjnej[6].
Budowa oraz właściwości chemiczne
Cząsteczki wody są nieliniowe, a wiązania H–O są silnie spolaryzowane oraz stąd woda ma trwały moment dipolowy – czyli jest silnie polarna. Kąt pomiędzy wiązaniami wodór-tlen-wodór (H―O―H) w fazie ciekłej wynosi ok. 105°. W postaci stałej (lodu) kąt pomiędzy tymi wiązaniami jest równy ok. 108°.
W fazie ciekłej nieustannie powstają oraz pękają wiązania wodorowe pomiędzy cząsteczkami wody. Woda ulega łatwej protonacji oraz deprotonacji od kwasów tworząc jon hydroniowy H3O+. Jon ten także łączy się wiązaniami wodorowymi tworząc kation Zundela H5O2+, kation Eigena H7O3+ oraz większe aglomeraty. W strukturze krystalicznej wiązania wodorowe nie ulegają zrywaniu oraz determinują heksagonalny układ krystalograficzny wody. Gdy podda się wodę ciśnieniu większym niż 3900 MPa woda zwiększa gęstość do około 1,5 g/cm³ oraz powstaje lód o temperaturze powyżej 0 °C.
Autodysocjacja wody
-
W fazie ciekłej woda ulega samoistnej jonizacji zwanej autodysocjacją zgodnie z reakcją:
- H2O + H2O → H3O+ + OH−
Równowagę autodysocjacji wody opisuje tzw. iloczyn jonowy wody, który w temperaturze 20 °C jest równy ok. 10-14 (zwykle wielkość bezwymiarowa albo mol2/kg2) (zobacz skala pH).
Fala na wodzie po kapnięciu
kropli.
Powstawanie w reakcjach chemicznych
Woda jest produktem ubocznym wielu reakcji chemicznych, np.
- 2H2 + O2 → 2H2O
- 2C2H5OH + 7O2 → 4CO2 + 6H2O
- NaOH + HCl → NaCl + H2O
- Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3↓ + H2O
- K2O + H2SO4 → K2SO4 + H2O
- redukcja wodorem związków chemicznych zawierających tlen, np.
- Na2SO4 + 4H2 → Na2S + 4H2O
- C2H5OH + HCOOH → HCOOC2H5 + H2O
Znaczenie biologiczne
Woda jest powszechnym rozpuszczalnikiem związków ustrojowych oraz niezbędnym uzupełnieniem pokarmu wszystkich znanych organizmów. Uczestniczy w przebiegu większości reakcji metabolicznych, stanowi środek transportu wewnątrzustrojowego, np. produktów przemiany materii, substancji odżywczych, hormonów, enzymów. Reguluje temperaturę. Stanowi płynne środowisko niezbędne do usuwania końcowych produktów przemiany materii. Woda stanowi średnio 70% masy dorosłego człowieka, w przypadku noworodka ok. 15% więcej, 60–70% limfy, 95% osocza krwi, 90% liści, owoców, 20% kości, 10% szkliwa zębów, tkanki tłuszczowej.
Aż miliard ludzi na świecie nie ma bezpośredniego dostępu do wody pitnej. Każdego dnia choroby wynikające z niedostatku czystej wody powodują śmierć wielu tysięcy ludzi, z reguły dzieci.
Znaczenie kulturowe
W kulturowej symbolice woda jest jednym z żywiołów: czterech w kulturze europejskiej, pięciu w tradycji chińskiej, pięciu w tradycji japońskiej, trzech w tradycji celtyckiej (tu woda jest tylko częścią jednego z żywiołów). Przeciwstawiana jest ogniowi, powietrzu oraz ziemi (w Europie), ogniowi, metalowi, drewnu oraz ziemi (w Chinach), ogniowi, powietrzu, ziemi oraz piorunowi (w Japonii). W tradycji celtyckiej żywioły to Ziemia, Ogień oraz Sztorm, woda jest częścią tego ostatniego.
Symbolizuje życie, płodność oraz oczyszczenie (choć bywa także ukazywana jako siła zła, zwłaszcza w przeciwstawieniu wody czystej oraz brudnej). Woda jest częstym elementem mitów kosmogonicznych. Bywa też uważana za medium ułatwiające przejście z jednego świata do drugiego (w mitologii greckiej Charon przewoził łodzią duszę zmarłego do Hadesu, gdzie pijąc wodę ze źródła Lete zapominała o minionej egzystencji)[9]. W wielu religiach zanurzenie w wodzie symbolizuje oczyszczenie oraz odrodzenie (por. chrzest).
Rozszerzalność temperaturowa
| gęstość wody w funkcji temperatury |
| temp. [°C] |
gęstość [kg/m³] |
| +100 |
958,4 |
| +80 |
971,8 |
| +60 |
983,2 |
| +40 |
992,2 |
| +30 |
995,6502 |
| +25 |
997,0479 |
| +22 |
997,7735 |
| +20 |
998,2071 |
| +15 |
999,1026 |
| +10 |
999,7026 |
| +4 |
999,9720 |
| 0 |
999,8395 |
| −10 |
998,117 |
| −20 |
993,547 |
| −30 |
983,854 |
Źródło: Lide, D. R. (Ed.), (1990), CRC Handbook of Chem. and Phys.
Informacje dla temperatur poniżej 0 °C dot. wody jako cieczy przechłodzonej. |
Woda, jako jedna z niewielu substancji, nie zwiększa swojej objętości monotonicznie z temperaturą w całym przedziale temperatur od 0 do 100 °C. Zależność gęstości wody od temperatury pokazana jest[10] w tabelce obok. Poniżej +3,98 °C objętość zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury, co wśród ogółu substancji chemicznych jest anomalią (patrz: anomalna rozszerzalność wody). Anomalia spowodowana jest specyficznym kształtem cząsteczki wody oraz istnieniem silnych wiązań wodorowych. Wiązania te nadają wodzie względnie dużą gęstość, a ponadto pękają w obszarze anomalnym, zwiększając nieuporządkowanie wśród cząsteczek, a co za tym idzie, zwiększając także objętość cieczy. Z tego samego powodu objętość wody wzrasta także podczas krzepnięcia – dlatego lód pływa po powierzchni wody, rozsadza naczynia, kruszy spękane skały, niszczy nawierzchnię dróg itp.
Zastosowanie wody
Jako substancja użytkowa woda ma wiele zastosowań. Najważniejsza jest woda pitna, w gospodarstwach domowych jest używana woda do celów sanitarno-bytowych, w rolnictwie zaś do nawadniania pól. Znaczne ilości wody zużywają zakłady przemysłowe. Woda przemysłowa może służyć jako substancja będąca przekaźnikiem ciepła, magazynująca ciepło albo je odbierająca (substancja chłodząca), poza tym jako reagent, rozpuszczalnik itp.
Rodzaje wody
Rodzaje wody w zależności od czystości oraz zastosowania (w przybliżeniu w kolejności procesu produkcyjnego):
Rodzaje wody w żywności
- woda wolna (niezwiązana): ok. 5–100%
- rozpuszczalnik substancji organicznych oraz związków mineralnych. Łatwo wydziela się z produktu, pod wpływem czynników zewnętrznych, o właściwościach zbliżonych do właściwości wody w rozcieńczonych roztworach soli, powiązana siecią wzajemnych wiązań wodorowych.
- woda związana (zlokalizowana w bezpośrednim sąsiedztwie substancji rozpuszczonych):
-
- woda strukturalna (<0,03%)
- jest integralną częścią składników niewodnych, ulokowana w wolnych przestrzeniach makrocząsteczek, albo związana w postaci wodzianów.
- woda związana w postaci monowarstwy (0,1–0,9%)
- silnie oddziałuje z grupami polarnymi oraz zjonizowanymi składników niewodnych
- woda uwięziona (ok. 5–96%)
- o właściwościach wody wolnej, ale uwięziona w niewypełnionych przestrzeniach składników strukturalnych albo w żelach, przez co jej przepływ jest utrudnionypotrzebne źródło.
Zanieczyszczenia
Klasyfikacja zanieczyszczeń ze względu na:
- sposób ich usuwania:
- zanieczyszczenia zawieszone oraz pływające; usuwane w procesach fizycznych sedymentacji albo filtracji,
- zanieczyszczenia koloidalne – o cząsteczkach wielkości poniżej 100μm; usuwane w specjalnych procesach, np.ultrafiltracji, koagulacji,
- zanieczyszczenia rozpuszczone – w formie roztworu; usuwane metodami fizykochemicznymi albo metodami chemicznymi.
- wpływ na zdrowie:
- związki trujące oraz szkodliwe,
- związki nieszkodliwe – w zależności od stężenia potrafią równocześnie wskazywać na zanieczyszczenie wody,
- związki pożądane dla zdrowia.
- ich pochodzenie:
- biologiczne oraz bakteriologiczne,
- fizyczne,
- chemiczne,
- izotopami pierwiastków promieniotwórczych.
Oczyszczanie
71% powierzchni Ziemi stanowi woda (Н
2O).
Biologiczne:
Chemiczne:
Mechaniczne:
Ciekawostki
Sprawdź też
Roztwory wodne:
Przypisy
- ↑ Woda (ang.). Karta charakterystyki produktu Sigma-Aldrich dla Stanów Zjednoczonych. [dostęp 2011-05-05].
- ↑ 2,0 2,1 Woda (ang. • niem.) w bazie IFA GESTIS. Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA). [dostęp 2011-05-05].
- ↑ Woda – podsumowanie (ang.). PubChem Public Chemical Database.
- ↑ Sonda Phoenix potwierdza istnienie wody na Marsie
- ↑ 5,0 5,1 "Guideline on the Use of Fundamental Physical Constants and Basic Constants of Water", The International Association for the Properties of Water and Steam, Gaithersburg, Maryland, USA, September 2001, (pdf).
- ↑ 6,0 6,1 6,2 6,3 Charles L. Braun, Sergei N. Smirnov. Why is water blue?. „Journal of Chemical Education”. 70 (8), s. 612–614, 1993. doi:10.1021/ed070p612 (ang.).
- ↑ Robert L, Wolke: Co Einstein powiedział swojemu fryzjerowi. Klub Dla Ciebie, 2002. ISBN 83-88729-93-4.
- ↑ Martin Chaplin: Water Absorption Spectrum. 2011-11-15 (data ostatniej aktualizacji). [dostęp 2012-03-20].
- ↑ Vojtech Zamarovský: Bohovia a hrdinovia antických bájí. Bratislava: Perfekt a.s., 1998, s. 258–259. ISBN 80-8046-098-1. (słow.); polskie wydanie: Bogowie oraz herosi mitologii greckiej oraz rzymskiej (Encyklopedia mitologii antycznej, Słownik mitologii greckiej oraz rzymskiej).
- ↑ Dokładniejsze dane o zależności gęstości od temperatury w zakresu 0–40 °C
Bibliografia
- M. Overman Woda, PWN, Warszawa 1977.
- M.L. Biełaja Teoria wody – od wieku XVIII do dziś w: Problemy nr 5/1989.
- E. Grochowicz, J. Korytkowski Ochrona przyrody oraz wód cz. 1, WSiP, Warszawa 1996, ISBN 83-02-06010-0.
Linki zewnętrzne
