Warto przeczytać

Cząsteczka wody składa się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru. Jednak nie jest ona liniowa - atomy wodoru znajdują się z jednej strony atomu tlenu (Rys. 1.), a kąt między wiązaniami wynosi ok. $105^\circ$. Dlatego, choć cząsteczka jako całość jest obojętna elektrycznie, ładunek elektryczny nie jest na niej rozłożony symetrycznie wzdłuż pojedynczego wiązania tlen‑wodór. Chmura elektronów (o ładunku ujemnym) przesunięta jest w kierunku atomu tlenu, wobec czego wokół atomów wodoru gęstość ładunku jest dodatnia. Cząsteczka wody jako całość zachowuje się w związku z tym jak dipol. Gdy cząsteczki wody znajdują się blisko siebie, obszary cząsteczek dodatnio i ujemnie naładowane przyciągają się siłami elektrostatycznymi; są to tak zwane wiązania wodorowe. Właśnie one sprawiają, że woda ma dość niezwykłe własności.

RhBD8Qive9x7s

Rys. 1. Ilustracja składa się z dwóch części. Z lewej strony przedstawiona jest symbolicznie cząsteczka wody. Składa się ona z trzech owalnych kształtów. Największy owal symbolizujący atom tlenu i ustawiony pionowo, znajduje się pośrodku i oznaczony jest literą wielkie O. Dwa mniejsze owale, symbolizujące atomy wodoru, znajdują się poniżej i stykają się z dużym owalem z lewej i prawej strony jego dolnej krawędzi. Osie symetrii mniejszych owali skierowane są w dół i lewo oraz w dół i prawo i tworzą kąt nieco większy od kąta prostego. Na owalach tych zapisano literę wielkie H. Pod atomami wodoru zapisano znaki plus. Nad atomem tlenu zapisano znak minus. Z prawej strony rysunku pokazano, jak cząsteczki wody łączą się ze sobą wiązaniami wodorowymi. Na rysunku znajdują się 4 cząsteczki wody pokazane tak, jak na lewym rysunku. Wiązania wodorowe symbolizują odcinki łączące górną część owalu symbolizującego atom tlenu z dolną częścią owalu symbolizującego atom wodoru sąsiedniej, drugiej cząsteczki. Drugi atom wodoru tej cząsteczki połączony jest odcinkiem z atomem tlenu trzeciej cząsteczki

1. Gęstość to stosunek masy do objętości ciała. Gęstość większości ciał rośnie, gdy maleje temperaturatemperaturatemperatura. Dzieje się tak, ponieważ objętość w niższej temperaturze jest mniejsza. W miarę zmniejszania się temperatury, cząsteczki poruszają się coraz wolniej, zbliżają się do siebie i dlatego objętość maleje. Inaczej zachowują się cząsteczki wody. Gdy temperatura wody zmniejsza się od $100^\circ\text{C}$ do $4^\circ\text{C}$, objętość maleje, a gęstość zwiększa się, jak w przypadku innych substancji (Rys. 2.). Poniżej temperatury $4^\circ\text{C}$ wiązania wodorowe odgrywają coraz większą rolę. Cząsteczki tworzą struktury zajmujące więcej miejsca niż pojedyncze cząsteczki. W rezultacie, gdy temperatura spada poniżej $4^\circ\text{C}$, objętość wody zwiększa się. Najmniejszą objętość i największą gęstość ma woda o temperaturze $4^\circ\text{C}$.

   R1Hxu8ew8N3Ia

   Rys. 2. Na rysunku znajduje się układ współrzędnych. Na osi poziomej odłożono temperaturę w stopniach Celsjusza oznaczona literą małe t, a na osi pionowej odłożono gęstość wody w kilogramach na metr sześcienny oznaczoną grecką literą ro. Wykres początkowo wznosi się łagodnym łukiem, osiąga maksimum o wartości około 1000 kilogramów na metr sześcienny dla temperatury 4 stopnie Celsjusza i następnie opada łukiem do wartości 996 kilogramów na metr sześcienny dla temperatury około 28 stopni Celsjusza.

   

   Woda pod normalnym ciśnieniem zamarza w temperaturze $0^\circ\text{C}$. Wykres na Rys. 2. opisuje także gęstość wody przechłodzonejciecz przechłodzonawody przechłodzonej. Jednak w typowych warunkach, podczas krzepnięcia wody i tworzenia się lodu, objętość wzrasta skokowo - gęstość lodu w temperaturze $0^\circ\text{C}$ jest mniejsza o około 10% od gęstości wody w tej samej temperaturze. Powoduje to, że lód pływa po wodzie. Dzięki tej wyjątkowej własności wody nie ginie zimą wszelkie życie w jeziorach i rzekach. Na dnie odpowiednio głębokich zbiorników wodnych nawet w największe mrozy znajduje się woda o temperaturze $4^\circ\text{C}$, która ma największą gęstość.

2. Kolejną nietypową własnością wody jest duża wartość ciepła właściwegociepło właściweciepła właściwego, $c_w = 4200\,\frac{\text{J}}{\text{kg}\cdot \text{K}}$. Jest ono wielokrotnie większe od ciepła właściwego innych występujących w przyrodzie cieczy i ciał stałych. Energia dostarczana podczas ogrzewania wody jest niezbędna dla rozerwania wiązań wodorowych. Dlatego, gdy woda pobiera określoną ilość energii cieplnej, przyrost jej temperatury jest mniejszy niż wielu innych substancji. Dla przykładu obliczmy, o ile wzrośnie temperatura wody i skały, gdy $m = 1\,\text{kg}$ każdej z tych substancji pobierze ciepło $Q = 10\,\text{kJ}$. Ciepło właściwe skał wynosi około $c_s = 1000\,\frac{\text{J}}{\text{kg}\cdot \text{K}}$. Ze wzoru na pobrane ciepło otrzymujemy

skąd wyznaczamy różnicę temperatur,

Po wstawieniu danych liczbowych otrzymujemy przyrost temperatury dla wody $\Delta t = 2,4^\circ \text{C}$, a dla skały $\Delta t = 10^\circ\text{C}$. Podobnie jest, gdy woda oddaje ciepło do otoczenia. Zmniejszenie jej temperatury przy utracie określonej energii cieplnej jest kilkakrotnie mniejsze niż skał czy gleby. Woda zatem magazynuje energię cieplną. W upalny dzień tereny w pobliżu dużych zbiorników wodnych nagrzewają się wolniej niż miejsca od nich oddalone. Natomiast nocą, gdy ziemia i woda oddają ciepło, spadek temperatury terenów nad wodą jest mniejszy. Woda łagodzi klimat, zmniejsza różnice temperatur zarówno dobowych, jak i rocznych. 71% powierzchni Ziemi pokrywają oceany. Dzięki temu dopływ energii słonecznej powoduje tylko niewielkie zmiany temperatury Ziemi. Nasza planeta ani nadmiernie się nie nagrzewa, ani za bardzo nie wyziębia, co umożliwia istnienie życia na Ziemi. Woda pobiera z otoczenia wielką ilość ciepła podczas parowania. Ciepło parowaniaCiepło parowaniaCiepło parowania wody wynosi $2260\,\text{kJ/kg}$. Oznacza to, że wyparowanie kilograma wody pochłania z otoczenia aż 2,26 miliona dżuli. Parowanie obniża temperaturę powietrza nad oceanami i innymi zbiornikami wody. Gdy para wodna przemieści się do obszarów chłodniejszych, skrapla się, wydzielając do otoczenia energię, którą pobrała podczas parowania. Powstają chmury, a temperatura powietrza zwiększa się. W tych procesach wydzielają się ogromne ilości energii powodujące silne wiatry i sztormy. 3. Woda ma szczególnie dużą wartość temperatury wrzenia i topnienia w porównaniu z podobnymi związkami chemicznymi, na przykład z siarkowodorem $\text{H}_2\text{S}$ (Tabela 1.). Dzięki temu woda występuje na Ziemi w stanie ciekłym. Jaka jest przyczyna tak dużych wartości temperatur wrzenia i topnienia wody? To skutek budowy cząsteczki wody i występowania wiązań wodorowych. Podczas topnienia lodu cząsteczki wody muszą uwolnić się od odziaływań elektrostatycznych, a temu sprzyja wyższa temperatura, czyli większa średnia energia kinetyczna cząsteczek. Podobnie jest podczas wrzenia wody. To dlatego woda topnieje i wrze w znacznie wyższej temperaturze niż siarkowodór. Jego cząsteczki są zbudowane podobnie do cząsteczek wody, jednak ze względu na mniejszą „elektroujemność” siarki w porównaniu z tlenem, nie oddziałują ze sobą tak silnie.

Słowniczek