Woda to związek szczególny – nie tylko dlatego, że jest konieczna

Woda to związek szczególny – nie tylko dlatego, że jest konieczna do praktycznie wszelkich reakcji
zachodzących w organizmach żywych, ale także ze względu na swoje właściwości tak fizyczne, jak
i chemiczne.
Masa cząsteczkowa wody wynosi 18 u. Wszelkie inne substancje o masie cząsteczkowej
zbliżonej do masy cząsteczkowej wody, a nawet także o masie znacząco większej, są w warunkach
pokojowych gazami (amoniak – 17 u; metan – 16 u; ditlenek węgla – 44 u; chlorowodór – 36,5 u
itp.) natomiast woda jest cieczą wrzącą w temperaturze 100° C. Ciecze o podobnej temperaturze
wrzenia mają zazwyczaj masę cząsteczkową zbliżoną do 100 u. Ten „nienormalny” stan skupienia
wody, jak i inne zaskakujące właściwości, biorą się z jej budowy.
Przestrzenna struktura cząsteczki wody to atom tlenu (na rysunku poniżej zielony) połączony
z dwoma atomami wodoru (czerwone). Z sześciu elektronów walencyjnych tlenu, dwa są zaangażowane w tworzenie dwóch wiązań z atomami wodoru, a pozostałe cztery to tzw. wolne pary
elektronowe, zawierające po dwa elektrony (szare symbole na rysunku poniżej). Kąt między
wiązaniami (orbitalami) to około 105°
Ze względu na umieszczenie aż czterech elektronów po jednej stronie atomu tlenu i różnicy
elektroujemności między atomami tlenu i wodoru (O – 3,5; H – 2,2) w cząsteczce wody następuje
przesunięcie ładunku ujemnego w stronę tlenu i wytworzenie tym sposobem dodatniego ładunku na
atomach wodoru. Tak powstaje dipol cząsteczki wody. Taka struktura cząsteczki wody umożliwia
łatwe tworzenie tzw. wiązań wodorowych, czyli dość słabych (jak na wiązania), ale skutecznych
oddziaływań między atomami wodoru jednej cząsteczki a atomem tlenu innej.
niebieskie, przerywane linie symbolizują wiązania wodorowe między cząsteczkami wody
Taka budowa cząsteczki i związana z tym przestrzenna struktura wody, będąca wynikiem oddziaływań typu wiązania wodorowe, jest powodem wysokiej temperatury wrzenia i wysokiego napięcia
powierzchniowego (średnio trzykrotnie większego od innych popularnych cieczy) oraz stosunkowo
dużej lepkości. Wielkość sił wiązań wodorowych cząsteczek wody (tzw. napięcia powierzchniowego) poznał każdy, kto choć raz przy skoku do wody „plasnął” płasko brzuchem w taflę wody.
Rozerwanie wielu wiązań międzycząsteczkowych na dość dużej powierzchni przepłacił zapewne
obolałym brzuchem i zaczerwienioną skórą.
Polarne cząsteczki wody oddziałują nie tylko między sobą, ale także z innymi cząsteczkami,
z którymi się stykają (np. ściankami naczynia). Suma sił oddziaływań między cząsteczkami wody
oraz między cząsteczkami wody i ściankami naczynia (szczególnie, jeśli te ostatnie też są polarne)
powoduje zjawisko samoistnego wędrowania wody i wodnych roztworów w górę rurek kapilarnych, np. naczyń w roślinach, dzięki czemu rośliny mogą „zasysać” wodę z gleby i „podawać” ją
w wyższe rejony roślin.
Także tworzenie się kropel wody spowodowane jest istnieniem sił spójności wody. Jeśli te siły są
dużo większe od sił oddziaływania cząsteczek wody z podłożem, na takim podłożu powstanie
kropla o kształcie zbliżonym do kuli (podłoża hydrofobowe, np. plastik, powierzchnie tłuste). Jeśli
oddziaływanie cząsteczek wody z podłożem jest silne, kropla rozleje się w plamę wody (podłoża
hydrofilowe, polarne).
Ważnym i niespotykanym w innych cieczach zjawiskiem jest zależność gęstości wody od temperatury. Wraz z obniżaniem temperatury gęstość wody rośnie (tak jak w innych cieczach), około
+4°C osiąga maksimum (1 g/cm3) zaś dalsze obniżanie temperatury powoduje spadek gęstości
(wzrost objętości), co jest powodem pękania rur wodociągowych w zimie, ale także naturalnego
kruszenia skał, a co najważniejsze opadania cieplejszej wody (4°C) na dno i zamarzanie zbiorników
wodnych od powierzchni, bo tam gromadzi się zimna (0°C) woda. Dzięki temu życie biologiczne
zbiorników wodnych ma szanse przetrwania zimy. Ta różnica gęstości powoduje też, że lód pływa
po wodzie, dając szanse na szybsze odtajanie pod wpływem wiosennego słońca zamarzniętych
zbiorników i spłynięcia kry z biegiem wody.
Z punktu widzenia chemii woda jest przypadkiem elektrolitu, który dysocjując według równania:
H2O + H2O = H3O+ + OH–
jest jednocześnie kwasem (oddysocjowuje jako kation jon wodorowy H +, dając jon hydroniowy
H3O+) i wodorotlenkiem (jako anion w tej dysocjacji występuje grupa wodorotlenowa OH–).
Jest to elektrolit bardzo słaby, o stałej dysocjacji K=10-14, co oznacza, że jej stopień dysocjacji
wynosi zaledwie a=0,00001%. W chemicznie czystej wodzie stężenie jonów hydroniowych
i wodorotlenowych jest identyczne i w 25°C wynosi [H 3O+]=[OH–]=10-7 mol/dm3 (pH=7). Warto
pamiętać, że w różnych temperaturach woda ma różne pH (zmieniające się od wartości mniej
więcej 7,5 w pobliżu zera, do 6,2 w pobliżu temperatury wrzenia (100°C), ale cały czas jest obojętna; kryterium obojętności nie jest wartość pH=7, lecz równość stężeń jonów hydroniowych
i wodorotlenowych w roztworze).
Czysta chemicznie woda jest obojętna ([H3O+]=[OH–]), natomiast roztwory wodne różnych
substancji mogą być obojętne, kwaśne lub zasadowe:
• obojętne są roztwory soli będących silnymi elektrolitami (tzn. dysocjującymi w 100%
a powstałymi z kationu silnego wodorotlenku i anionu silnego kwasu – tzw. reszty kwasowej; np. Na2SO4, KNO3, NaCl itp.);
• kwaśne są roztwory elektrolitów, które jako kation odłączają jon H+ (kwasy silne i słabe);
wówczas w roztworze powstaje nadmiar jonów hydroniowych H 3O+ w stosunku do stężenia jonów wodorotlenowych [OH–] i roztwór ma odczyn kwaśny (pH<7 w temperaturze
20°C);
• zasadowe są roztwory wodne wodorotlenków, czyli substancji rozpadających się w czasie dysocjacji na kation metalu i anion wodorotlenowy OH–; wówczas w roztworze powstaje większe stężenie jonów OH– niż H3O+ i dla takiego roztworu pH>7 (w temperaturze 20°C);
Także roztwory niektórych soli mogą być kwaśne lub zasadowe. Chodzi tu o sole, które są zbudowane z:
–
kationu silnego wodorotlenku i anionu słabego kwasu, np. Na2S powstały z silnego
wodorotlenku sodowego NaOH i bardzo słabego kwasu siarkowodorowego H 2S; roztwory takich soli mają odczyn zasadowy;
–
kationu słabego wodorotlenku i anionu silnego kwasu, np. AlCl3 powstały ze słabego wodorotlenku glinu Al(OH)3 i silnego kwasu chlorowodorowego HCl; roztwory
takich soli mają odczyn kwaśny;
–
kationu słabego wodorotlenku i anionu słabego kwasu, np. Al2S3.
Bardzo ogólnie można powiedzieć, że chodzi tu o wszystkie sole poza tymi, które są zbudowane
z kationów silnych wodorotlenków i anionów silnych kwasów.
Sole tych trzech wymienionych wyżej typów po rozpuszczeniu reagują z wodą (a dokładniej
z jonami H3O+ lub OH– powstałymi z jej dysocjacji: H2O + H2O = H3O+ + OH–) a taką reakcję
nazywamy hydrolizą. Dla dwóch pierwszych przykładów mamy równania reakcji hydrolizy:
Na2S + 2H3O+ + 2OH- —> 2Na+ + H2S + 2OH- + 2H2O
AlCl3 + 3H3O+ + 3OH- —> Al(OH)3 + 3H3O+ + 3ClW pierwszym przykładzie Na2S dysocjuje w roztworze na 2Na+ i S2-, jony siarczkowe S2- wiążą jony
wodorowe w bardzo słaby kwas siarkowodorowy H2S (praktycznie niezdysocjowany) i jony wodorotlenowe pozostają w nadmiarze w stosunku do hydroniowych, dając odczyn zasadowy roztworu;
W drugim przykładzie następuje dysocjacja soli na jony glinowe Al 3+ i chlorkowe 3Cl-, jony glinu
wiążą jony wodorotlenowe w praktycznie niezdysocjowany wodorotlenek glinu i w roztworze
pozostają w nadmiarze (w stosunku do jonów wodorotlenowych) jony hydroniowe – odczyn
roztworu kwaśny.
Najciekawszy jest przykład trzeci. Tu następuje początkowo dysocjacja siarczku glinu na jony
glinowe i siarczkowe:
Al2S3 = 2Al3+ + 3S2następnie jon glinowy daje z jonami wodorotlenowymi wodorotlenek glinu:
2Al3+ + 6H3O+ + 6OH- ––> 2Al(OH)3 + 6H3O+
jon siarczkowy zaś, reagując z jonem hydroniowym, daje słabo zdysocjowany H2S:
3S2- + 6H3O+ + 6OH- —> H2S + 6OH- + 6H2O
Z powyższych zapisów można by wyciągnąć wniosek, że roztwór powinien być obojętny –
powstało przecież tyle samo jonów hydroniowych w pierwszej reakcji co wodorotlenowych
w drugiej. W praktyce jednak zarówno wodorotlenek glinu, jak i kwas siarkowodorowy są minimalnie zdysocjowane, a ponieważ wodorotlenek glinu zdysocjowany jest nieco silniej, roztwór
będzie miał odczyn bardzo słabo zasadowy.
Jako ciekawostkę można podać, że istnieje sól tego typu dająca roztwór wodny praktycznie
obojętny. Jest to octan amonu CH3COONH4, sól powstała ze słabego kwasu octowego i słabego
wodorotlenku amonu. A ponieważ zarówno kwas octowy, jak i wodorotlenek amonu mają
identyczną stałą dysocjacji (taką samą „moc”) hydroliza w identyczny sposób zmienia stężenia
jonów hydroniowych co i wodorotlenowych i roztwór pozostaje obojętny ([H3O+] = [OH–]).