Woda destylowana: krzepnięcie i zmiany masy
- Szczegóły
Woda to związek chemiczny o wzorze sumarycznym H2O, składający się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Masa atomowa wody wynosi 18 u. Ze względu na konfigurację elektronową tlenu, cząsteczka wody jest zgięta pod kątem 104°, co oznacza, że nie ma geometrii liniowej.
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 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.
Przeczytaj także: Gdzie kupić wodę destylowaną?
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).
Właściwości rozpuszczalnika
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.
Przeczytaj także: Inwestycje w Jakość Wody w Proszówkach
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 - zawartość węglanu wapnia (Ca(HCO3)2) oraz węglanu magnezu (Mg(HCO3)2).
Obieg wody w przyrodzie
Woda jest najpowszechniejszym związkiem chemicznym na naszej planecie - jej ilość szacuje się na 2,2´1018 ton. Oznacza to, iż jeśli każda tona wody byłaby wielkości główki od szpilki, to można by było nią wybrukować drogę od Ziemi do Księżyca o szerokości 10 km!
Trudno sobie wyobrazić tak olbrzymią ilość wody patrząc na mapę. 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 równowago.
Zachodzące przemiany oraz procesy nie powodują zachwiania tej równowagi na tyle, aby w jakimkolwiek środowisku nagle zaczęło brakować wody. Najważniejszym procesem, któremu podlega woda, jest parowanie pod wpływem światła słonecznego.
Z olbrzymich powierzchni mórz i oceanów dostaje się do atmosfery bardzo dużo wody, jednak jednorazowo jest jej jedynie tyle, że starczyłoby zaledwie na 10 dni deszczu. Woda w atmosferze, w sprzyjających warunkach (duża wilgotność), skrapla się i grupuje, tworząc chmury.
Przeczytaj także: Woda mineralna Józef: Zalety
Woda z opadów zostaje wchłonięta przez glebę, a także zasila wody powierzchniowe. Jednak największa część wsiąka do Ziemi, skąd jest pobierana przez liczne rośliny, dla których jest niezbędnym składnikiem w procesie fotosyntezy. Woda, która wsiąka głębiej w glebę dociera do nieprzepuszczalnych warstw skalnych i tworzy wody gruntowe i głębinowe.
Podczas przechodzenia przez glebę woda zostaje dokładnie przefiltrowana i wzbogacona w minerały, dzięki czemu otrzymujemy bardzo czyste źródła. Ze źródeł tych pobieramy wodę pitną w postaci tzw. wody źródlanej (niskozmineralizowanej) oraz wody mineralnej (wysokozmineralizowanej).
Wody gruntowe zasilają również wody powierzchniowe, które mają swoje ujście w morzach i oceanach, stale dostarczając im wody.
Unikalne 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 odparowywana, co wymaga włożenia przez organizm sporej ilości ciepła.
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.
Regulacja ciśnienia osmotycznego
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 roztworze.
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.
Doświadczenie z osmozą
Zjawisko ciśnienia osmotycznego można zaobserwować w domu, wykonując proste doświadczenie. Należy nieugotowane kurze jajko umieścić w naczyniu z octem i pozostawić na 24 godziny. Ocet (kwas octowy) powoduje rozkład skorupki, przez co jajko jest chronione jedynie cienką błonką.
Po wylaniu z naczynia octu i umieszczeniu jajka w wodzie można zaobserwować pęcznienie jajka do rozmiarów jaja gęsiego. Po wyjęciu jajka z wody i umieszczeniu go w stężonym roztworze soli kuchennej, następuje odwrotny proces - jajko się kurczy.
Obydwa zjawiska (pęcznienia i kurczenia jajka) są wynikiem osmozy przez błonkę jajka. Przez błonę mogą przechodzić jedynie niewielkie cząsteczki wody, natomiast cząsteczki białka są zbyt duże.
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.
- Wodę krystalizacyjną, związaną w kryształach substancji jonowych.
Wymienione właściwości powodują, iż woda jest tak niezwykłą substancją.
Hydrofobowość
Inną ważną cechą wody jako rozpuszczalnika jest to, iż nie rozpuszcza ona związków o cząsteczkach niepolarnych. Mówimy, że takie związki są hydrofobowe. Bardzo dobrze zjawisko to można zobaczyć na przykładzie oleju zmieszanego z octem.
Mieszanina taka, po dodaniu do wody, rozdziela się: polarny kwas octowy jest przez wodę rozpuszczany, natomiast długie, niepolarne cząsteczki tłuszczu gromadzą się na powierzchni jako osobna faza. Woda i kwas octowy, oprócz tego, iż są cieczami polarnymi, mają bardzo podobne rozmiary cząsteczek.
Dlatego mieszają się ze sobą w stopniu nieograniczonym: możemy mieć zarówno roztwór kwasu octowego w wodzie jak i wody w kwasie octowym. Mówimy, iż woda i kwas octowy tworzą roztwór jednorodny o nieograniczonej rozpuszczalności.
Wbrew pozorom, nierozpuszczalność tłuszczów w wodzie nie jest wynikiem braku przyciągania elektrostatycznego pomiędzy cząsteczkami wody i tłuszczu lub bardzo słabym przyciąganiem. Co więcej, woda przyciąga tłuszcz silniej, niż cząsteczki tłuszczu przyciągają się wzajemnie.
Zjawisko to widać wyraźnie, jeśli upuści się kroplę oleju do naczynia z wodą. Cząsteczki oleju przyciągają się wzajemnie, dlatego, aby zminimalizaować energię, tworzą w powietrzu kształt o najmniejszej powierzchni - kulę.
Dzięki temu jedynie niewielka ilość cząsteczek tłuszczu nie jest całkowicie otoczona przez inne cząsteczki. Kiedy kropla wpada do naczynia z wodą, tłuszcz rozkłada się w na powierzchni tworząc cienką, równomierną warstwę.
Gdyby cząsteczki wody nie przyciągały tłuszczu, to w wodzie kropla miałaby nadal kształt kuli. Nasuwa się pytanie: skoro cząsteczki wody i oleju oddziałują tak silnie, to dlaczego olej się nie rozpuszcza w wodzie?
Odpowiedź jest bardzo prosta: tworząc cienką warstwę na powierzchni, cząsteczki oleju oddziałują jedynie z cząsteczkami wody, które są aktualnie przy powierzchni. Są to cząsteczki, które nie są całkowicie otoczone przez inne cząsteczki, dlatego mają możliwość oddziaływać z tłuszczem.
Cząsteczki wody otoczone całkowicie przez inne cząsteczki wody i związane z nimi wiązaniami wodorowymi nie oddziałują z tłuszczem, gdyż wiązanie woda - woda jest znacznie silniejsze niż woda - tłuszcz. Dlatego cząsteczki tłuszczu mają zbyt małą siłę, aby je rozerwać.
Zjawisko opisane powyżej jest wykorzystywane do tworzenia cienkich, monocząsteczkowych warstw tłuszczu na powierzchni wody.
Topnienie powierzchniowe lodu i jazda na łyżwach
Innym ciekawym zjawiskiem związanym z wodą jest jazda na łyżwach. Zjawisko to tłumaczone jest często faktem, iż pod wpływem ciśnienia obniża się temperatura topnienia lodu, przez co znacznie obniża się tarcie pomiędzy łyżwą a powierzchnią lodu.
Jest to zgodne z regułą przekory Le Chateliera, która mówi, iż układ przeciwdziała zmianom parametrów: rosnące ciśnienie jest kompensowane przez stopienie części lodu i zmniejszenie objętości lodu. Efekt ten jest jednak bardzo mały - aby obniżyć temperaturę topnienia lodu o 1°C, potrzeba ciśnienia aż 121 atmosfer.
Trudno wyobrazić sobie, aby łyżwiarz, który waży około 75 kg, był w stanie wywrzeć na powierzchnię lodu tak olbrzymie ciśnienie. Rzeczywiście, proste obliczenia prowadzą do wniosku, iż łyżwiarz jest w stanie wywrzeć na lód ciśnienie około 12 atmosfer, a więc zdecydowanie za mało, aby w znaczący sposób zmienić temperaturę topnienia.
Maksymalne co można osiągnąć, to spadek temperatury topnienia o kilka dziesiętnych części stopnia Celsjusza. Jest to więc zbyt mało aby obniżyć tarcie na powierzchni lód - łyżwiarz do takiego stopnia, aby możliwa była tak szybka jazda.
Co więcej, wszyscy wiedzą iż znacznie lepiej jeździ się na bardzo zmrożonym, szybkim lodzie, o temperaturze znacznie poniżej temperatury topnienia. Lód w temperaturze bliskiej zera stawia znacznie większy opór.
tags: #woda #destylowana #krzepnięcie #zmiany #masy
