Prawie wszystko o wodzie.
Biblia w Księdze Rodzaju opisującej stworzenie świata mówi o Bogu (Duchu Pańskim) unoszącym się nad wodami, o oddzieleniu wód od lądu, wodach ponad firmamentem ziemi, wodach podziemnych. Wielu współczesnych geologów, astrofizyków i biologów odrzucających kreacjonizm uważa, że gdy tworzył się Układ Słoneczny, młoda, formująca się z gwiezdnego pyłu Ziemia była nieustannie przez miliony lat bombardowana przez komety, które przyniosły wodę będącą ich składnikiem rozbijając się o magmową powierzchnię naszej martwej jeszcze wówczas planety.
Woda znana chemicznie jako H₂O jest jedną z najważniejszych substancji na Ziemi ze względu na swoje unikalne właściwości molekularne, które wynikają głównie z jej polarności i zdolności do tworzenia wiązań wodorowych. Te właściwości sprawiają, że woda odgrywa kluczową rolę w procesach biologicznych, chemicznych i geologicznych, a także ma fundamentalne znaczenie dla życia na naszej planecie.
Struktura molekularna wody
Struktura molekularna wody jest dość specyficzna, stąd również cząsteczka wody ma strukturę kątową z kątem wiązania H-O-H wynoszącym około 104,5°. Taki kształt jest wynikiem odpychania się par elektronowych wokół atomu tlenu – taki rozkład ładunków nie jest symetryczny. Masa jednej cząsteczki wody wynosi około 2,99×10−23 gramów.
Ryc. 1. Wzór strukturalny cząsteczki wody. Źródło: www.zpe.gov.pl
Woda jest również cząsteczką polarną, dzięki czemu ma zdolność do tworzenia wiązań wodorowych, ponieważ atom tlenu ma większą elektroujemność niż atomy wodoru. Powoduje to nierównomierny rozkład ładunku i tworzenie się dipolu. Cząsteczka wody (H₂O) jest klasycznym przykładem dipola elektrycznego. Woda ma znaczący moment dipolowy, co oznacza, że posiada dwa bieguny – dodatni (przy atomach wodoru) i ujemny (przy atomie tlenu). Moment dipolowy wody wynosi około 1.85 Debye’a.
Ryc. 2. Budowa cząsteczki wody: wzór elektronowy kropkowy (a), wzór elektronowy kreskowy (b), rodzaje par elektronowych w cząsteczce wody i wielkość kąta pomiędzy wiązaniami (c). Źródło: www.zpe.gov.pl
Dipol to układ dwóch różnoimiennych ładunków elektrycznych oddzielonych pewną odległością. W cząsteczce wody atom tlenu ma większą elektroujemność niż atomy wodoru, co oznacza, że przyciąga on pary elektronów bardziej niż wodory. Zatem elektrony w wiązaniach O-H są bardziej przyciągane do atomu tlenu, co nadaje mu częściowy ładunek ujemny (δ-) i pozostawia atomy wodoru z częściowym ładunkiem dodatnim (δ+).
Właściwości dipolowe
Dzięki swojej polarności woda ma zdolność do tworzenia wiązań wodorowych. Każda cząsteczka wody może tworzyć cztery wiązania wodorowe (dwa poprzez atomy wodoru i dwa przez wolne pary elektronowe tlenu). Wiązania te są odpowiedzialne za wiele wyjątkowych właściwości tego związku.
Dipolowe właściwości cząsteczki wody sprawia, że ma ona stosunkowo wysoką temperaturę wrzenia (100°C) i topnienia (0°C) w porównaniu do innych cząsteczek o podobnej masie molowej. Jest to wynikiem obecności wspomnianych powyżej wiązań wodorowych, które wymagają znacznej ilości energii do zerwania.
Woda ma także wysokie ciepło parowania, co oznacza, że absorbuje ona dużo energii podczas parowania, a to z kolei pomaga regulować temperaturę ciała u organizmów żywych poprzez pocenie się. Cechuje ją także wysokie ciepło właściwe (ok. 4.18 J/g·°C), co pozwala jej stabilizować temperaturę w środowisku naturalnym i w organizmach.
Cząsteczki wody mają stały dipol elektryczny, co sprawia, że woda może oddziaływać z polami elektrycznymi i magnetycznymi. Czysta woda jest słabym przewodnikiem elektryczności, ale jej zdolność do rozpuszczania elektrolitów czyni ją przewodnikiem, gdy zawiera rozpuszczone sole.
Co to jest anomalna ekspansja wody?
Swoją maksymalną gęstość woda osiąga w temperaturze około 4°C. Poniżej tej temperatury, woda zaczyna się rozszerzać. Ta specyfika wiązań wodorowych w wodzie sprawia, że w temperaturach powyżej 4°C, cząsteczki wody zbliżają się do siebie w miarę ochładzania, co jest typowe dla większości substancji. Jednak woda posiada wiązania wodorowe, które powodują, że w miarę spadku temperatury poniżej 4°C, jej cząsteczki zaczynają się układać w bardziej uporządkowaną strukturę przypominającą lód. W temperaturach bliskich zamarzania, cząsteczki wody tworzą sześciokątną sieć krystaliczną, charakterystyczną dla lodu. Ta struktura wymaga więcej przestrzeni, co skutkuje rozszerzeniem objętości wody.
Dzięki anomalnej ekspansji wody, lód unosi się na powierzchni wody, tworząc izolacyjną warstwę, która chroni życie wodne w zimnych klimatach. Bez tego zjawiska, jeziora i rzeki mogłyby zamarzać do dna, co byłoby katastrofalne dla organizmów żyjących w tych środowiskach. Ponadto anomalna ekspansja wody wpływa również na klimat i pogodę, ponieważ tworzenie lodu i jego topnienie odgrywają kluczową rolę w regulacji temperatur na Ziemi. Zjawisko anomalnej ekspansji wody jest uwzględniane w inżynierii i budownictwie, zwłaszcza w klimatach, gdzie temperatura może spadać poniżej 0°C, co pomaga zapobiec uszkodzeniom rur i innych struktur.
Doskonały i uniwersalny rozpuszczalnik
Ze względu na swoją zdolność do rozpuszczania wielu substancji chemicznych woda jest znana jako „uniwersalny rozpuszczalnik”. Jej polarność umożliwia tworzenie interakcji z jonami i innymi polarnymi cząsteczkami, co sprawia, że jest kluczowym medium w wielu reakcjach chemicznych i procesach biologicznych.
Dzięki wiązaniom wodorowym woda ma wysokie powierzchniowe napięcie, co pozwala na tworzenie się kropli i umożliwia niektórym organizmom (np. nartnikom) chodzenie po jej powierzchni. Woda ma także zdolność do wspinania się w wąskich rurkach (kapilarach) dzięki kombinacji sił adhezji i kohezji. To zjawisko, nazywane kapilarnością, jest kluczowe dla transportu wody w roślinach.
Zapotrzebowanie wodne drzew na podstawie przykładu kasztanowca i dębu
Drzewa mają różne zapotrzebowanie na wodę w zależności od ich wieku, wielkości, warunków glebowych, klimatycznych i sezonowych.
Kasztanowiec (Aesculus hippocastanum) to duże drzewo, które może osiągnąć znaczne rozmiary, co wpływa na ilość wody, jaką może pobierać. Duże drzewa, jak na przykład stuletnie kasztanowce, mogą zużywać znaczne ilości wody. Szacuje się, że mogą one pobierać od 200 do 400 litrów wody dziennie, przy czym ilość wody pobieranej przez drzewo zależy od różnych czynników, takich jak dostępność wody w glebie, temperatura, wilgotność powietrza, typ gleby i warunki atmosferyczne.
Dęby to długowieczne drzewa, które mogą osiągać wiek kilkuset lat (nawet pod tysiąc), a ich system korzeniowy oraz zapotrzebowanie na wodę rozwijają się odpowiednio do ich wielkości i stanu zdrowia. System korzeniowy dębów jest bardzo rozległy, co powoduje, że jest on bardzo ekspansywnym drzewem, w czym pomagają mu również jego rozkładające się liście bogate w garbniki.
Podobnie jak w przypadku kasztanowca, zapotrzebowanie wodne dębu (Quercus robur) może być znaczące, szczególnie gdy kilkusetletnie drzewo osiąga swój zaawansowany wiek, a wraz z nim i rozmiar. Szacuje się, że wielowiekowy dąb pobiera od 500 do nawet 1000 litrów wody dziennie, zwłaszcza w sezonie wegetacyjnym i w ciepłych klimatach
Woda utleniona
Woda utleniona, to popularna nazwa wodnego roztworu nadtlenku wodoru. Jest to bezbarwna ciecz, która wykazuje właściwości utleniające, dzięki czemu znajduje szerokie zastosowanie w medycynie, kosmetyce oraz wielu dziedzinach przemysłu.
Ryc. 3. Budowa cząsteczki wody utlenionej (nadtlenku wodoru).
Woda utleniona składa się z dwóch atomów wodoru i dwóch atomów tlenu (H₂O₂), dzięki czemu jest silnym utleniaczem, co oznacza, że może przekazywać tlen innym substancjom chemicznym i że łatwo rozkłada się na wodę (H₂O) i tlen (O₂), zwłaszcza w obecności światła lub katalizatorów takich jak metale ciężkie.
Co ciekawe, woda utleniona występuje również w przyrodzie, choć w małych ilościach i zazwyczaj jako skutek różnych procesów chemicznych i biologicznych. Powstaje w atmosferze w wyniku reakcji fotochemicznych, w których uczestniczą promienie UV, tlen i para wodna – jako część procesu tworzenia ozonu i innych utleniaczy atmosferycznych. Niewielkie ilości H₂O₂ mogą być również obecne w opadach atmosferycznych, takich jak deszcz czy śnieg, w wyniku rozpuszczania gazów atmosferycznych. Może być obecna w wodach powierzchniowych jako produkt reakcji fotochemicznych i biologicznych. Mikroorganizmy w wodzie mogą produkować nadtlenek wodoru jako produkt uboczny metabolizmu. W oceanach, podobnie jak w wodach słodkich, nadtlenek wodoru może powstawać na skutek reakcji fotochemicznych na powierzchni wody oraz dzięki aktywności biologicznej.
Nadtlenek wodoru jest produkowany w komórkach organizmów żywych, w tym roślin i zwierząt, jako produkt uboczny procesów metabolicznych, zwłaszcza tych związanych z oddychaniem komórkowym. W organizmach nadtlenek wodoru jest neutralizowany przez enzymy takie jak katalaza i peroksydaza. Ponadto niektóre rośliny i mikroorganizmy produkują H₂O₂ jako część mechanizmu obronnego przeciwko patogenom.
Nadtlenek wodoru odgrywa rolę w sygnalizacji komórkowej i regulacji biologicznej w organizmach. Pomaga w odpowiedzi na stresy oksydacyjne i infekcje. Uczestniczy w procesach utleniania i redukcji, wpływając na cykle biogeochemiczne różnych pierwiastków w środowisku.
Woda utleniona ma wiele zastosowań przez człowieka. Jest powszechnie używana do dezynfekcji ran i skaleczeń. Jej działanie polega na uwalnianiu tlenu, który niszczy bakterie. Stosuje się ją w rozcieńczonej formie jako środek do płukania ust w celu zabicia bakterii i odświeżenia oddechu. Dzięki jej zdolności do utleniania pigmentów używana jest w kosmetyce do rozjaśniania włosów. W przemyśle woda utleniona jest używana do bielenia papieru i tkanin oraz wykorzystywana do dezynfekcji i oczyszczania wody pitnej i ścieków.
Woda utleniona dostępna w aptekach zwykle ma stężenie 3%. W zastosowaniach przemysłowych mogą być używane wyższe stężenia, dochodzące nawet do 30% i więcej. Należy jednak zachować ostrożność przy stosowaniu wody utlenionej, zwłaszcza przy wyższych stężeniach, ponieważ może ona powodować podrażnienia skóry i błon śluzowych, a także jest silnie drażniąca dla oczu. Przy stosowaniu wysokich stężeń konieczne jest stosowanie odpowiednich środków ochrony osobistej.
Marek Skowroński
Poniżej zamieszczamy dwa ciekawe, krótkie artykuły naukowe dotyczące badań nad wodą
Obserwuj kwantowe właściwości wody:
mogą one wyjaśnić jej dziwaczność
Francesco Paolo Giumetti
tłumaczenie: Marek Skowroński
Jak donosiła prasa naukowa w 2021 roku, zespół naukowców po raz pierwszy zaobserwował kwantowe właściwości wody, pogłębiając nasze zrozumienie tego niezwykłego związku chemicznego, który ma fundamentalne znaczenie dla życia na Ziemi.
Woda ma właściwości chemiczno-fizyczne, które pozwalają na wiele niezwykle różnorodnych zjawisk, takich jak wysokie napięcie powierzchniowe i wysoka temperatura wrzenia. Właściwości te są wyłączne w gąszczu związków chemicznych w stanie ciekłym i wynikają ze struktury molekularnej wody, składającej się z jednego atomu tlenu i dwóch atomów wodoru, ułożonych w kształt litery „V”. W ten sposób powstają dwie różne polaryzacje między dwoma atomami wodoru (ładunek dodatni), umieszczonymi na końcach cząsteczki, a atomem tlenu (ładunek ujemny) znajdującym się na wierzchołku.
Jednak siłą, która najbardziej wskazuje na wyjątkowe właściwości fizyczne wody i która była przedmiotem badania opublikowanego w czasopiśmie Nature, jest tak zwane wiązanie wodorowe, które generuje przyciąganie między cząsteczkami wody o znacznie większej intensywności niż w innych cieczach. W badaniu przeprowadzonym przez międzynarodowy zespół badawczy ze Stanford Linear Accelerator Centre (Slac) przeanalizowano zachowanie wiązań utworzonych między cząsteczkami wody, wykorzystując wiązki elektronów o wysokiej energii (MeV-UED) do obserwacji układu atomów podczas ruchu cząsteczek wodoru i tlenu. Następnie stosując metodę obrazowania wiązań uzyskano obraz o wysokiej rozdzielczości przedstawiający „drżenia” spowodowane wiązaniem wodorowym,
Kelly Gaffney, fizyk z Slac, skomentował wynik następująco: To badanie jest pierwszym, które bezpośrednio pokazuje, że reakcja wiązań wodorowych na impuls energetyczny zależy w przeważającej mierze od kwantowo-mechanicznej natury odstępów między atomami wodoru, która jest przede wszystkim odpowiedzialna za niezwykłe właściwości wody.
Naukowcy dodają, że eksperyment stanowił nową technikę badania kwantowej natury wiązań wodorowych, kładąc podwaliny pod badania cząsteczki H₂O na dużą skalę.
Zaskakująca woda: odkryto nową właściwość podstawowej cząsteczki życia
Aurelio Sanguinetti
tłumaczenie: Marek Skowroński
Najnowsze doniesienia z 5 sierpnia br. na temat badań wody, prowadzone przez zespół naukowców z SISSA i Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics w Trieście odkryły dziwne właściwości elektryczne wody, których nigdy wcześniej nie zaobserwowano.
Wiadomość ta została opublikowana przez tych samych naukowców w czasopiśmie PNAS, wydawanym przez amerykańską Narodową Akademię Nauk, wyrywając społeczność naukową z klasycznego letniego letargu.
Zgodnie z danymi uzyskanymi przez naukowców z SISSA, gdy ciekła woda znajduje się poniżej punktu zamarzania (warunek, który powoduje, że woda jest określana jako super zimna), jej cząsteczki naturalnie się wyrównują, generując pole elektryczne.
Naukowcy podkreślają również, że zjawisko to nie ma nic wspólnego z procesem elektrolizy, o którym wiele osób uczy się w szkole na lekcjach fizyki i chemii.
– Jest to zupełnie wyjątkowe zjawisko w cieczy o tak prostym składzie jak woda – wyjaśnił Ali Hassanali z Ictp, który wraz z Cesare Malosso z SISSA kierował projektem badawczym. – Zaobserwowany wynik podkreśla, jak wiele jeszcze można się dowiedzieć o tym fundamentalnym składniku świata, w którym żyjemy.
Woda jest również najcenniejszym zasobem, jaki posiadamy i z tego powodu eksperci są zaniepokojeni jej zużyciem, zwłaszcza wody słodkiej.
Kilka lat temu inna grupa naukowców po raz pierwszy zaobserwowała kwantowe właściwości tej cennej cieczy, zmieniając badania na zawsze.
Aurelio Sanguinetti