Warto przeczytać

Budowa cząsteczki wody

Cząsteczka wody HIndeks dolny 2₂O składa się z atomu tlenu, do którego niesymetrycznie dołączone są dwa atomy wodoru. Choć jako całość cząsteczka ta jest obojętna elektrycznie (suma ładunków ujemnych i dodatnich w cząsteczce jest równa zeru), to sumaryczne ładunki ujemny i dodatni (będące odpowiednio sumą wszystkich elektronów i protonów) są rozsunięte względem siebie. Taki układ ładunków nazywamy dipolemDipoldipolem. Cząsteczka wody jest dipolem, co oznacza, że ma charakter polarny (Rys. 1.).

RJskHxpITmGXd

Rys. 1. Z lewej części rysunku pokazany jest uproszczony model cząsteczki wody. Atom tlenu oznaczony literą duże O przedstawiony jest symbolicznie jako niebieska elipsa ustawiona pionowo. Dwa atomy wodoru oznaczone literą duże H, przedstawione jako szare elipsy, znajdują się bezpośrednio pod atomem tlenu. Atomy wodoru są rozsunięte w kierunku poziomym – jeden atom znajduje się lewej strony atomu tlenu, drugi z prawej. Ze środka atomu tlenu poprowadzone są linie w kierunku atomów wodoru. Linia z lewej strony biegnie w dół i w lewo. Linia z prawej strony biegnie w dół i w prawo. Między tymi liniami zaznaczony jest kąt o wartości 105 stopni. Nad atomem tlenu zapisany jest znak minus. Pod atomami wodoru są znaki plus. Z prawej części rysunku pokazany jest rozkład ładunków w cząsteczce wody. Cząsteczka przedstawiona jest symbolicznie jako elipsa ustawiona pionowo. U góry elipsy jest znak minus, u dołu jest znak plus.

Polarny charakter cząsteczek wody sprawia, że mogą one tworzyć zespoły cząsteczek, gdy znajdują się one blisko siebie (Rys. 2.). Takie oddziaływania są nazywane wiązaniami wodorowym. Są one bardzo słabe i odgrywa znaczącą rolę tylko wtedy, gdy odległość między cząsteczkami wody jest mała. Łączenie się cząsteczek w grupy w wyniku oddziaływań elektrostatycznych nazywamy asocjacją, a zespoły połączonych cząsteczek to asocjaty.

R1BhRg5sF0JFL

Rys. 2. Cząsteczki par wody przedstawione są symbolicznie jako elipsy ze znakiem plus z jednej strony i znakiem minus z drugiej. Na rysunku jest 6 połączonych ze sobą elips, które tworzą sześciokąt foremny. Elipsy połączone są końcami o różnych ładunkach. Ładunek dodatni oznaczony znakiem plus na jednej cząsteczce łączy się z ładunkiem ujemnym oznaczonym znakiem minus na drugiej cząsteczce.

Woda w stanie gazowym – para wodna

Cząsteczki pary wodnej znajdują się w znacznych odległościach od siebie i nie oddziałują ze sobą. Poruszają się chaotycznie, z dużymi prędkościami (Rys. 3.). W takiej sytuacji żadne struktury cząsteczek nie mogą powstać, bo energia kinetyczna cząsteczek jest zbyt duża.

R17ljqeIUtBVl

Rys. 3. Cząsteczka pary wodnej przedstawiona jest symbolicznie jako większa kulka połączona z dwiema mniejszymi kulkami. Na rysunku jest kilka takich cząsteczek, znajdujących się daleko od siebie i rozrzuconych bezładnie na całej powierzchni rysunku. Przy każdej cząsteczce jest wektor, pokazujący przemieszczenia cząsteczek. Kierunki i wartości tych wektorów są przypadkowe.

Woda w stanie ciekłym

W wodzie w fazie ciekłej cząsteczki znajdują się na tyle blisko, że oddziałują ze sobą. Nadal poruszają się swobodnie w obrębie cieczy, ale dzięki przyciąganiu elektrostatycznemu mogą tworzyć się skupiska cząsteczek (Rys. 4.). Nie są to jednak struktury trwałe. Jedne cząsteczki uwalniają się z nich, inne dołączają do układu. Na skutek wzajemnych zderzeń innymi cząsteczkami jedne skupiska rozpadają się, inne powstają. Zwłaszcza w wysokich temperaturach, gdy energie kinetyczne cząsteczek są duże, zespoły cząsteczek powstają rzadko i na krótko. Tworzenie się struktur cząsteczek nasila się w niższych temperaturach. Jest to zrozumiałe - im niższa temperatura, tym wolniej poruszają się cząsteczki i zderzenia międzycząsteczkowe nie rozbijają powstałych struktur. Skupiska cząsteczek zajmują więcej miejsca niż pojedyncze cząsteczki, ponieważ zawierają dużo pustej przestrzeni. W temperaturach bliskich temperaturze topnienia, 0°C, cząsteczki wody tworzą coraz większe struktury. Powoduje to, że objętość wody w temperaturze poniżej 4°C zwiększa się, a gęstość zmniejsza, gdy temperatura maleje. Taką zależność objętości od temperatury nazywamy anomalną rozszerzalnością cieplną wody.

R3Ht0Saq6MVlk

Rys. 4. Cząsteczka wody przedstawiona jest symbolicznie jako większa kulka połączona z dwiema mniejszymi kulkami. Na rysunku jest wiele takich cząsteczek w małych odległościach od siebie, rozrzuconych bezładnie na całej powierzchni rysunku. Przy kilku cząsteczkach jest wektor, pokazujący przemieszczenia cząsteczek. Kierunki i wartości tych wektorów są przypadkowe. Niektóre cząsteczki są pojedyncze, inne są połączone po 6, tworząc sześciokątne struktury.

Wiązania wodorowe między cząsteczkami wody są przyczyną napięcia powierzchniowego. Zjawisko to powoduje, że powierzchnia cieczy zachowuje się jak napięta błonka. Mogą po niej biegać małe owady – nartniki (Rys. 5a.). Niewielki metalowy przedmiot leży na powierzchni wody, lekko ją uginając (Rys. 5b.).

R1PmmYX5hWgMV

Rys. 5a. Zdjęcie przedstawia owada o długich nogach – nartnika, który znajduje się na powierzchni wody. Wokół nóg nartnika widać niewielkie zagłębienia błony powierzchniowej wody.

RN0L1PrsBoy3B

Rys. 5b. Zdjęcie przedstawia metalowy spinacz biurowy, który leży na powierzchni wody. Widoczne jest niewielkie zagłębienia błony powierzchniowej wody wokół spinacza.

Mechanizm mikroskopowy powstawania napięcia powierzchniowego jest związany z oddziaływaniem elektrostatycznym między cząsteczkami wody. Na cząsteczkę znajdującą się na powierzchni działa siła wypadkowa skierowana w głąb cieczy (Rys. 6.). Sprawia ona, że na powierzchni cieczy powstaje sprężysta błonka, która dąży do zmniejszania wymiarów powierzchni swobodnej. Krople wody mają kształt kulisty, bo kula jest bryłą o najmniejszej powierzchni ze wszystkich brył o tej samej objętości.

R1W34I36lPome

Rys. 6. Rysunek przedstawia poziomą linię prostą, która symbolizuje powierzchnię wody oraz dwie cząsteczki wody przedstawione jako małe kółka. Jedna z cząsteczek znajduje się pod powierzchnią wody. Na tę cząsteczkę działają siły przyciągające ze strony innych cząsteczek otaczających ją ze wszystkich stron. Siły te przedstawione są jako wektory o początku w środku atomu i skierowane na wszystkie strony. Obok zapisane jest równanie: wektor siły wypadkowej duże F z indeksem dolnym w równa się wektor zerowy. Drugi z cząsteczek znajduje się na powierzchni wody. Na tę cząsteczkę działają siły przyciągające ze strony innych cząsteczek, które znajdują się poniżej tej cząsteczki lub na tym samym poziomie. Siły te przedstawione są jako wektory o początku w środku atomu i skierowane w różnych kierunkach: pionowo w dół, ukośnie w dół oraz w lewo i w prawo. Narysowany jest wektor siły wypadkowej skierowany pionowo w dół. Obok zapisane jest symbol wektora siły wypadkowej duże F z indeksem dolnym w.

Woda może odmiennie zachowywać się na powierzchni różnych ciał. Popatrzmy na Rys. 7. Woda rozlewa się po ziemi, tworząc kałuże, ale na liściu tworzy krople. Można to wytłumaczyć oddziaływaniem między cząsteczkami wody i ciał, z którymi woda się styka. Wszystkie substancje można podzielić na hydrofilowe i hydrofobowe.

Cząsteczki substancji hydrofilowych są, podobnie jak cząsteczki wody, dipolami. Cząsteczki wody są przyciągane przez cząsteczki tych substancji silniej niż oddziałują między sobą. To dlatego woda rozlewa się po takich powierzchniach (Rys. 7a.). Substancje hydrofilowe łatwo rozpuszczają się w wodzie. Należą do nich cukier, etanol, sól, ocet, bawełna, szkło, drewno, gips, kwarc i in.

Natomiast cząsteczki substancji hydrofobowych nie są dipolami – nie są polarne. Ich oddziaływanie z cząsteczkami wody jest słabsze niż oddziaływanie między cząsteczkami wody. W rezultacie powierzchnie takich ciał nie są zwilżane wodą. Na powierzchniach hydrofobowych tworzą się krople. Przykładem jest pokryty woskiem liść, na którym rosa tworzy kropelki (Rys. 7b.). Do substancji hydrofobowych należą między innymi: benzyna, parafina, wosk i różne tłuszcze.

Nie oznacza to jednak, że cząsteczki substancji hydrofobowych są „odpychane” przez cząsteczki wody, choć nazwa (hydrofobowy – „bojący się wody”, gr. hydro – woda, phobos – strach) sugeruje takie zachowanie. Przeciwnie, cząsteczki hydrofobowe też przyciągają cząsteczki wody, tylko siła ta jest słabsza niż przyciąganie między cząsteczkami wody. Kropla oleju opadająca na powierzchnię wody ma kształt kulisty, ale po zetknięciu z wodą rozlewa się po jej powierzchni, bo cząsteczki wody przyciągają cząsteczki oleju silniej, niż cząsteczki oleju oddziałują między sobą. Siły przyciągania między cząsteczkami wody są jednak jeszcze większe i dlatego olej nie rozpuszcza się w wodzie. Aby cząsteczka oleju mogła wejść między mocno oddziałujące cząsteczki wody, trzeba dostarczyć jej energii.

R1Q8CBUklIOzT

Rys. 7a. Zdjęcie przedstawia ulicę deszczową nocą. Jezdnia pokryta jest kałużami, które odbijają światła latarń.

RUgQt2PhxkjTD

Rys. 7b. Zdjęcie przedstawia liść w powiększeniu, na którym zawieszone są kuliste krople wody.

Woda w stanie stałym – lód

W temperaturze 0°C, przy ciśnieniu normalnym woda krzepnie. Cząsteczki wody tworzą siatkę krystalicznąSieć krystalicznasiatkę krystaliczną (Rys. 8.). Nie mogą się już przemieszczać, tylko drgają wokół położeń równowagi. Gdy woda zamienia się w lód, gęstość zmniejsza się skokowo. W temperaturze 0°C gęstość wody wynosi 0,9998 g/cmIndeks górny 3³, a lodu – 0,9167 g/cmIndeks górny 3³. Dzieje się tak, ponieważ podczas zamiany fazy z ciekłej na stałą, wszystkie cząsteczki zostają uwięzione w strukturę krystaliczną, która zawiera dużo pustej przestrzeni.

R11rwdkQSlCqz

Rys. 8. Cząsteczka wody przedstawiona jest symbolicznie jako większa kulka połączona z dwiema mniejszymi kulkami. Na rysunku jest wiele takich cząsteczek. Wszystkie cząsteczki połączone są po 6, tworząc sześciokątne struktury. Sześciokąty utworzone przez cząsteczki połączone są ze sobą – mają wspólne boki.

Komórka elementarnaKomórka elementarnaKomórka elementarna kryształuCiało krystalicznekryształu lodu, czyli najmniejszy, powtarzający się fragment sieci krystalicznej, ma kształt graniastosłupa o podstawie sześciokąta (Rys. 9.). Mówimy, że kryształ lodu ma strukturę heksagonalnąHeksagonalnyheksagonalną.

R17m6wOe4mMg8

Rys. 9. Rysunek przedstawia graniastosłup o podstawie sześciokąta foremnego. W każdym wierzchołku graniastosłupa znajduje się kulka symbolizująca atom tlenu. Krawędzie graniastosłupa podpisane są słowami: wiązania wodorowe.

Płatki śniegu, które zachwycają różnorodnością, to szczególna postać lodu. Jak one powstają? Formowanie płatków śniegu rozpoczyna się w chmurach, przy ujemnej temperaturze. Zachodzi tam proces resublimacjiResublimacjaresublimacji, czyli przechodzenia fazy gazowej w stałą. Aby rozpoczęła się kondensacja cząsteczek wody, musi istnieć centrum krystalizacji, na przykład drobinki kurzu. Na tych drobinkach tworzą się struktury przestrzenne, zawierające sześciokątne powierzchnie. Najpierw wszystkie kryształki lodu rosną tak samo, formując sześcian foremny. Gdy płatek śniegu opada w dół, zmienia się zarówno wilgotność, jak i temperatura otoczenia. Cząsteczkom łatwiej jest przyłączać się do krawędzi kryształów, niż do płaskich powierzchni. Dlatego na wystających krawędziach tworzą się nowe kryształy o innej niż wcześniejsze formy orientacji przestrzennej. Każdy płatek formuje się w innych warunkach wilgotności i temperatury, co sprawia, że kształty płatków są niepowtarzalne. Model formującego się kryształu lodu pokazany jest na Rys. 10. Widać na nim sześciokątną symetrię kryształu wody.

R1I0MUa1m9kNe

Rys. 10. Rysunek przedstawia przykładową przestrzenną strukturę kryształu lodu. W centralnej części cząsteczki tworzą niewielki sześciokąt foremny. Każdy bok tego prostokąta jest wspólny z kolejnym sześciokątem, przylegającym do niego. To tych sześciokątów przylegają z zewnątrz kolejne sześciokąty.

Pierwsze zdjęcia pojedynczych płatków śniegu zostały wykonane w 1885 r. przez Wilsona Bentleya - farmera z USA, gdy miał on zaledwie 15 lat. Bentley fotografował płatki śniegu za pomocą własnoręcznie zbudowanego połączenia mikroskopu z aparatem fotograficznym. Niektóre z jego zdjęć pokazuje Rys. 11.

Rpmu2vFCJ9qWR

Rys. 11. Ilustracja przedstawia 12 zdjęć płatków śniegu w powiększeniu. Każdy z nich utworzony jest na planie sześciokąta foremnego, ale żadne dwa nie są identyczne.

Warto tu wspomnieć o mitach, które krążą w mediach na temat wody. Spotykamy się często z reklamami „ustrukturyzowanej wody”, która ma mieć cudowne własności prozdrowotne. Oto przykład:

„…Naukowcy zajmujący się tym tematem stwierdzili ponad wszelką wątpliwość, że woda, która występuje w naszym organizmie, musi koniecznie mieć odpowiednią strukturę, tzw. strukturę heksagonalną, a więc jej cząsteczki muszą być w pewien sposób poukładane…”

Prawda jest taka, że naukowcy stwierdzili ponad wszelką wątpliwość, że strukturę heksagonalną posiada tylko woda w stanie stałym, czyli lód. Gdyby ktoś chciał spełnić powyższe zalecenia, musiałby się zamrozić! Woda w stanie ciekłym nie może mieć stałej struktury, bo jej cząsteczki są w ciągłym ruchu i przemieszczają się względem siebie. Jedyne cudowne działanie „strukturyzatora” wody to nabijanie kasy producentowi domniemanego, cudownego urządzenia.

Słowniczek