Kapitola 4.1. Vlastnosti vody | BookOnLime

Popis vlastností vody obvykle začíná popisem anomálií, které jsou vodě vlastní – nejrozšířenější a zároveň nejzáhadnější a nejneobvyklejší látce na Zemi. Navíc téměř každá z těchto anomálních vlastností je důležitá pro zajištění života na Zemi. Neobvyklé vlastnosti vody vynikají zvláště jasně na pozadí vlastností jejích homologů: H 2 S, H 2 Se, H 2 Te. Molekula vody je úplně prvním a nejlehčím zástupcem této homologní řady, nicméně hydridy síry, selenu a teluru jsou při pokojové teplotě na rozdíl od vody v plynném stavu (obr. 23).

A voda, pokud by se jednalo o řadový člen homologní řady, by měla v souladu se svou molekulovou hmotností vařit při teplotě –70 o C a proměnit se v led při teplotě –90 o C, což znamená, že by nemohla být základem života na zemi.

Rýže. 23. Teploty tání a varu hydridů VI. skupiny periodické tabulky prvků

Další vlastností vody je anomální změna hustoty v závislosti na teplotě (obr. 24). V běžných kapalinách hustota vždy klesá s rostoucí teplotou. U vody je charakter změny hustoty v závislosti na teplotě jiný – po roztání ledu se hustota zvětšuje, projde maximem při teplotě 4 o C a s rostoucí teplotou pak klesá.

Rýže. 24. Závislost hustoty vody na teplotě

Kapalná voda má maximální hustotu nikoli při teplotě tání, ale při teplotě 4 o C a její hustota klesá jak s rostoucí teplotou, tak při poklesu na možnou teplotu přechlazení -40 o C (při 1 atmosféře). V tomto případě je hustota vody o 10 % větší než hustota ledu, díky čemuž led plave na hladině vody. Voda při teplotě 4 o C zmenšuje objem na minimální hodnoty a při dalším poklesu teploty ze 4 o C na 0 o C expanduje (obr. 25).

Rýže. 25. Závislost molárního objemu vody a ledu na teplotě

Minimální objem vody při teplotě 4 o C je dán podle G.N. Zatsepiny zvláštností mezimolekulární interakce systému H 2 O, ve kterém je počet mezimolekulárních přechodů protonů roven počtu intramolekulárních. přechody. Voda, měnící se v led, díky nárůstu objemu získává obrovskou sílu, schopnost ničit nejsilnější horniny a zároveň to zachraňuje naši planetu před zaledněním. Vzhledem k tomu, že maximální hustota při 4 o C zabraňuje konvekčnímu promíchávání kapaliny a klesání povrchových vrstev vody zchladlých na teplotu pod 4 o C ke dnu, což zpomaluje další ochlazování a zamrzání nádrží.

Mořská voda se na rozdíl od sladké chová jinak. Přítomnost různých solí mění jeho fyzikálně-chemické vlastnosti. Zamrzá při – 1,9 o C (přechlazená voda) a má maximální hustotu při – 3,5 o C, to znamená, že se promění v led, aniž by dosáhl své největší hustoty. Přechlazená voda, tedy setrvávající v kapalném skupenství pod bodem mrazu 0 o C, se na jedné straně chová zvláštně, při přechlazení se hustota vody velmi snižuje, na druhé straně se však blíží hustotě; ledu, když teplota klesá.

Další anomálií vody je neobvyklé chování její stlačitelnosti, tedy zmenšování objemu s rostoucím tlakem. U běžných kapalin se stlačitelnost zvyšuje s teplotou – při vysokých teplotách jsou kapaliny sypké, mají nižší hustotu a snáze se stlačují. Voda se tak chová při vysokých teplotách nad 50 o C. Při nízkých teplotách od 0 o C do 45 o C se stlačitelnost vody mění opačně, v důsledku toho se při teplotě 45 o C objevuje minimum. Izotermická stlačitelnost vody při teplotě 0 o C je čtyřikrát větší než izotermická stlačitelnost ledu (obr. 26).

Rýže. 26. Závislost stlačitelnosti vody na teplotě

K maximální změně stlačitelnosti dochází při tavení. Stlačitelnost vody a ledu je ve srovnání se stlačitelností jiných látek malá (tab. 4.1.1).

Tabulka 4.1.1. Stlačitelnost řady látek v rozmezí teplot od 5 o C do 30 o C

β s 10, dynů/cm12

Specifické rysy změn stlačitelnosti vody a ledu jsou vysvětleny povahou vodíkových vazeb v nich. Tyto příklady ukazují, že neobvyklé vlastnosti vody jsou charakterizovány výskytem maxim nebo minim v křivkách teplotní závislosti. Takové závislosti znamenají, že probíhají dva protichůdné procesy, které určují tyto vlastnosti. Jedním z procesů je obyčejný tepelný pohyb, který se zvyšuje se zvyšující se teplotou a způsobuje, že voda, jako každá jiná kapalina, je neuspořádanější. Další proces je neobvyklý, jedinečný pro vodu, díky kterému se voda při nízkých teplotách stává uspořádanější. Různé vlastnosti vody jsou na tyto dva procesy různě citlivé, a proto se u každé vlastnosti sleduje poloha extrému při její vlastní teplotě.

Nejsilnější anomálií vody je teplotní závislost její tepelné kapacity. Tepelná kapacita ukazuje, kolik tepla je potřeba ke zvýšení teploty látky o jeden stupeň. Při zahřívání látky se tepelná kapacita zpravidla zvyšuje u všech látek kromě vody. Změna tepelné kapacity vody s rostoucí teplotou je anomální – z 0 o C na 37 o C klesá a od 37 o C do 100 o C se začíná zvyšovat. Tepelná kapacita vodní páry se blíží tepelné kapacitě ledu. Minimální tepelná kapacita vody je asi 37 o C. To je normální teplota lidského těla (36,6–37 o C), při této teplotě probíhají v lidském těle složité biochemické procesy, tedy energeticky se jedná o nejvýhodnější podmínky. U naprosté většiny látek se tepelná kapacita kapaliny po roztavení krystalů mění nevýznamně (tab. 4.1.2).

Tabulka 4.1.2. Tepelná kapacita látek ve třech stavech agregace

Tepelná kapacita látky (C o R , cal/mol)

Když voda roztaví led, jeho tepelná kapacita se zdvojnásobí, tak obrovský skok během tání není pozorován u žádné látky. Tepelná kapacita ledu je velmi nízká, blíží se tepelné kapacitě monatomických krystalů a rovná se tepelné kapacitě tuhého čpavku. Při tavení kovů se tepelná kapacita u látek vyrobených z víceatomových molekul během procesu tavení prakticky nemění, obvykle klesá, což je pravděpodobně způsobeno tím, že molekuly mohou volně rotovat v kapalině, ale nikoli v pevné látce; . U sloučenin, jako je H 2 O a NH 3, je tepelná kapacita v kapalném stavu mnohem větší než v pevném stavu. To znamená, že se ve vodě otevírají některé nové, energeticky náročné procesy, které spotřebovávají dodané teplo, což způsobuje zdání nadměrné tepelné kapacity, a to je typické pro celý teplotní rozsah, ve kterém je voda v kapalném stavu. Tato anomálie zmizí pouze v páře, to je vlastnost kapalné vody. U podchlazené vody se tepelná kapacita při prudkém podchlazení ještě zvýší, to znamená, že podchlazená voda je ještě anomálnější než obyčejná voda. Vysoká tepelná kapacita vody a vysoké měrné teplo tání mezi jednoduchými látkami (led se obtížně tají a voda zmrzne) pomáhají změkčit klima na zemi, nedochází k prudkým změnám teplot v zimě a v létě, v noci a ve dne, protože tam je obří regulátor, jakýsi termostat – vody Světového oceánu .

Další veličinou, která určuje charakter tepelného pohybu v kapalinách, je tepelná vodivost. Závislost změny tepelné vodivosti vody na teplotě je na obrázku 26. Pro srovnání je znázorněna změna tepelné vodivosti tetrachlormethanu, který se chová jako běžná kapalina, to znamená, že s rostoucí teplotou tepelná vodivost klesá a tepelná kapacita se zvyšuje. Jak je vidět z obrázku 27, tepelná vodivost se při tání ledu sníží přibližně čtyřikrát. Přechlazená voda má stejný charakter změny tepelné vodivosti jako obyčejná voda.

Rýže. 27. Závislost tepelné vodivosti vody a tetrachlormethanu na teplotě

Všechny normální kapaliny mění s rostoucím tlakem znaménko závislosti tepelné vodivosti na teplotě. Tepelná vodivost vody nemění charakter teplotní závislosti pod tlakem. Relativní nárůst tepelné vodivosti vody při tlaku 1200 kg/cm 2 je asi 50 %, zatímco u normálních kapalin je toto zvýšení při stejném tlaku přibližně 270 %. Tepelná vodivost vody slabě závisí na tlaku, což je způsobeno nízkou stlačitelností vody ve srovnání s jinými kapalinami.

A nakonec další úžasná vlastnost vody spojená s charakteristikou jejího povrchového napětí. Voda ve volném stavu nabývá kulového tvaru (kapky deště, rosa). Na rozhraní dvou prostředí (voda-vzduch) působí na jedné straně mezimolekulární přitažlivé síly, které stahují k sobě povrch kapaliny. Strukturu povrchové vrstvy vody ovlivňují dva faktory – polarita molekul vody a síť vodíkových vazeb. Povrchové napětí vody je 72 MN/m (milinewton/metr). Toto povrchové napětí je tak vysoké, že dvě skleněné desky navlhčené vodou lze oddělit pouze pomocí obrovských sil. Ze všech známých kapalin jsou síly povrchového napětí vody druhé po rtuti co do velikosti (asi 500 ppm).

Rýže. 28. Závislost smykové viskozity na teplotě pro vodu a tetrachlormethan

Další anomální vlastností vody je její viskozita. Konvenční kapaliny zvyšují svou viskozitu se zvyšujícím se tlakem a snižují se s rostoucí teplotou. Povaha změny viskozity vody je různá. Obrázek 28 ukazuje závislost viskozity na teplotě pro vodu a chlorid uhličitý. Jak je vidět z obrázku, viskozita tetrachlormethanu do teploty asi 23 o C je menší než u vody a při vyšších teplotách je větší než u vody.

Závislost viskozity na tlaku pro různé teploty je znázorněna na obrázku 29, ze kterého vyplývá, že při nízkých teplotách, s rostoucím tlakem do 2000 atm, viskozita vody klesá, a poté začíná stoupat a při teplotě 100 o C křivka má podobný charakter jako závislost pro běžné kapaliny.

Rýže. 29. Závislost smykové viskozity na tlaku pro řadu teplot

Zvýšení viskozity pro ně se zvyšujícím se tlakem je spojeno se snížením volné dráhy molekul, protože při vyšším tlaku jsou hustěji zabaleny. Jak je z uvedených charakteristik vidět, voda je skutečně neobvyklá, anomální kapalina a povaha těchto anomálií spočívá ve zvláštnostech její struktury.