Woda

Woda:
Woda stanowi bardzo ciekawy związek chemiczny. Wiele jej właściwości jest zaskakujących
z punktu widzenia chemii i fizyki, ale dzięki tym właśnie „dziwnym” właściwościom może
pełnić tak ważną rolę w przyrodzie, szczególnie ożywionej. Przestrzenna struktura cząsteczki
wody to atom tlenu z sześcioma elektronami walencyjnymi, występującymi w hybrydyzacji
sp3, tetraedrycznej, przy czym dwa naroża tej piramidy to tzw. wolne pary elektronowe,
zawierające po dwa elektrony (szare orbitale poniżej), a pozostałe dwa elektrony wraz z elektronami atomów wodoru (czerwone) tworzą wiązania. Kąt między wiązaniami to około 105°
a długość wiązania O-H około 0,1 nm.
Tlen jest silnie elektroujemny (O – 3,5; H – 2,2) powodując przesunięcie ładunku ujemnego
wiązań w swoją stronę i wytwarzając tym sposobem dodatni ładunek na wodorach. Tak powstaje dipol cząsteczki wody.
Duży moment dipolowy i możliwość tworzenia wiązań wodorowych powoduje, że woda, choć
ma masę cząsteczkową zaledwie 18, jest w warunkach zbliżonych do normalnych wysokowrzącą cieczą a nie gazem (jak np. metan lub amoniak o podobnej masie czy ditlenek węgla o masie
dwukrotnie wyższej).
H
H O
H
H
O
H H
O
H
H
O
H
O
H O
H
H
O H
H
Na rysunku powyżej, niebieskie, przerywane linie symbolizują wiązania wodorowe pomiędzy
cząsteczkami wody. Taka budowa cząsteczki i przestrzenna struktura wody jest powodem
wysokiej stałej dielektrycznej (ε = 78), wysokiej temperatury wrzenia (100°C) i krzepnięcia
(0°C) oraz wysokiego napięcia powierzchniowego (około 0,07 N/m, czyli średnio trzykrotnie
więcej od innych popularnych cieczy) i stosunkowo dużej lepkości (około 1,0 cP, czyli prawie
tyle, co o czterokrotnie większej masie niepolarny cykloheksan).
Woda jest przypadkiem amfoterycznego elektrolitu, który dysocjując według równania:
H2O + H2O = H3O+ + OHjest jednocześnie i kwasem i zasadą! A jednocześnie jest obojętny. Jest to elektrolit bardzo
słaby, o stałej dysocjacji 10-14, czyli zdysocjowana jest zaledwie w 0,00001%. W chemicznie
czystej wodzie stężenie jonów hydroniowych i wodorotlenowych jest identyczne (to jest
główne kryterium obojętności) i w 25°C wynosi 10-7 (pH=7). Warto pamiętać, że w innych
temperaturach woda ma różne pH (zmienia się od mniej więcej 7,5 w pobliżu zera do 6,2 w pobliżu wrzenia) ale cały czas jest obojętna – pH=7 to nie kryterium obojętności.
Ważną i szczególnie „dziwną” cechą wody jest zależność jej gęstości od temperatury. Wraz
z obniżaniem temperatury gęstość wody rośnie, około +4°C osiąga maksimum (1 g/cm 3),
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. Dzięki temu też, lód pływa po wodzie, dając szanse na
szybsze odtajanie pod wpływem wiosennego słońca zamarzniętych zbiorników i spłynięcia kry
z biegiem wody.
Także wyższe ciepło właściwe wody powoduje, że zbiorniki wodne stanowią rezerwuar
energii cieplnej (taki pogodowy piecyk), łagodząc wpływ energii słonecznej (lub jej braku) na
ziemską przyrodę (nadmiar ciepła ogrzewa oceany i morza, które oddają to ciepło w zimnych
porach roku). Co ciekawe, lód (a więc ta sama woda, tylko o innym usytuowaniu cząsteczek
względem siebie) ma ciepło właściwe dwukrotnie mniejsze.
Wodę chemicznie czystą praktycznie pozyskuje się przez odpowiednie oczyszczenie wód
naturalnych, krążących w przyrodzie.
Prawdziwie czysta woda (chemicznie i fizycznie) spotykana jest bardzo rzadko i jej uzyskanie jest bardzo kosztowne. To, co popularnie nazywamy wodą, często z dodatkiem jakiegoś
przymiotnika to rozcieńczone roztwory wodne przypadkowych, naturalnych substancji bądź
specjalnie preparowane roztwory o określonym składzie. Poniżej opis paru popularnych „wód”.
1. Woda demineralizowana:
Woda oczyszczona przez przepuszczenie surowej wody przez warstwy tzw. wymieniaczy jonowych (jonitów). W trakcie przechodzenia przez warstwę kationitu zostają związane kationy,
a na ich miejsce uwolnione z kationitu odpowiednie ilości jonów wodorowych. Następnie woda
przechodzi przez anionit, gdzie zostają zatrzymane jony ujemne (aniony) a na ich miejsce
uwalniają się z anionitu jony OH-:
Men+ + Kationit-H = Kationit-Me + nH+
An- + Anionit-OH = Anionit-A + nOHSposób dość skuteczny, tani i szybki (szczególnie w porównaniu z destylacją). Nie usuwa
jednak drobnoustrojów, związków niedysocjujących i rozpuszczonych gazów.
2. Woda destylowana:
Woda oczyszczona przez przeprowadzenie w stan pary i ponowne skroplenie. Wysoka temperatura wrzenia wody powoduje, że zostaje ona tym sposobem oczyszczona nie tylko z nielotnych
zanieczyszczeń, ale także bakterii i innych drobnoustrojów. Minusem jest dość wysoki koszt
takiego oczyszczania.
Ponieważ zdarza się, że przy energicznym wrzeniu porywane są z cząsteczkami pary także
niektóre zanieczyszczenia, lepszy skutek daje podwójna destylacja (woda redestylowana). Dla
uzyskania szczególnej czystości drugą destylację prowadzi się z aparatury wykonanej ze szkła
kwarcowego.
3. Woda pitna:
Niskomineralna, oczyszczona, bez zapachu, o odpowiedniej czystości bakteriologicznej. Odpowiadająca normom zdrowotnym i organoleptycznym. Gdy zawiera większe stężenia soli
wapnia i magnezu – twarda, przy mniejszych ilościach – miękka.
4. Woda mineralna:
Woda o dużej zawartości soli nieorganicznych, często o charakterze leczniczym, pochodząca
z naturalnych źródeł. Poszczególne źródła zawierają wodę (roztwór) o charakterystycznym
składzie. Woda mineralna lecznicza, nadużywana lub używana niewłaściwie, może być
przyczyną zaburzeń w organizmie.
5. Woda sodowa:
Woda pitna nasycona tlenkiem węgla(IV) CO 2 pod ciśnieniem (niewielkim). Ponieważ źródłem
ditlenku węgla bywała „soda oczyszczona”, czyli wodorowęglan sodu (do dziś stosowany w tabletkach musujących w farmacji) – stąd nazwa.
6. Woda utleniona:
H
O
O H
+
+
+
–
Paroprocentowy roztwór nadtlenku wodoru H-O-O-H (najczęściej 3%) w „zwykłej” wodzie.
Łagodny środek utleniający i odkażający. Obie funkcje związane z wydzieleniem, pod
wpływem enzymów lub temperatury, atomowego tlenu (in statu nascendi), bardzo aktywnego
chemicznie:
H2O2 = H2O + O
Sam nadtlenek wodoru jest cieczą o konsystencji syropu, d=1,45 g/cm 3; temperaturze topnienia
-1°C i temperatura wrzenia 153°C. Stosowany jako składnik paliw rakietowych.
Roztwór 40% nosi nazwę perhydrolu.
7. Ciężka woda:
Tlenek deuteru, czyli izotopu wodoru o liczbie masowej 2. Deuter występuje w naturalnym
rozpowszechnieniu w bardzo małej ilości. Ciężka woda znajduje zastosowanie jako moderator
(spowalniacz neutronów) w reaktorach jądrowych i jako specyficzne rozpuszczalnik w analitycznej technice magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) oraz w badaniu mechanizmów
reakcji. Fizycznie i chemicznie podobna do wody. Temperatura topnienia około 4°C, temperatura wrzenia 101°C. Największa gęstość w 11°C – 1,1 g/cm 3. Różnice w stosunku do
„zwykłej” wody spowodowane są większą masą cząsteczkową – 20u w stosunku do 18u wody
„zwykłej”.
8. Woda siarkowodorowa:
Nasycony roztwór H2S – siarkowodoru, stężenie około 0,1M. Ma charakter bardzo słabego
kwasu o K1=10-7 i K2=10-13. pH ~3. Stosowana zamiast siarkowodoru w różnych reakcjach
(analiza kationów, strąca siarczki metali). Łatwiejsza i bezpieczniejsza w stosowaniu od gazowego siarkowodoru. Zapach zgniłych jaj, sam siarkowodór jest bardzo silnie toksyczny.
9. Woda wapienna:
Roztwór powstały nad tlenkiem wapnia (wapno palone CaO) po zalaniu wodą. Powstaje
wówczas bardzo słabo rozpuszczalny wodorotlenek wapnia Ca(OH)2 – nierozpuszczalny osad
nosi nazwę „wapno gaszone”. Nasycony roztwór Ca(OH)2 na wapnem gaszonym to woda
wapienna (około 0,1%). Stosowana przy leczeniu oparzeń. Odczyn zasadowy, pH około 11.
10. Woda barytowa:
Nasycony wodny roztwór (około 4%) wodorotlenku baru Ba(OH) 2. Odczyn silnie zasadowy.
Stosowana w analizie chemicznej do wykrywania i oznaczania jonów siarczanowych i węglanowych, z którymi bar tworzy nierozpuszczalne sole. Minerał siarczan wapnia BaSO 4 nazywa
się baryt.
11. Woda bromowa:
Nasycony roztwór bromu w wodzie Br2, ma kolor jasnobrązowy (ze względu na barwę
bromu – brązowobrunatnej cieczy). Wytrząsana z ciekłym węglowodorem nienasyconym
odbarwia się, gdyż brom zostaje przyłączony (reakcja addycji) do wiązań wielokrotnych, a że
jego stężenie w wodzie jest niewielkie (~3,5%; 0,25M Br 2), najczęściej następuje całkowite
odbarwienie warstwy wodnej.
Zostaje odbarwiona również przez aldozy, służy do odróżnienia ketoz (nie ulegają reakcji
z woda bromową) od aldoz. W tej reakcji występuje jako utleniacz, redukując się do Br-.
12. Woda chlorowa:
Wodny roztwór gazowego chloru Cl2 (0,1M; 0,5%). Dodana do roztworu bromków lub jodków
powoduje wyparcie ich z soli i przeprowadzenie jonów w postać pierwiastkową (reakcje
redoks):
Cl2 + 2KBr = 2KCl + Br2 aq
Powstające żółte (Br2) lub brunatne (I2) zabarwienie pozwala przy pomocy tej reakcji wykrywać w roztworach obecność jonów tych fluorowców.
Stosowana także jako środek dezynfekujący wodę (chlorowanie wody pitnej lub np. w basenach pływackich).
13. Woda amoniakalna:
Wodny roztwór amoniaku NH3 (do 25% NH3). Przyjmuje się dla uproszczenia, że jest to
roztwór wodorotlenku amonu NH4OH, co nie jest pełną prawdą. Jest to raczej addukt NH 3·H2O
będący w równowadze z niewielką ilością jonów NH 4+ i OH-. Wygodniej jest jednak (dla
obliczeń i przewidywania skutków reakcji) uważać ją za roztwór wodorotlenku amonu,
ponieważ w czasie reakcji z tymi niewielkimi ilościami wodorotlenku (np. zobojętnianie)
usuwany wodorotlenek powoduje przesuwanie równowagi w kierunku jego tworzenia
i w rzeczywistości roztwór zachowuje się tak, jakby był roztworem wodorotlenku amonu.
Stosowana jako odczynnik w analizie (z podobnych względów co woda siarkowodorowa).
Odczyn zasadowy (pH 10-11), ostry, gryzący zapach amoniaku, ciecz bezbarwna.
14. Woda królewska:
Mieszanina kwasu azotowego i kwas solnego w stosunku 1:3. Jest to doskonały rozpuszczalnik,
roztwarzający większość metali. Nazwa wzięła się stąd, że jest ona w stanie „rozpuścić”
(roztworzyć, przeprowadzić do roztworu w postaci związku chemicznego!) nawet "królewski"
metal - złoto. Swą aktywność zawdzięcza obecności wolnego chloru i chlorku nitrozylu bardzo silnych utleniaczy:
3HCl + HNO3 = Cl2 + NOCl + 2H2O