Warto przeczytać

Szczególne własności wody spowodowane są dipolowymdipoldipolowym charakterem jej cząsteczki (HIndeks dolny 2₂O). Ładunek dodatni i ujemny są w niej rozsunięte (patrz - Rys. 1.). Gdy cząsteczki wody znajdują się blisko siebie, pomiędzy atomami wodoru (+) jednej cząsteczki a atomami tlenu (-) drugiej cząsteczki zachodzi przyciąganie elektrostatyczne. Ten rodzaj wiązań nazywamy wiązaniami wodorowymi. Właśnie one sprawiają, że woda ma niezwykle własności.

Rd4Ha9QX4r6su

Rys. 1. Rysunek przedstawia symbolicznie cząsteczkę wody. Pokazana jest w postaci większego owalnego, zaznaczonego w kolorze niebieskim, atomu tlenu, opisanego wielką literą O oraz dwóch mniejszych owali w kolorze szarym, atomów wodoru opisanych wielkimi literami H. Kształty chmur elektronowych tych atomów pokazano na rysunku jako owale. Atom tlenu posiada ładunek ujemny, a atomy wodoru dodatni. Atomy ułożone są na trzech wierzchołkach trójkąta, przy czym kąt pomiędzy ramionami łączącymi atom tlenu z atomami wodoru wynosi sto pięć stopni.

1. Woda ma dużą wartość temperatury topnienia i wrzenia w porównaniu z podobnymi związkami.

Woda, w warunkach spotykanych na co dzień, występuje w stanie płynnym. To wcale nie takie oczywiste! Zazwyczaj, im większą masę cząsteczkowąmasa cząsteczkowamasę cząsteczkową ma związek chemiczny, tym częściej się zdarza, że w temperaturze pokojowej występuje on w stanie ciekłym lub stałym. Masa cząsteczkowa wody wynosi 18 u. Masa cząsteczkowa tlenu OIndeks dolny 2₂ wynosi 32 u, siarkowodoru HIndeks dolny 2₂S - 34 u, a oba te związki w temperaturze pokojowej są gazami. Dlaczego więc woda, o masie cząsteczkowej prawie dwa razy mniejszej, nie jest gazem? Przyczyną są wiązania wodorowe, o których pisaliśmy we wstępie. Cząsteczki wody przyciągają się nawzajem i tworzą większe struktury. Efektywna masa cząsteczkowa takiej struktury jest więc odpowiednio większa i dlatego woda w temperaturze pokojowej jest cieczą. Temperatura topnienia i wrzenia wody jest znacznie wyższa niż podobnego związku – siarkowodoru (patrz -Tabela 1). Gdyby cząsteczki wody, podobnie jak cząsteczki siarkowodoru, nie były dipolami, to woda na Ziemi występowałaby tylko w postaci pary wodnej, a jej temperatura wrzenia byłaby zbliżona do temperatury wrzenia siarkowodoru.

Tabela 1. Temperatura topnienia i wrzenia wody jest znacznie wyższa niż siarkowodoru.

Większość reakcji chemicznych zachodzących w komórkach organizmów żywych wymaga środowiska wodnego. Życie byłoby niemożliwe, gdyby na Ziemi nie było  wody w stanie płynnym.

2. Woda jest dobrym rozpuszczalnikiem.

Dipolowy charakter cząsteczki wody sprawia, że woda jest doskonałym rozpuszczalnikiem. Rozpuszcza większość typowych soli i innych związków nieorganicznych, a także wiele związków organicznych. Woda jest podstawowym składnikiem płynów ustrojowych zwierząt (na przykład krwi lub limfy) oraz soku komórkowego roślin. Rozpuszczone w wodzie substancje odżywcze oraz produkty przemiany materii mogą być transportowane w organizmach roślin i zwierząt.

3. Woda ma dużą wartość ciepła właściwego.

To, czy temperaturę danej substancji łatwo zwiększyć lub zmniejszyć, charakteryzuje wielkość fizyczna zwana ciepłem właściwym, czyli ciepłem potrzebnym do zmiany temperatury 1 kilograma substancji o 1 °C. Woda wyróżnia się szczególnie dużą wartością ciepła właściwego – wynosi ono 4190 $\frac{J}{\mathrm{\text{kgK}}}$. W Tabeli 2. przedstawiono ciepło właściwe wody w trzech stanach skupienia i dla porównania, kilku innych substancji. Ciepło właściwe lodu i pary wodnej są około 2 razy mniejsze niż wody w stanie ciekłym, ale i tak znacznie przewyższają wartości dla innych substancji.

Tabela 2. Wartości ciepła właściwego.

Woda długo się nagrzewa i długo stygnie. Wyobraźmy sobie upalny dzień na plaży. Zarówno piasek, jak i woda pobierają energię z promieniowania słonecznego. Ale, jeśli temperatura 1 kg piasku zwiększy się o 24 °C, to ta sama ilość pobranego ciepła spowoduje zwiększenie temperatury 1 kg wody tylko o 5 °C.

R1XT0mbG4x4CJ

Rys. 2. Zdjęcie przedstawia fragment nadmorskiej plaży z leżakami, nad którymi ustawiono drewniane parasole pokryte liśćmi. Zdjęcie można podzielić na trzy poziome plany kolorystyczne: błękit nieba, turkusowe wody morza i bardzo jasny w kolorze piasek.

Woda jest rezerwuarem energii cieplnej. Nagrzane latem wody morza lub jeziora, zimą powoli oddają ciepło do otoczenia podnosząc temperaturę powietrza. Tereny nadmorskie mają łagodniejszy klimat, niż tereny oddalone od morza. Różnice temperatur zarówno między dniem i nocą, jak i między latem a zimą są znacznie mniejsze w okolicach nadmorskich. Ten łagodzący klimat wpływ wody odnosi się również do całej Ziemi. 71 % powierzchni Ziemi pokrytych jest oceanami, które zmniejszają wahania temperatur na Ziemi. Bez oceanów noce byłyby bardzo zimne, a dnie bardzo gorące, co pogorszyłoby warunki życia.

Duża pojemność cieplnapojemność cieplnapojemność cieplna wody zgromadzonej w organizmach roślin i zwierząt pomaga im także chronić się przed przegrzaniem lub wyziębieniem.

4. Woda ma dużą wartość ciepła parowania i ciepła topnienia.

Ciepło parowania wody, czyli ciepło pobrane z otoczenia podczas zamiany 1 kg wody w parę wodną wynosi 2300 $\frac{\mathrm{\text{kJ}}}{\mathrm{\text{kg}}}$. Oznacza to, że proces parowania wody z powierzchni zbiorników wodnych pochłania ogromną ilość ciepła, co powoduje obniżenie się temperatury otoczenia. To dlatego w upalne dni nad wodą jest chłodniej niż z dala od niej. Woda, która wyparowała z oceanów, przepływa w postaci pary wodnej nad obszary lądów, a tam skraplając się i tworząc chmury, oddaje ciepło. Cyrkulacja wody przyczynia się do wyrównywania temperatur, co oczywiście sprzyja tworzeniu dogodnych warunków życia na Ziemi.

Same organizmy wykorzystują dużą wartość ciepła parowania wody do regulacji temperatury. Rośliny chronią się przed przegrzaniem podczas upałów przez zwiększenie transpiracji, czyli parowania wody z nadziemnych części roślin. Przegrzany człowiek poci się, aby przez parowanie potu obniżyć temperaturę ciała.

Ciepło topnienia wody również ma dużą wartość. Podczas topnienia 1 kg lodu pobierana jest energia cieplna równa 333 $\frac{\mathrm{\text{kJ}}}{\mathrm{\text{kg}}}$. Podczas zamarzania wody o masie 1 kg taka sama energia cieplna jest oddawana do otoczenia.

Gdy zimą temperatura spada poniżej zera i wody w zbiornikach zamarzają, oddają przy tym duże ilości ciepła, co hamuje spadek temperatury powietrza. Duża wartość ciepła topnienia wody również wpływa na łagodzenie klimatu i zmniejszanie amplitudy temperaturamplituda temperaturamplitudy temperatur.

5. Lód ma mniejszą gęstość niż woda w stanie ciekłym.

Objętość większości substancji zmniejsza się (czyli gęstość zwiększa się), gdy maleje temperatura. Ciała stałe mają zazwyczaj większą gęstość niż ciecze. Woda jest wyjątkiem. Dipolowa budowa cząsteczek wody powoduje, że w temperaturach bliskich temperaturze topnienia, 0 °C, cząsteczki wody tworzą coraz większe struktury, zawierające dużo pustej przestrzeni. Objętość wody w temperaturze poniżej 4 °C zwiększa się (a gęstość zmniejsza się), gdy maleje temperatura. W temperaturze 0 °C woda zamarza, cząsteczki wody tworzą siatkę krystaliczną i gęstość zmniejsza się jeszcze bardziej. W temperaturze 0 °C gęstość wody wynosi 0,9998 $\frac{\mathrm{g}}{{\mathrm{cm}}^3}$, a lodu – 0,9167 $\frac{\mathrm{g}}{{\mathrm{cm}}^3}$. To powoduje, że lód pływa po powierzchni wody. Zbiorniki wodne zamarzają od góry, podczas gdy na dnie zbiera się woda o temperaturze 4 °C, o największej gęstości. Lód na powierzchni jeziora chroni wodę przed zamarznięciem do dna, co zapobiega zniszczeniu całego podwodnego życia.

R1NbtiSivoC2L

Rys. 3. Zdjęcie przedstawia kaskadę rzeczną na skutej lodem rzece. Mimo tego, że powierzchnię rzeki skuwa lód to spod niego spływa kaskadą woda.

Słowniczek