Warto przeczytać

Jak zbudowana jest cząsteczka wody?

Cząsteczka wody składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Każde z dwóch wiązań wodoru z tlenem jest spolaryzowanepolaryzacja ładunków elektrycznychspolaryzowane, co wynika ze specyficznej budowy tych atomów. Specyfikę tę odzwierciedla różnica elektroujemnościelektroujemnośćelektroujemności pomiędzy tymi pierwiastkami. W efekcie ładunek ujemny w cząsteczce wody jest przesunięty w stronę atomu tlenu.

Obojętna elektrycznie cząsteczka wody przypomina więc swoją strukturą dipol elektrycznydipoldipol elektryczny. Jego biegun dodatni znajduje się po stronie atomów wodoru, a ujemny od strony atomu tlenu.

Jednak budowa cząsteczki wody różni się nieco od modelowego dipola - atomy nie są w niej ułożone wzdłuż linii prostej. Cząsteczka ma więc symetrię lustrzaną, a kąt między wiązaniami atomów wodoru z atomem tlenu wynosi około $105^\circ$ (Rys. 1.).

RSeab6MakJox4

Rys. 1. Ilustracja przedstawia schemat budowy cząsteczki wody. Atom tlenu narysowany jest jako niebieskie koło. Poniżej przyczepione są do niego dwa atomy wodoru przedstawione jako mniejsze, szare koła. Pod każdym atomem wodoru jest symbol plusa oznaczający ładunek dodatni. Powyżej atomu tlenu znajdują się dwa symbole minusa oznaczające podwójny ładunek ujemny. Pomiędzy liniami, łączącymi środek atomu tlenu ze środkami atomów wodoru, zaznaczony jest kąt 105 stopni.

Ilość ładunku ujemnego w okolicach atomu tlenu jest około dwa razy większa od ilości ładunku dodatniego w okolicach każdego z atomów wodoru, co na rysunku zaznaczono schematycznie za pomocą dwóch minusów.

Taka budowa sprawia, że gdy wiele cząsteczek wody znajdzie się blisko siebie, atomy tlenu z jednych cząsteczek przyciągają atomy wodoru z sąsiednich cząsteczek. W ten sposób między cząsteczkami wody tworzą się tzw. wiązania wodorowe.

Jaką strukturę ma lód?

Kryształ lodu ma, dzięki wiązaniom wodorowym, luźną strukturę, która zawiera dużo pustych przestrzeni. Popatrzmy na Rys. 2. Każdy atom tlenu połączony jest wiązaniami z dwoma „własnymi” atomami wodoru (tak samo, jak na Rys. 1.). Oprócz tego część atomów tlenu tworzy jedno lub dwa wiązania wodorowe z atomami wodoru sąsiednich cząsteczek wody. Atomy wodoru starają się ustawić jak najbliżej atomu tlenu, przez który są przyciągane, a jednocześnie jak najdalej od innych atomów wodoru, przez które są odpychane. Gdy woda jest w fazie ciekłej, wiązania wodorowe nieustannie się zmieniają: jedne pękają, inne są tworzone. W fazie stałej wiązania wodorowe mają większą trwałość i jest ich znacznie więcej. W efekcie powstaje sieć krystaliczna o luźnej strukturze zawierająca połączone ze sobą puste tunele. Ta pusta przestrzeń między uwięzionymi w strukturze krystalicznej cząsteczkami lodu powoduje, że podczas zamarzania gęstość wody zmniejsza się w sposób skokowy. W temperaturze $0^\circ\text{C}$ gęstość wody wynosi $0,9998\,\text{g/cm}^3$, a lodu $0,9167\,\text{g/cm}^3$. To dlatego lód pływa po wodzie i zbiorniki wodne zamarzają od góry.

R1e27X8K7g7Ue

Rys. 2. Ilustracja przedstawia sieć krystaliczną lodu złożoną z cząsteczek wody. Każda cząsteczka wody posiada jeden atom tlenu zilustrowany tutaj jako jasnoniebieskie kółko. Z każdym atomem tlenu połączone są grubą niebieską kreską reprezentującą wiązania atomowe dwa atomy wodoru przedstawione tutaj jako czerwone kółka. Atom tlenu danej cząsteczki połączony jest z atomem wodoru innej cząsteczki poprzez stabilne wiązanie wodorowe zaznaczone tutaj czarną linią przerywaną.

Co się dzieje ze strukturą lodu, gdy wzrasta temperatura?

Ogrzewanie lodu i jego topnienie

W każdej substancji, w miarę wzrostu temperatury, zarówno atomy, jak i całe cząsteczki drgają coraz szybciej wokół swoich położeń równowagi. To samo obserwujemy, gdy ogrzewamy lód. Gdy lód osiągnie temperaturę topnienia $0^\circ\text{C}$, energia tych drgań jest tak duża, że coraz więcej wiązań wodorowych między cząsteczkami traci stabilność i zostaje zerwana. Lód stopniowo zamienia się w ciekłą wodę. Uwolnione cząsteczki wody zapełniają puste przestrzenie, wskutek czego objętość substancji maleje, a zatem jej gęstość rośnie.

Ogrzewanie wody

Prawdą jest jednak, że w temperaturze bliskiej $0^\circ\text{C}$ woda wciąż zawiera pewną liczbę zespołów cząsteczek połączonych dość stabilnymi wiązaniami wodorowymi. Na zmianę objętości wody ogrzewanej powyżej $0^\circ\text{C}$ mają wpływ dwa konkurencyjne procesy:

1. Wskutek wzrostu energii kinetycznej cząsteczek zwiększają się odległości między nimi, co skutkuje zwiększeniem średnich odległości międzycząsteczkowych i zwiększeniem objętości wody.

2. Zmniejszają się liczebność i rozmiary połączonych grup cząsteczek, co uwolnionym cząsteczkom umożliwia zapełnienie pustych przestrzeni, wskutek czego objętość maleje.

Początkowo drugi z powyższych procesów jest dominujący, co skutkuje zmniejszaniem się objętości wody i wzrostem jej gęstości. Dzieje się tak do osiągnięcia przez temperaturę wartości ok. $4^\circ\text{C}$. Wtedy dominującym staje się pierwszy z wymienionych procesów i dalsze ogrzewanie wody powoduje zwiększanie się jej objętości i zmniejszanie gęstości tak, jak to ma miejsce w większości innych substancji. Największą gęstość ma woda o temperaturze $4^\circ\text{C}$.

Prezentacja graficzna

Przeanalizuj trzy wykresy przedstawiające zależność gęstości $\text{H}_2\text{O}$ od temperatury w stanie stałym i ciekłym oraz podczas topnienia. Wszystkie przedstawiają ten sam proces: podgrzewanie lodu, jego topnienie i podgrzewanie wody w zakresie temperatur od $-30^\circ\text{C}$ do $+30^\circ\text{C}$. Różnią się one skalą na osi rzędnych, co pozwala uchwycić wybrane charakterystyczne cechy tego procesu.

Jak zmienia się temperatura wody w jeziorze?

Latem, w głębokich zbiornikach wodnych, najniższą temperaturę ma woda w pobliżu dna. Dzieje się tak, ponieważ zimna woda ma większą gęstość i opada na dno. Ogrzana promieniami Słońca woda powierzchniowa nie miesza się z zimną wodą z dna, bo konwekcjakonwekcjakonwekcja występuje tylko wtedy, gdy na dole ciecz ma mniejszą gęstość niż ciecz na górze (o konwekcji możesz przeczytać więcej w e‑materiale Na czym polega transport ciepła przez konwekcję?). Zimą woda zamarza od góry, a na dnie zbiornika znajduje się woda największej gęstości, tj. o temperaturze ok. $4^\circ\text{C}$ (Rys. 3.). Dodatkowo: pływający po powierzchni lżejszy lód działa jak izolator, ponieważ charakteryzuje się niskim przewodnictwem cieplnym i „zabezpiecza” głębsze warstwy wody przed zamarzaniem. Fakt ten umożliwia wielu organizmom przetrwanie zimy. Latem woda na powierzchni ma znacznie wyższą temperaturę, ale na dnie głębokich zbiorników również zbiera się woda o największej gęstości.

RlcSRtWjUam7G

Rys. 3. Ilustracja przedstawia dwa krajobrazy. Po lewej stronie znajduje się jezioro w górach latem a po prawej stronie zimą. Temperatura na powierzchni wody latem wynosi dwadzieścia jeden stopni Celsjusza. Wraz z głębokością temperatura wody spada i osiąga przy dnie cztery stopnie Celsjusza. W przypadku jeziora zimą, lód pokrywający jezioro ma temperaturę minus pięć stopni Celsjusza. Temperatura wody pod lodem wynosi zero stopni Celsjusza. Wraz z głębokością temperatura wody podnosi się, osiągając przy dnie również cztery stopnie Celsjusza.

O przysłowiowym „wierzchołku góry lodowej”...

Obliczmy, jaka część objętości lodu pływającego po powierzchni wody wystaje ponad jej powierzchnię. Warunkiem pozostawania lodu w równowadze (lód pływa na powierzchni wody i nie tonie) jest równoważenie się działających na niego sił: siły ciężkości i siły wyporusiła wyporusiły wyporu (Rys. 4.). Siła ciężkości, która jest skierowana do dołu, ma wartość

gdzie $d$ jest gęstością lodu, $g$ – przyspieszeniem ziemskim, $V$ – objętością całej bryły lodu. Natomiast wartość siły wyporu (skierowanej do góry) wynosi

gdzie $d_w$ to gęstość wody, $V_{zan}$ – objętość zanurzonej części bryły lodu, która jest równa objętości wody wypartej przez tę bryłę.

W równowadze siły te są przeciwne. Porównując ich wartości, dostajemy

co po przekształceniu daje

Otrzymany wynik oznacza, że ok. 92% objętości bryły lodu znajduje się pod powierzchnią wody - nad jej powierzchnię wystaje więc zaledwie 8% jej objętości.

R84jw8FGrdRAj

Rys. 4. Rysunek przedstawia niebieski prostokąt symbolizujący naczynie wypełnione wodą. Na wodzie pływa kawałek lodu o nieregularnym kształcie. Do punku środka masy lodu przyłożone są dwa pionowe wektory o jednakowej długości. Wektor skierowany w dół symbolizuje siłę ciężkości i oznaczony jest literą wielkie F z indeksem dolnym małe g i strzałką nad nią. Wektor skierowany w górę symbolizuje siłę wyporu i oznaczony jest literą wielkie F z indeksem dolnym małe w strzałką nad nią.

Słowniczek

dipol

dipol

(ang. dipole) układ ładunków elektrycznych spolaryzowanychpolaryzacja ładunków elektrycznychspolaryzowanych. Modelowo: układ dwóch różnoimiennych ładunków elektrycznych, dodatniego i ujemnego, o jednakowych wartościach. Z j. greckiego: di- 'podwójny', -polos 'biegun'.

R1bwgc5rkcS1B

Ilustracja składa się z dwóch rysunków a i b. Rysunek a przedstawia prostokąt wypełniony znakami plus i minus, które symbolizują ładunki dodatnie i ujemne. Znaki plus i minus są przemieszane, ale więcej znaków minus znajduje się w górnej części prostokąta, a znaki plus grupują się głównie w dolnej części prostokąta. Rysunek b przedstawia 2 kółeczka połączone pionowym odcinkiem. Na dolnym kółeczku zapisano znak plus, na górnym znak minus.