Woda

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Ujednoznacznienie Ten artykuł dotyczy związku chemicznego. Zobacz też: inne znaczenia.
Woda
Woda Woda
Woda
Nazewnictwo
Ogólne informacje
Wzór sumaryczny H2O
Inne wzory HOH
Masa molowa 18,02 g/mol
Wygląd lekko jasnoniebieska klarowna ciecz (w małych objętościach wydaje się bezbarwna)
Identyfikacja
Numer CAS 7732-18-5
PubChem 962[3]
Podobne związki
Inne aniony kwasy protonowe (H+A)
Inne kationy wodorotlenki (B+OH)
Podobne związki amoniak
siarkowodór, difluorek tlenu
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą
stanu standardowego (25 °C, 1000 hPa)
Commons Multimedia w Wikimedia Commons
Wikisłownik Hasło woda w Wikisłowniku
Woda na świecie. Niebieski przedstawia oceany i morza otwarte, biały- morza zamknięte i jeziora a szary lądy
Chmury Cumulus humilisskondensowana para wodna
Czterotonowa bryła lodu na plaży w Islandii – woda w stanie stałym
Moneta utrzymująca się na powierzchni wody dzięki napięciu powierzchniowemu
Rozkład ładunku dookoła cząsteczki wody: kolor czerwony – cząstkowy ładunek ujemny, kolor niebieski – cząstkowy ładunek dodatni
Łączenie się cząsteczek wody. Ciągłe – wiązania atomowe, przerywane – wiązania wodorowe.

Woda (tlenek wodoru; nazwa systematyczna IUPAC: oksydan) – związek chemiczny o wzorze H2O, występujący w warunkach standardowych w stanie ciekłym. W stanie gazowym wodę określa się mianem pary wodnej, a w stałym stanie skupienialodem. Słowo woda jako nazwa związku chemicznego może się odnosić do każdego stanu skupienia.

Woda jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem dla substancji polarnych. Większość występującej na Ziemi wody jest „słona” (około 97,38%), tzn. zawiera dużo rozpuszczonych soli, głównie chlorku sodu. W naturalnej wodzie rozpuszczone są gazy atmosferyczne, z których w największym stężeniu znajduje się dwutlenek węgla.

Woda naturalna w wielu przypadkach przed zastosowaniem musi zostać uzdatniona. Proces uzdatniania wody dotyczy zarówno wody pitnej, jak i przemysłowej.

Występowanie wody[edytuj | edytuj kod]

Woda jest jedną z najpospolitszych substancji we Wszechświecie. Cząsteczka wody jest trzecią najbardziej rozpowszechnioną molekułą w ośrodku międzygwiazdowym, po cząsteczkowym wodorze i tlenku węgla[4].

Woda jest bardzo rozpowszechniona także na powierzchni Ziemi. Występuje głównie w oceanach, które pokrywają 70,8% powierzchni globu, ale także w rzekach, jeziorach i w postaci stałej w lodowcach. Część wody znajduje się w atmosferze (chmury, para wodna). Niektóre związki chemiczne zawierają cząsteczki wody w swojej budowie (hydraty – określa się ją wówczas mianem wody krystalizacyjnej). Zawartość wody włączonej w strukturę minerałów w płaszczu Ziemi może przekraczać łączną zawartość wody w oceanach i innych zbiornikach powierzchniowych, nawet dziesięciokrotnie[5].

Woda występująca w przyrodzie jest roztworem soli i gazów. Najwięcej soli mineralnych zawiera woda morska i wody mineralne; najmniej woda z opadów atmosferycznych. Wodę o małej zawartości składników mineralnych nazywamy wodą miękką, natomiast zawierającą znaczne ilości soli wapnia i magnezuwodą twardą. Oprócz tego wody naturalne zawierają rozpuszczone substancje pochodzenia organicznego, np. mocznik, kwasy humusowe itp.

Pochodzenie wody na Ziemi[edytuj | edytuj kod]

  • hipoteza solarnawiatr słoneczny niesie za sobą jądra (atomy) wodoru, które wchodzą w reakcję z tlenem tworząc cząsteczki wody
  • hipoteza geochemiczna – woda wytrąca się z magmy, która wydostaje się na powierzchnię planety i zastyga
  • wodę na Ziemię mogły również przynieść duże obiekty z zewnętrznego Układu Słonecznego (spoza linii śniegu), uderzające w naszą planetę w początkach jej istnienia

Woda na innych ciałach niebieskich[edytuj | edytuj kod]

NASA odkryła wodę na Marsie 31 lipca 2008 roku[6]. Obecność wody (w postaci lodu) na Księżycu w głębi zacienionego krateru została wykazana podczas misji LCROSS 8 października 2009 r. Występowanie znaczących ilości wody na innych ciałach niebieskich nie zostało wykazane, chociaż istnieją pośrednie dowody jej występowania, np. na niektórych księżycach Jowisza.

Właściwości fizyczne wody[edytuj | edytuj kod]

Dla wody zawierającej inne substancje określa się szereg dodatkowych właściwości, np.

Kolor wody[edytuj | edytuj kod]

Lekko niebieski kolor wody wynika z pochłaniania przez nią promieniowania elektromagnetycznego z zakresu światła widzialnego odpowiadającego barwie czerwonej (światło czerwone jest absorbowane przez wodę ok. 100× silniej niż niebieskie[12]). Maksimum silnej absorpcji przypada na 760 nm i ramię tego pasma wchodzi częściowo w zakres widzialny (<700 nm). Obecne są też dwa słabe maksima przy 605 i 660 nm. Pochłaniane promieniowanie powoduje przejścia pomiędzy poziomami oscylacyjnymi, a w efekcie silnie wzbudzone drgania atomów cząsteczek wody. Zachodzenie pasm absorpcji oscylacyjnej na zakres widzialny jest unikalną cechą wody i stanowić może jedyny przypadek takiego źródła barwy substancji. Pozostałe barwne cząsteczki i atomy zawdzięczają swój kolor absorpcji światła widzialnego przez elektrony[10] (barwa może być też wynikiem zjawisk optycznych).

W stanie gazowym pasma absorpcji wody przesunięte są w kierunku światła widzialnego (wyższej częstotliwości), a w stanie stałym w kierunku podczerwieni (niższej częstotliwości), co wynika odpowiednio z osłabienia i wzmocnienia oddziaływań wodorowych. Lód wykazuje także barwę niebieską w świetle przechodzącym, a jego widmo IR jest zbliżone do widma wody ciekłej. Światło przechodzące przez śnieg ma szczególnie intensywnie niebieską barwę w wyniku wielokrotnego rozproszenia[10].

W ciężkiej wodzie (D2O) drgania oscylacyjne przesunięte są znacząco w kierunku podczerwieni (pasmo 760 nm wody znajduje się przy ok. 1000 nm), w wyniku czego ciężka woda jest bezbarwna. Zjawisko to jest jednym z dowodów na poprawność przypisania barwy wody absorpcji oscylacyjnej[10].

Budowa i właściwości chemiczne[edytuj | edytuj kod]

Cząsteczki wody są nieliniowe, a wiązania H–O są silnie spolaryzowane i stąd woda ma trwały moment dipolowy – czyli jest silnie polarna. Kąt między wiązaniami wodór-tlen-wodór (H―O―H) w fazie ciekłej wynosi ok. 105°. W postaci stałej (lodu) kąt między tymi wiązaniami jest równy ok. 108°.

Woda jest najtrwalszym tlenkiem w grupie tlenowców. Jej dysocjacja termiczna

H2O ⇌ H2 + ½O2     ΔE 285,8 kJ/mol

staje się znacząca dopiero w temperaturze kilku tysięcy stopni Celsjusza. Np. w 3200 °C zdysocjowane na pierwiastki jest ok. 30% cząsteczek H2O (dla porównania siarkowodór w temperaturze 1700 °C jest zdysocjowany w ok. 75%)[13].

W fazie ciekłej nieustannie powstają i pękają wiązania wodorowe pomiędzy cząsteczkami wody. Woda ulega łatwej protonacji i deprotonacji od kwasów tworząc jon hydroniowy H3O+. Jon ten również łączy się wiązaniami wodorowymi tworząc kation Zundela H5O2+, kation Eigena H9O4+ i większe aglomeraty. W strukturze krystalicznej wiązania wodorowe nie ulegają zrywaniu i determinują heksagonalny układ krystalograficzny wody. Gdy podda się wodę ciśnieniu większemu niż 3900 MPa, woda zwiększa gęstość do około 1,5 g/cm³ i powstaje lód o temperaturze powyżej 0 °C.

Fala na wodzie po upadku kropli

Autodysocjacja wody[edytuj | edytuj kod]

Information icon.svg Osobny artykuł: Autodysocjacja wody.

W fazie ciekłej woda ulega samoistnej jonizacji zwanej autodysocjacją zgodnie z reakcją:

H2O + H2O ⇌ H3O+ + OH,

tworząc kation, jon hydroniowy i anion, jon wodorotlenowy.

Równowagę autodysocjacji wody opisuje tzw. iloczyn jonowy wody, który w temperaturze 20 °C jest równy ok. 10−14 (zwykle wielkość bezwymiarowa lub mol2/kg2) (zobacz skala pH).

Powstawanie w reakcjach chemicznych[edytuj | edytuj kod]

Woda jest produktem ubocznym wielu reakcji chemicznych, np.

2H2 + O2 → 2H2O
2C2H5OH + 7O2 → 4CO2 + 6H2O
NaOH + HCl → NaCl + H2O
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3↓ + H2O
K2O + H2SO4 → K2SO4 + H2O
  • redukcja wodorem związków chemicznych zawierających tlen, np.
Na2SO4 + 4H2 → Na2S + 4H2O
C2H5OH + HCOOH → HCOOC2H5 + H2O

Znaczenie biologiczne[edytuj | edytuj kod]

Woda jest powszechnym rozpuszczalnikiem związków ustrojowych i niezbędnym uzupełnieniem pokarmu wszystkich znanych organizmów. Uczestniczy w przebiegu większości reakcji metabolicznych, stanowi środek transportu wewnątrzustrojowego, np. produktów przemiany materii, substancji odżywczych, hormonów, enzymów. Reguluje temperaturę. Stanowi płynne środowisko niezbędne do usuwania końcowych produktów przemiany materii. Woda stanowi średnio 70% masy dorosłego człowieka, w przypadku noworodka ok. 15% więcej, 60–70% limfy, 95% osocza krwi, 90% liści, owoców, 20% kości, 10% szkliwa zębów, tkanki tłuszczowej.

W roku 2008 na świecie ok. 1,1 mld ludzi nie miało bezpośredniego dostępu do wody pitnej[14]. Każdego dnia choroby wynikające z niedostatku czystej wody powodują śmierć wielu tysięcy ludzi, głównie dzieci

Znaczenie kulturowe[edytuj | edytuj kod]

W kulturowej symbolice woda jest jednym z żywiołów: czterech w kulturze europejskiej, pięciu w tradycji chińskiej, pięciu w tradycji japońskiej, trzech w tradycji celtyckiej (tu woda jest tylko częścią jednego z żywiołów). Przeciwstawiana jest ogniowi, powietrzu i ziemi (w Europie), ogniowi, metalowi, drewnu i ziemi (w Chinach), ogniowi, powietrzu, ziemi i piorunowi (w Japonii). W tradycji celtyckiej żywioły to ziemia, ogień i sztorm, woda jest częścią tego ostatniego.

Symbolizuje życie, płodność i oczyszczenie (choć bywa także ukazywana jako siła zła, zwłaszcza w przeciwstawieniu wody czystej i brudnej). Woda jest częstym elementem mitów kosmogonicznych. Bywa też uważana za medium ułatwiające przejście z jednego świata do drugiego (w mitologii greckiej Charon przewoził łodzią duszę zmarłego do Hadesu, gdzie pijąc wodę ze źródła Lete zapominała o minionej egzystencji)[15]. W wielu religiach zanurzenie w wodzie symbolizuje oczyszczenie i odrodzenie (por. chrzest).

Rozszerzalność temperaturowa[edytuj | edytuj kod]

Gęstość wody w funkcji temperatury[16][17]
temp. [°C] gęstość [kg/m³]
100   958,4
80   971,8
60   983,2
40   992,2
30   995,7
25   997,0
20   998,2
15   999,1
10   999,7
4,0   999,9720
 999,8
−10   998,2
−20   993,5
−30   983,9
Dane dla temperatur poniżej 0 °C dot. wody przechłodzonej[18]

Woda, jako jedna z niewielu substancji, nie zwiększa swojej objętości monotonicznie ze wzrostem temperatury w całym obszarze występowania w stanie ciekłym, lecz przyjmuje wartość minimalną dla 3,98 °C. W temperaturach niższych od tej wartości objętość wody zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury, co wśród ogółu substancji chemicznych jest anomalią. Zjawisko to spowodowane jest specyficznym kształtem cząsteczki wody oraz istnieniem silnych wiązań wodorowych. Wiązania te nadają wodzie względnie dużą gęstość, a ponadto pękają w obszarze anomalnym, zwiększając nieuporządkowanie wśród cząsteczek, a co za tym idzie, zwiększając również objętość cieczy. Z tego samego powodu objętość wody wzrasta również podczas krzepnięcia – dlatego lód pływa po powierzchni wody, rozsadza naczynia, kruszy spękane skały, niszczy nawierzchnię dróg itp.

Zastosowanie wody[edytuj | edytuj kod]

Jako substancja użytkowa woda ma wiele zastosowań. Najważniejsza jest woda pitna, w gospodarstwach domowych jest używana woda do celów sanitarno-bytowych, w rolnictwie zaś do nawadniania pól. Znaczne ilości wody zużywają zakłady przemysłowe. Woda przemysłowa może służyć jako substancja będąca przekaźnikiem ciepła, magazynująca ciepło lub je odbierająca (substancja chłodząca), poza tym jako reagent, rozpuszczalnik itp.

Woda jest powszechnym i zwykle łatwo dostępnym środkiem gaśniczym. Jej działanie polega głównie na absorpcji ciepła z gaszonego materiału. Dodatkowo para wodna powstająca podczas parowania wody utrudnia dostęp tlenu niezbędnego do podtrzymania dalszego procesu palenia[19].

20% światowych zasobów wody słodkiej (23 000 km³) jest zgromadzone w jeziorze Bajkał

Rodzaje wody[edytuj | edytuj kod]

Rodzaje wody w zależności od czystości i zastosowania (w przybliżeniu w kolejności procesu produkcyjnego):

Rodzaje wody w żywności[edytuj | edytuj kod]

  • woda wolna (niezwiązana): ok. 5–100%
rozpuszczalnik substancji organicznych i związków mineralnych; łatwo wydziela się z produktu pod wpływem czynników zewnętrznych; ma właściwości zbliżone do właściwości wody w rozcieńczonych roztworach soli; powiązana siecią wzajemnych wiązań wodorowych.
  • woda związana (zlokalizowana w bezpośrednim sąsiedztwie substancji rozpuszczonych):
  • woda strukturalna (<0,03%)
jest integralną częścią składników niewodnych; ulokowana w wolnych przestrzeniach makrocząsteczek lub związana w postaci wodzianów.
  • woda związana w postaci monowarstwy (0,1–0,9%)
silnie oddziałuje z grupami polarnymi i zjonizowanymi składników niewodnych
  • woda uwięziona (ok. 5–96%)
o właściwościach wody wolnej, ale uwięziona w niewypełnionych przestrzeniach składników strukturalnych lub w żelach, przez co jej przepływ jest utrudniony[potrzebne źródło].

Zanieczyszczenia[edytuj | edytuj kod]

Klasyfikacja zanieczyszczeń ze względu na:

  • sposób ich usuwania:
    • zanieczyszczenia zawieszone i pływające; usuwane w procesach fizycznych sedymentacji lub filtracji
    • zanieczyszczenia koloidalne – o cząsteczkach wielkości poniżej 100 μm; usuwane w specjalnych procesach, np.ultrafiltracji, koagulacji
    • zanieczyszczenia rozpuszczone – w formie roztworu; usuwane metodami fizykochemicznymi lub metodami chemicznymi.
  • wpływ na zdrowie:
    • związki trujące i szkodliwe
    • związki nieszkodliwe – w zależności od stężenia mogą równocześnie wskazywać na zanieczyszczenie wody
    • związki pożądane dla zdrowia.
  • ich pochodzenie:
    • biologiczne i bakteriologiczne
    • fizyczne
    • chemiczne
    • izotopami pierwiastków promieniotwórczych.

Oczyszczanie[edytuj | edytuj kod]

Woda pokrywa 71% powierzchni Ziemi

biologiczne:

chemiczne:

mechaniczne:

Ciekawostki[edytuj | edytuj kod]

  • Od 1992 r. 22 marca obchodzony jest Światowy Dzień Wody.
  • Inna, technicznie poprawna, ale w praktyce rzadko stosowana nazwa wody – monotlenek diwodoru (ang. dihydrogen monoxide, w skrócie DHMO) – została wykorzystana na potrzeby serii głośnych mistyfikacji.
  • Woda ma charakter kwasowy, ze względu na obecność jonu H+ i jednocześnie zasadowy ze względu na obecność jonu OH-.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Wikiquote-logo.svg
Zobacz w Wikicytatach kolekcję cytatów
o wodzie

Roztwory wodne:

Uwagi

  1. Gęstość wody pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym w zależności od temperatury opisuje wzór[7]:
     q = 1000/[4,074\cdot10^{-6}(t-4)^2 - \frac{0,0104}{\pi}\cos{(\pi(t-4)/104)}+1,0033] [kg/m^3]
    gdzie t – temperatura w °C

Przypisy

  1. Woda (ang.). Karta charakterystyki produktu Sigma-Aldrich dla Stanów Zjednoczonych. [dostęp 2011-05-05].
  2. 2,0 2,1 Woda (ang. • niem.) w bazie IFA GESTIS. Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA). [dostęp 2011-05-05].
  3. Woda – podsumowanie (ang.). PubChem Public Chemical Database.
  4. Sun Kwok: Physics And Chemistry of the Interstellar Medium. University Science Books, 2007. ISBN 1891389467.
  5. Ben Harder: Inner Earth May Hold More Water Than the Seas (ang.). National Geographic News, 2002-03-07. [dostęp 2013-02-17].
  6. Sonda Phoenix potwierdza istnienie wody na Marsie
  7. Krystyna Jeżowiecka-Kabsch, Henryk Szewczyk: Mechanika płynów. Wrocław: Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2001, s. 358.
  8. 8,0 8,1 "Guideline on the Use of Fundamental Physical Constants and Basic Constants of Water", The International Association for the Properties of Water and Steam, Gaithersburg, Maryland, USA, September 2001, (pdf).
  9. Laboratorium z chemii fizycznej. Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH. [dostęp 2012-11-06].
  10. 10,0 10,1 10,2 10,3 Charles L. Braun, Sergei N. Smirnov. Why is water blue?. „Journal of Chemical Education”. 70 (8), s. 612–614, 1993. doi:10.1021/ed070p612 (ang.). 
  11. Robert L, Wolke: Co Einstein powiedział swojemu fryzjerowi. Klub Dla Ciebie, 2002. ISBN 83-88729-93-4.
  12. Martin Chaplin: Water Absorption Spectrum. 2011-11-15 (data ostatniej aktualizacji). [dostęp 2012-03-20].
  13. Adam Bielański: Podstawy chemii nieorganicznej. Wyd. 5. Warszawa: PWN, 2002, s. 601-602. ISBN 83-01-13654-5.
  14. M. Barry, JM. Hughes. Talking dirty--the politics of clean water and sanitation. „N Engl J Med”. 359 (8), s. 784-787, 2008. doi:10.1056/NEJMp0804650. PMID 18716296. 
  15. Vojtech Zamarovský: Bohovia a hrdinovia antických bájí. Bratislava: Perfekt a.s., 1998, s. 258–259. ISBN 80-8046-098-1. (słow.); polskie wydanie: Bogowie i herosi mitologii greckiej i rzymskiej (Encyklopedia mitologii antycznej, Słownik mitologii greckiej i rzymskiej).
  16. CRC Handbook of Chemistry and Physics. Wyd. 88th. Boca Raton: CRC Press, 2008, s. 6-4, 6-5.
  17. Gęstość wody dla temperatur 0...40°C. [dostęp 2014-02-23]. (dane za Bigg, PH. Density of water in SI units over range 0-40 degrees C. „British Journal of Applied Physics”. 18 (4), s. 521-\&, 1967. doi:10.1088/0508-3443/18/4/315. )
  18. CRC Handbook of Chemistry and Physics. Wyd. 88th. Boca Raton: CRC Press, 2008, s. 6-194.
  19. Środki gaśnicze i podręczny sprzęt gaśniczy. Ochotnicza Straż Pożarna w Trześni. [dostęp 2012-11-06].

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

  • M. Overman Woda, PWN, Warszawa 1977.
  • M.L. Biełaja Teoria wody – od wieku XVIII do dziś w: Problemy nr 5/1989.
  • E. Grochowicz, J. Korytkowski Ochrona przyrody i wód cz. 1, WSiP, Warszawa 1996, ISBN 83-02-06010-0.