Dlaczego woda nie jest substancją czystą? Skład i właściwości wody
- Szczegóły
Woda jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych związków chemicznych na naszej planecie, a jej ilość szacuje się na 2,2´1018 ton. Ze względu na to, że wody w przyrodzie jest tak dużo, oraz że występuje ona praktycznie wszędzie: w morzach, oceanach, w lodowcach, w glebie, w atmosferze, w organizmach żywych itd., znajduje się ona w pewnym stanie dynamicznej równowagi.
Skład chemiczny wody
Woda to związek chemiczny składający się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu, o wzorze sumarycznym H2O. Masa atomowa wody wynosi 18 u. Ze względu na konfigurację elektronową tlenu, woda nie ma geometrii liniowej, jej cząsteczka jest zgięta pod kątem 104°. Dzięki temu cząsteczka wody jest trwale spolaryzowana: tlen, jako bardziej elektroujemny, gromadzi ładunek ujemny, a wodory dodatni.
Polarność cząsteczek wody umożliwia jej tworzenie, zarówno w roztworze, jak i stanie stałym, tworzenie sieci spolaryzowanych wiązań, zwanych wiązaniami wodorowymi. Wiązania te są odpowiedzialne za wszystkie właściwości fizyczne, oraz wiele właściwości chemicznych wody. Woda jest substancją bezbarwną, bez smaku i zapachu. W warunkach normalnych jest cieczą, która przy ciśnieniu atmosferycznym krzepnie w temperaturze 0°C a wrze w temperaturze 100°C.
Anomalna rozszerzalność cieplna wody
Woda jest jedną z nielicznych substancji, które wykazują w pewnym zakresie odwrotną rozszerzalność cieplną: podczas krzepnięcia w temperaturze 4 - 0°C woda, zamiast, tak jak inne substancje, zmniejszać swojej objętości, rozszerza ją. Zmiana objętości podczas krzepnięcia wody dochodzi do 10%, a więc jest bardzo duża.
Proces ten łatwo można zaobserwować wkładając do zamrażalnika szczelnie wypełnioną wodą butelkę. W wyniku zwiększania swojej objętości podczas zamarzania, woda rozrywa butelkę. Podobny proces jest przyczyną kruszenia się skał i powstawania gleb. Także dzięki tej właściwości w zimie zbiorniki wodne nie zamarzają na całej objętości, a jedynie powierzchniowo. Ponieważ lód ma mniejszą gęstość niż woda, utrzymuje się on na powierzchni (około 90% lodu zanurzone jest pod powierzchnią wody, a 10% wystaje ponad nią).
Przeczytaj także: Korzyści z Używania Nawilżacza Powietrza
Dlaczego woda w przyrodzie nie jest czysta?
Woda składa się z bardzo małych cząsteczek, polarnych, dzięki czemu jest doskonałym rozpuszczalnikiem bardzo wielu substancji. Podczas przenikania przez glebę woda rozpuszcza i "zabiera" ze sobą wiele soli mineralnych, dlatego zwykła woda zawiera duże ilości rozpuszczonych gazów, zawiesin i soli mineralnych.
Nawet najczystsze wody źródlane mają pewną ilość rozpuszczonych substancji, głównie węglanów wapnia i magnezu, które są najobficiej występującymi w glebach minerałami. Stosunkowo czysta jest woda z opadów atmosferycznych, jednak w związku z coraz większym zanieczyszczeniem powietrza zawiera ona często rozpuszczone szkodliwe substancje, a nawet kwas siarkowy i azotowy. Najczystszą wodą w przyrodzie jest woda z lodowców arktycznych, jednak ona również zawiera pewne rozpuszczone związki mineralne. Woda morska zawiera pewne ilości NaCl oraz innych metali lekkich, przez co jest ona słona.
Aby otrzymać czystą wodę, bez żadnych rozpuszczonych substancji, stosuje się proces destylacji. Zawartość składników mineralnych w wodzie określa się, podając jej twardość. Zależnie od zastosowań przemysłowych, twardość wody musi być odpowiednia, aby spełniła ustalone normy.
Na przykład wody, które poddawane są działaniu wysokich temperatur (wody zasilające kotły), muszą być całkowicie pozbawione soli mineralnych, zwłaszcza węglanu wapnia, który powoduje osadzanie się tzw. kamienia i zatykanie rur, co może doprowadzić do wybuchu. Ponadto kamień ma bardzo małe przewodnictwo cieplne, więc ścianki rur pokryte kamieniem bardzo słabo oddają ciepło. Twardość wody to współczynnik określający zawartość w wodzie rozpuszczonych związków wapnia, magnezu, żelaza i krzemu.
Jest to skala stopniowa - jeden stopień francuski oznacza 1 g węglanu wapnia w 100 litrach wody. Twardość węglanowa to zawartość węglanu wapnia (Ca(HCO3)2) oraz węglanu magnezu (Mg(HCO3)2).
Przeczytaj także: Jakość powietrza w Polsce: Analiza
Rodzaje wody i jej zastosowanie
W codziennym użytkowaniu spotykamy różne rodzaje wody, które różnią się pochodzeniem, składem i zastosowaniem. Woda źródlana jest naturalnie czysta i niskozmineralizowana - świetna do picia na co dzień i parzenia kawy czy herbaty. Woda mineralna zawiera określone ilości składników, takich jak wapń, magnez czy wodorowęglany; jej profil smakowy i potencjalne działanie prozdrowotne wynikają z naturalnego składu. Woda wodociągowa jest uzdatniana, by spełniać normy sanitarne i być bezpieczna dla mieszkańców. Woda demineralizowana i destylowana są z kolei pozbawione jonów - nie zostawiają osadów i sprawdzają się w parownicach, akumulatorach czy urządzeniach laboratoryjnych. Tam, gdzie liczy się niezawodność i trwałość instalacji, stosuje się także zmiękczanie czy odgazowanie wody procesowej.
Poniżej przedstawiono tabelę z klasyfikacją i charakterystyką różnych rodzajów wody:
| Rodzaj wody | Charakterystyka | Zastosowanie |
|---|---|---|
| Woda miękka | Niska zawartość jonów Ca2+ i Mg2+ (< 60 mg CaCO3/l) | Przemysł tekstylny, pranie |
| Woda twarda | Wysoka zawartość soli wapnia i magnezu (> 180 mg CaCO3/l) | Może powodować osadzanie się kamienia |
| Woda mineralna | Naturalna, zawierająca ≥ 250 mg składników mineralnych/l | Spożycie, suplementacja minerałów |
| Woda źródlana | Naturalna, czysta, niskozmineralizowana | Spożycie codzienne |
| Woda destylowana | Uzyskana przez destylację, pozbawiona jonów i zanieczyszczeń | Laboratoria, żelazka parowe |
| Woda demineralizowana | Oczyszczona przez wymianę jonową | Przemysł, laboratoria |
| Woda przemysłowa | Stosowana w chłodnictwie, energetyce, produkcji chemicznej | Chłodzenie, procesy technologiczne |
| Woda pitna | Uzdatniona do norm WHO/UE (pH 6,5-8,5, brak zanieczyszczeń) | Spożycie |
| Woda morska | Średnie zasolenie ok. 35 g soli/l, głównie NaCl | Żegluga, rekreacja |
Właściwości fizyczne wody
O tym, iż woda jest tak unikalną substancją, decyduje nie tylko jej powszechność, ale także pewne właściwości fizyczne. Jedną z nich jest bardzo wysokie ciepło właściwe wody: aby podnieść temperaturę 1 g wody o 1°C, potrzeba dostarczyć jej energii w ilości 1 kalorii.
Również bardzo wysokie jest ciepło parowania wody: do odparowania 1 g potrzeba 540 kalorii. W porównaniu np. z alkoholem etylowym, wielkości te są ponad 2 razy większe. Wymienione właściwości fizyczne powodują między innymi, iż klimat na obszarach nadmorskich jest znacznie cieplejszy niż w głębi lądu (woda w okresie zimowym, ochładzając się, oddaje ciepło zgromadzone w okresie letnim). Wysokie ciepło parowania sprawia także, iż parowanie oraz topnienie zamarzniętych rzek i jezior nie jest procesem gwałtownym, tylko przebiega spokojnie, umożliwiając dużym ilościom uwolnionej wody rozprzestrzenienie się.
Wysokie ciepło parowania wody jest także wykorzystywane przez organizm w celu utrzymywania stałej temperatury w okresach przegrzania. Woda z organizmu wydziela się przez skórę w postaci potu, a następnie odparowywana, co wymaga włożenia przez organizm sporej ilości ciepła.
Przeczytaj także: Napoje gazowane: Pepsi i gaz
Biologiczna rola wody
Woda jest związkiem chemicznym o podstawowym znaczeniu biologicznym. Spośród licznych związków chemicznych budujących komórki, woda jest najliczniej występującą. Jej udział w budowie ciała wszystkich organizmów żywych jest przeważający nad innymi substancjami: wynosi, zależnie od organizmu, od 70 do 90%. Biologiczna rola wody polega na tworzeniu płynów ustrojowych, regulacji temperatury ciała, ciśnienia osmotycznego oraz odczynu (pH) a także uczestniczeniu w wielu procesach przemiany materii.
Jedną z najważniejszych funkcji wody w organizmie jest regulacja ciśnienia osmotycznego. Ciśnienie osmotyczne to pewna wielkość, umożliwiająca istnienie równowagi między wnętrzem komórki i płynami ustrojowymi. Równowaga ustrojowa polega na występowaniu równych ciśnień osmotycznych pomiędzy wnętrzem komórki i zewnętrznym roztworem. W takich warunkach nie następuje wnikanie ani uchodzenie wody z komórek, dzięki czemu zachowany jest kształt i rozmiar komórki.
Roztwór, który jest w równowadze z komórką, nazywany jest izotonicznym. Przykładem takiego roztworu jest osocze krwi. W przypadku, gdy ciśnienie osmotyczne roztworu otaczającego komórkę jest niższe, tzn. roztwór zawiera mniej niż komórka substancji rozpuszczonych, to komórka pęcznienie aż do wyrównania ciśnienia osmotycznego. Takie roztwory nazywamy hipotonicznymi. Roztwory hipertoniczne to z kolei roztwory, które zawierają więcej substancji rozpuszczonych niż komórka. Powodują one kurczenie się komórki, aż ciśnienie osmotyczne się wyrówna.
Zjawisko kurczenia się i pęcznienia komórek pod wpływem wahań ciśnienia osmotycznego widać bardzo wyraźnie na przykładzie roślin. W warunkach niedoboru wody następuje zagęszczenie płynów ustrojowych i kurczenie się komórek w celu wyrównania ciśnienia osmotycznego - jest to zjawisko więdnięcia roślin.
Drugą ważną rolą wody jest wydalanie z organizmu zbędnych produktów przemiany materii oraz szkodliwych substancji. Wydalanie następuje wraz z moczem. Oddawanie moczu powoduje znaczne ubytki wody w organizmie: średnio dorosły człowiek oddaje 0,6 do 2,5 litrów wody dziennie.
Reaktywność wody
Woda otrzymywana jest w procesie utleniania wodoru. Reakcja utleniania wodoru jest reakcją bardzo egzotermiczną, towarzyszy jej wydzielenie dużej ilości ciepła. Dlatego woda jest bardzo trwałym związkiem: do zdysocjowania jej cząsteczek potrzeba temperatury około 1800K. Mimo tego, woda jest dość reaktywną substancją. Reaguje na przykład z niektórymi metalami (na przykład Na, K, Ca), tworząc wodorotlenki, z wydzieleniem wodoru. Ponadto ma duże zdolności solwatacyjne, oraz jest przyłączana przez różne związki.
- wodę konstytucyjną, nie występującą w związku jako cząsteczka H2O, ale tworzącą się w czasie rozkładania związku. Przykładami związków zawierających wodę konstytucyjną są wodorotlenki (na przykład Ca(OH)2, KOH), a także kwas siarkowy(VI).
- wodę koordynacyjną, związaną koordynacyjnie z kationami metali. Przykłady to [Cu(NH3)4(H2O)2]3+, [Cr(H2O)6]3+
- wodę krystalizacyjną, związaną w kryształach substancji jonowych. Wodę taką podajemy stechiometrycznie, na przykład CuSO4×5H2O
- wodę sieciową, zawartą pomiędzy warstwami sieci krystalicznej w ilościach niestechiometrycznych.
tags: #dlaczego #woda #nie #jest #substancją #czystą
