Warto przeczytać

Budowa cząsteczki wody

Cząsteczka wody HIndeks dolny 2O 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. Ułożenie atomów w cząsteczce wody H20, będące źródłem niesymetrycznego rozkładu różnoimiennych ładunków elektrycznych.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

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 wody połączone wiązaniami wodorowymi.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

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. Cząsteczki pary wodnej nie oddziałują ze sobą, poza krótkimi chwilami, gdy się ze sobą zderzają. Na tym rysunku strzałki reprezentują wektory przemieszczenia się Δr cząsteczek w pewnym (krótkim) odstępie czasu Δt (początek strzałki to początkowe położenie cząsteczki, a koniec strzałki to jej końcowe położenie).
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

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. Cząsteczki wody w stanie ciekłym tworzą nietrwałe struktury. Znaczenie strzałek na tym rysunku jest takie samo, jak na Rys. 3.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

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. Napięcie powierzchniowe wytwarza mocną błonkę na powierzchni wody, która utrzymuje biegające po powierzchni nartniki.
Źródło: RunTheGauntlet, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nartnik_Du%C5%BCy.jpg [dostęp 12.06.2022], licencja: CC BY-SA 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en.
RN0L1PrsBoy3B
Rys. 5b. Napięcie powierzchniowe wytwarza mocną błonkę na powierzchni wody, która utrzymuje leżący na powierzchni metalowy spinacz.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

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. Siły działające na cząsteczkę w głębi wody równoważą się - ich wypadkowa jest równa zero Fw=0, co pozwala na swobodny ruch cząsteczki. Na powierzchni wody jest inaczej - wypadkowa siła działająca na cząsteczkę jest różna od zera Fw0, co powoduje powstanie napięcia powierzchniowego.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

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 hydrofilowehydrofobowe.

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. Woda zwilża powierzchnie hydrofilowe.
Źródło: dostępny w internecie: https://unsplash.com/photos/ucXZIonUnzk [dostęp 12.06.2022].
RUgQt2PhxkjTD
Rys. 7b. Na powierzchniach hydrofobowych zbierają się w krople.
Źródło: dostępny w internecie: https://pixabay.com/nl/photos/blad-druppels-reflectie-gras-water-2986837/ [dostęp 12.07.2022].

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 3, a lodu – 0,9167 g/cmIndeks górny 3. 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. Cząsteczki lodu tworzą siatkę krystaliczną.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

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. Komórka elementarna lodu ma kształt graniastosłupa o podstawie sześciokąta.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

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. Cząsteczkowa struktura kryształu lodu. Fioletowe kulki to tlen, białe – wodór. Linie przerywane obrazują wiązania wodorowe.
Źródło: Solid State, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cryst_struct_ice.png [dostęp 14.06.2022], licencja: CC BY-SA 3.0. https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en.

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. Wszystkie płatki śniegu mają symetrię sześciokątną - heksagonalną.
Źródło: Wilson Bentley, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:SnowflakesWilsonBentley.jpg [dostęp 14.06.2022], domena publiczna.

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

Ciało krystaliczne
Ciało krystaliczne

(ang.: crystal, crystalline solid) – ciało stałe, w którym cząsteczki, atomy lub jony są ułożone w uporządkowany schemat powtarzający się we wszystkich trzech wymiarach przestrzennych. W objętości ciała cząsteczki zajmują ściśle określone miejsca, zwane węzłami sieci krystalicznej, i mogą jedynie drgać wokół tych położeń. Każdy kryształ zbudowany jest z wielu powtarzających się komórek elementarnych. W zależności od ich rodzaju kryształy tworzą różne układy krystalograficzne.

Dipol
Dipol

(ang.: dipole) układ dwóch różnoimiennych ładunków elektrycznych, dodatniego i ujemnego, o jednakowej wartości.

Heksagonalny
Heksagonalny

(ang.: hexagonal) przymiotnik pochodzący od rzeczownika 'heksagon', czyli sześcian.

Komórka elementarna
Komórka elementarna

(ang.: unit cell) – w krystalografii: najmniejsza, powtarzalna część struktury kryształu, zawierająca wszystkie rodzaje cząsteczek, jonów i atomów, które tworzą określoną sieć krystaliczną.

Sieć krystaliczna
Sieć krystaliczna

(ang.: crystal lattice) w krystalografii i mineralogii jest to szczególne ułożenie atomów lub cząsteczek w ciele stałym. Sieć krystaliczna charakteryzuje się uporządkowaniem dalekiego zasięgu oraz symetrią. Najmniejszą, powtarzalną składową sieci krystalicznej jest komórka elementarna.

Resublimacja
Resublimacja

(ang.: resublimation) – przemiana fazowa polegająca na bezpośrednim przejściu ze stanu gazowego w stan stały z pominięciem stanu ciekłego. Zjawisko odwrotne do resublimacji to sublimacja.

Temperatura
Temperatura

(ang.: temperature) miara średniej energii kinetycznej cząsteczek. Im wyższa temperatura, tym szybciej poruszają się cząsteczki i tym większa jest ich średnia energia kinetyczna.