Woda w czasach greckich filozofów była traktowana jako niepodzielna cząstka. Stanowiła jeden z czterech pierwiastków, które tworzyły otaczający nas świat.

Tak mijały lata aż do 1784 r., w którym to brytyjski chemik i fizyk, Henry Cavendish, odkrył, że woda jest związkiem chemicznym, a nie pierwiastkiem.

RJUh5kd3wFOhK

Ilustracja przedstawia Henry'ego Cavendisha. Mężczyzna stoi bokiem. Mężczyzna ma dłuższe włosy. Na głowie duży kapelusz. Ubrany jest w płaszcz do kolan.

W 1886 r. August Wilhelm von Hofmann skonstruował aparat Hofmanna, dzięki któremu dowiódł, że woda ulega rozkładowi na dwie cząsteczki wodoru oraz jedną cząsteczkę tlenu.

R1bZJLXjwYiqR

Na ilustracji jest młody mężczyzna. Ma krótkie włosy, nieco falowane, sumiasty wąs i niewielką brodę. Nosi okulary. Ubrany jest w strój z epoki - kamizelkę, dłuższą marynarkę. Lewą dłoń opiera na książkach. Pod jego portretem jest napis: Professor A.W.Hofmann L.L.D. Of the Government School of Mines.

R13veJj8CAgr9

Na ilustracji jest model kulkowo-pręcikowy. Duża czerwona kulka łączy się z dwiema mniejszymi białymi kulkami.

Woda zajmuje 2/3 powierzchni naszej planety. Poza ocenami i morzami jest ona również składnikiem atmosfery i środowiska lądowego. Całość wody na naszej planecie określamy mianem hydrosferyhydrosferahydrosfery.

Woda, która nadaje się do picia, nazywana jest wodą słodką – niestety stanowi ona zaledwie 3% całkowitej ilości wody na Ziemi, z czego tylko ¼ to wody dostępne dla ludzi. Reszta znajduje się w postaci lodu. Dlatego tak ważne jest jej oszczędzanie.

Kąt między wiązaniami $\mathrm{H}-\mathrm{O}-\mathrm{H}$ wynosi 104,5°, co oznacza, że orbitale walencyjne atomu tlenu w cząsteczce wody wykazują hybrydyzacjęhybrydyzacjahybrydyzację $s{p}^3$. Atom tlenu posiada dodatkowo dwie wolne pary elektronowe.

ElektroujemnośćelektroujemnośćElektroujemność tlenu wg skali Paulina wynosi 3,44, a atomu wodoru 2,20. Zatem różnica wartości elektroujemności atomów, które tworzą wiązanie, wynosi 1,24 – a zatem w cząsteczce wody występuje wiązanie kowalencyjne spolaryzowane. Moment dipolowydipolowy moment elektrycznyMoment dipolowy cząsteczki wody wynosi 1,86 D. Jest więc ona cząsteczką polarną.

Na grafice został przedstawiony rozkład ładunków w cząsteczce wody. Kolorami ciepłymi (pomarańczowy, czerwony) został zaznaczony obszar z ładunkiem ujemnym, a kolorami zimnymi (niebieski) obszar z ładunkiem dodatnim.

RGaknmNOWyVHe

Ilustracja interaktywna przedstawia czerwoną kulkę połączoną z dwiema białymi kulkami. Dookoła modelu jest kolorowa, tęczowa chmura. Nad czerwoną kulką czerwona, w pobliżu białych kulek zielona, pod modelem niebieska.

W cząsteczkach, w których występuje polaryzacja wiązania X‑H, atom X jest atomem bardziej elektroujemnym niż atom wodoru, w związku z czym zyskuje cząstkowy ładunek ujemny. Skutkiem tego jest możliwość oddziaływania atomu wodoru z atomem innej cząsteczki, w której następuje nagromadzenie się ładunku ujemnego Y. Schematycznie można to zapisać:

Zaznaczone kropkami oddziaływanie pomiędzy atomem wodoru a atomem Y oznacza wiązanie wodorowewiązanie wodorowewiązanie wodorowe.

To właśnie dzięki występowaniu wiązań wodorowych w cząsteczce wody wykazuje ona dużo większą temperaturę wrzenia i topnienia niż inne wodorki należące do 16. grupy układu okresowego.

RN6SoiJY0rlss

Na ilustracji są liczne cząsteczki zbudowane z jednej czerwonej kulki i dwóch białych. Pomiędzy czerwonymi kulkami jednych cząsteczek a białymi kolejnych poprowadzono linie przerywane.

Woda w stanie stałym, nazywanym lodem, może w zależności od warunków występować w aż dziewięciu odmianach. Lód, który powstaje pod ciśnieniem 1 atmosfery i w temperaturze 0°C, nazywamy lodem Ih. Długość wiązań wodorowych w ciekłej wodzie wynosi ok. 1,89 Å. Ciekła woda charakteryzuje się dość dużą ruchliwością cząsteczek – mogą się one do siebie przybliżać bądź oddalać. W przypadku fazy stałej lodu, ten ruch jest zahamowany.

Wynika z tego kolejna właściwość wody – podczas krzepnięcia zwiększa swoją objętość. Gęstość lodu wynosi 0,917 $\frac{\mathrm{g}}{{\mathrm{cm}}^3}$, dlatego unosi się on na wodzie. Jest to cecha bardzo ważna dla organizmów żyjących w zbiornikach wody. Największą gęstość woda posiada w temperaturze 4°C i wynosi 1 $\frac{\mathrm{g}}{{\mathrm{cm}}^3}$. Opadając na dno zbiornika, dostarcza tlenu organizmom wodnym.

Kolejną charakterystyczną cechą wody jest wysokie ciepło parowania, które wynosi 40,66 $\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol}}$. Ciepło parowania to ilość energii, jaką trzeba dostarczyć, aby określona substancja przeszła ze stanu ciekłego w stan pary. Jest określona w jednostkach energii J na jednostkę masy bądź na mol substancji.

Woda, dzięki swoim niezwykłym właściwościom, może występować w trzech stanach skupienia: pary wodnej, cieczy i ciała stałego – lodu. Opisem obiegu wody w przyrodzie jest cykl hydrologiczny. Paruje z mórz i oceanów tworząc chmury, z których następnie spada deszcz, przedostając się stamtąd do wód gruntowych.

Słownik

Bibliografia

Atkins P., Jones L., Chemia ogólna. Cząstki, materia, reakcje, Warszawa 2018.

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, t.2, Warszawa 2009.

Bernal J. D., Fowler R. H.,Theory of Water and Ionic Solution, with Particular Reference to Hydrogen and Hydroxyl Ions, „Journal of Chemical Physics” 1933, t. 1, nr 8, s. 515‑548.

Encyklopedia PWN

Holak E., Lewiński W., Łaszczyca M., Skirmuntt G., Walkiewicz J., Biologia 2. Podręcznik zakres rozszerzony, Gdynia 2005.

Kristin R., Sylvia F., Jörg R., Fascynująca chemia, Warszawa 2020.

Pyłka‑Gutowska E., Ekologia z ochroną środowiska, Warszawa 2000.

Rożek T., Skąd się wzięła woda na Ziemi?, online: https://www.focus.pl/artykul/skad-wziela-sie-woda-na-ziemi, dostęp: 08.04.2021.

Sobaczak J., Pazdro K. M., Dobkowska Z., Chemia. Słownik szkolny, Warszawa 1993.

VanLoon G. W., Duffy S. J., Chemia środowiska, Warszawa 2007.

Von Hofmann A. W., Introduction to Modern Chemistry: Experimental and Theoretic; Embodying Twelve Lectures Delivered in the Royal College of Chemistry, London 2013.