A vízmolekula sajátságai Halmazok, fizikai tulajdonságok Vízkémia A vízmolekula sajátságai Halmazok, fizikai tulajdonságok

A víz Földünk felszínén a leggyakoribb és az egyik legfontosabb vegyület, melyet több különleges fizikai és kémiai sajátosság jellemez. az egyetlen vegyület, amely a Földön természetes körülmények között mindhárom halmazállapotban megtalálható. döntő szerepet játszott a Föld fejlődésében: az élet létrejöttében és tartós fennmaradásában, az emberi társadalom és kultúra felvirágzásában, valamint az ipari termelésben.

A vízkémia foglalkozik a víz fizikai és kémiai sajátságainak megismerésével a vízben oldott és lebegő anyagok kémiai vizsgálatával, analízisével igyekszik megismerni a vízben lejátszódó kémiai és fizikai-kémiai folyamatokat, vizsgálni a víz és környe- zetének kölcsönhatását tisztázni e folyamatok okait, azok lefolyását és következményeit

A víz műszaki és tudományos kutatásának sok kapcsolódási pontja van. Hidrobiológia - a kémiai viszonyok hogyan befolyásolják a vízi élővilág összetételét és az ott élő szervezetek életfolyamatait, ugyanakkor a vízi élőlények milyen lényeges és gyakran igen gyors változásokat idéznek elő a vizek kémiai viszonyaiban. Vízföldrajz a víz természeti körforgásával, elsősorban a felszíni vizek vizsgálatával foglalkozik. Hidrogeológia a föld alatti víz elhelyezkedésével, rétegtani és tektonikai helyzetével, utánpótlási lehetőségével és kitermelhetőségével, ezek térbeli - időbeli változásával foglalkozik

A víz kémiai összetétele Az ókori bölcselők a vizet őselemnek tartották: ebből keletkezik és ebből áll minden a földön. Thalész (i.e. 624-547): a víz mozgás során átalakul - a ködöt és a földet is képezi. Empedoklész (i.e. 490-430): 4 őselem van, amelyből a többi anyag képződik. Arisztotelész (i.e. 384-322): csak egyfajta ősanyag, amelyből létrejön a négy őselem. 1770-es évek: levegő - összetett anyag föld - nagyon sok anyagból áll tűz - jelenség, v. anyag víz - ???? 1766 a hidrogén felfedezése  égése  nedvesség

1782 - James Watt A víz valószínűleg összetett anyag "... ha a vizet vörösizzásra, vagy annál magasabb hőmérsékletre hevítjük, az valószínűleg valamilyen levegőfajtává alakul át..."

1781-83 - Henry Cavendish 1784-ben mennyiségi méréseket végzett: 1 térfogat oxigén + 2 térfogat hidrogén  víz a víz súlya azonos a gázokéval 1784-ben

1783 - Antoin Lavoisier A víz a hidrogén égésterméke

1800 - vízbontás Anthony Carlisle és William Nicholson angol fizikusok elektromos áram segítségével végeztek vízbontást és megállapították, hogy a vízből két térfogat hidrogéngáz és egy térfogat oxigén keletkezik.

Mai írásmódunkkal: 2 H2 + O2  2 H2O 1811 - Avogadro 2 térfogat 1 térfogat 2 térfogat hidrogén oxigén vízgőz Mai írásmódunkkal: 2 H2 + O2  2 H2O

1931 - Harold Clayton Urey A deutérium felfedezése a kémiailag tiszta víz sem tekinthető teljesen egységes anyagnak, hanem többféle izotópot tartalmazó molekulák elegye a H216O kb. 99,76 % a többi vízmolekula-típus csak 0,24 %

A vízmolekula felépítése A kapcsolódó atomok vegyértékelektronjai  a molekula geometriáját alak, kötésszög kötéshossz az anyag tulajdonságait, viselkedését befolyásolják.

az O — H kötéstávolság 96 pm, a H…..H távolság 151 pm. A vízmolekula képződésekor a hidrogén- és az oxigénatomok elektronszerkezete egyaránt módosul A három atom egyenlő szárú háromszöget alkot, a molekula V-alakú. a kötésszög 104,5 o, az O — H kötéstávolság 96 pm, a H…..H távolság 151 pm.

Az oxigénatomtörzs körüli négy elektronpár elhelyezkedésének ideális alakja a tetraéderes (109,5o) szerkezet lenne. A nemkötő elektronpároknak azonban nagyobb a helyigénye, mint a kötő elektronpároknak, így a tetraéder torzult lesz, a H—O—H kötésszög csökken.

A vízmolekulák halmazai Az anyagi halmazok tulajdonságait elsősorban az alkotó részecskék szerkezete és sajátságai határozzák meg. az alkotó részecskék között ható kölcsönhatások következtében más tulajdonságokkal rendelkezik, mint az egyedi részecske. ezeken kívül bizonyos külső tényezők, az állapothatározók (nyomás, térfogat, hőmérséklet) befolyásolják. gáz folyadék szilárd

A gáz halmazállapot - vízgőz nincs önálló alakja, sem önálló térfogata, a rendelkezésre álló teret teljesen kitölti, illetve korlátlan mértékben képes kitágulni. a vízmolekulák állandó, rendezetlen mozgásban vannak (haladó, forgó mozgás), a molekulákat alkotó oxigén és hidrogén atomok rezgő mozgást végeznek, a mozgások iránya és sebessége állandóan változik.

A "tökéletes" gázállapot - amikor a vízmolekulák egymástól való távolsága a molekulák méretéhez képest igen nagy és a vízmolekulák egymásra kifejtett vonzóereje elhanyagolható - csak nagyon alacsony nyomás és magas hőmérséklet mellett valósulhat meg. Gáztörvények Reális gázok törvényei

A folyadék halmazállapot a molekulák meglehetősen szorosan töltik ki a teret, közöttük viszonylag nagy vonzóerők hatnak. a molekulák forgó és rezgő mozgásokat végeznek a molekulák kisebb-nagyobb körzetekre kiterjedően szabályos elrendeződésűek a dipólusmomentum orientáló hatása és az intermolekuláris hidrogénkötések kialakulása következtében.

Szilárd halmazállapot jégben, a vízmolekulákat olyan erős kölcsönhatások tartják össze, amelyek ellenállnak az alak- és térfogat változtató erőknek a tér minden irányában szabályos rend szerint összekapcsolódva, kristályrácsot alkotva helyez-kednek el.

Halmazállapot változások a víz változatlanul megy át egyik fázisból a másikba, anélkül, hogy kémiai reakció következne be, csupán szerkezeti átalakulás történik. a folyamatok meghatározott - a vízre jellemző - hőmérsékleti és nyomásviszonyok fennállása esetén, azok hatására mennek végbe.

A halmazállapot változások szabályai Az egy, vagy több különböző halmazállapotú összetevőkből álló tiszta víz csupán egyetlen kémiai komponensből álló, heterogén rendszernek tekinthető, amelynek fázis-egyensúlyi folyamataira a Gibbs-féle fázisszabály ad algebrai összefüggést. Fázis - a rendszer fizikai határfelülettel elválasztott részei Komponensek száma - kémiailag egységes anyagok Szabadsági fokok száma - az állapotjelzők (t, p, c) Egyensúlyban lévő heterogén rendszer: F + Sz = K + 2

A halmazállapotok termodinamikai egyensúlyára vonatkozó összefüggés az általánosan érvényes Clapeyron-Clausius egyenlet lehetővé teszi a különböző nyomásértékekhez tartozó forráspontok hőmérsékletének meghatározását, vagy a különböző egyensúlyi hőmérsékletekhez tartozó nyomások kiszámítását. az olvadásra, párolgásra, illetve szublimációra, vagy a polimorf módosulatok átalakulási egyensúlyára egyaránt alkalmazható az egyenlet

A víz állapotdiagramja A víznek az állapothatározóktól függő viselkedését, a különböző fázisok egyensúlyi viszonyait az állapotdiagram grafikusan szemlélteti.

A vízmolekula halmazok szerkezete A nagyszámú részecske közötti kölcsönhatások révén új tulajdonságok lépnek fel (jelentős az orientációs hatás) figyelembe kell venni a halmaz szerkezetét, amelyet a vízmolekulák közötti kölcsönhatások határoznak meg aszimmetrikus, közelítőleg lineáris O-H...O hidak határozzák meg és stabilizálják a jég és a folyékony víz szerkezetét

A jég szerkezete A jég hexagonális rendszerben kristályosodik. Rácsa hasonló a SiO2 tridimit módosulatáéhoz, benne minden vízmolekulának négy közvetlen szomszédja van, réteges elhelyezkedés

A cseppfolyós víz szerkezete Hiányos ismeretek, a folyékony vízben sem helyezkednek el a H2O molekulák szorosan egymáshoz illeszkedve. Szerkezete tömöttebb a jégnél.

Elméletek A víz szerkezetére többféle modellt javasoltak, amelyek bizonyos sajátságokat többé-kevésbé jól magyaráztak, másokkal ellenben nincsenek összhangban Szerkezeti üregek elmélete - Szamoljov 1957 a jég kristályrácsában levő - a vízmolekulák méreténél nagyobb - szabályszerű üregek az olvadás után egy-egy vízmolekulával betöltődnek, ami 4 oC-ig a sűrűség növekedését vonja maga után.

Vízhidrát elmélet Pauling 1959-60 legegyszerűbb a szabályos ötszögekkel határolt pentagondodekaéder a csúcsokon oxigénatomok találhatók, az éleken hidrogénkötés alakul ki

Váltakozó rajok elmélete 1962 Némethy és Schegara a molekulákat nagyarányú hidrogénhíd-kötések tartják össze, sokféle szerkezeti háló-zat által valósulhat meg 1967 Luck nincsenek szabad vízmolekulák a folyadékban, csupán jégszerű rajok vannak

A víz fizikai tulajdonságai Sűrűség A víznek legkülönlegesebb sajátsága, hogy sűrűsége az anyagok nagy többségétől eltérően nem növekszik folyamatosan a hőmérséklet csökkenésével. A maximális sűrűséget 4oC-nál éri el (1,000 g cm-3), és a további hőmérsékletcsökkenés már sűrűség csökkenést okoz. rendkívül fontos a természetes vizek és a vízi élet szempontjából - rétegződés, átkeveredés

A sűrűség hőmérsékletfüggése

Viszkozitás Belső súrlódás, azon ellenállás megnyilvánulása, amelyet a folyadékok (valamint gázok, illetve szilárd testek) a külső erő által előidézett folyással (illetve deformációval) szemben tanúsítanak jele: η , mértékegysége Pa∙s A hőmérséklet emelésével a viszkozitás csökken.

felületi sajátságok A folyékony víz felületén levő molekulák, amelyek a gőztérrel is érintkeznek, határfelületet, vagy határréteget képeznek. felületi feszültség: a folyadékok felületét csökkenteni igyekszik → a felület növeléséhez energiát kell befektetni 1 m2 új felület létrehozásához szükséges munka jele: γ, mértékegysége: N/m

Termikus tulajdonságok Az emelkedés magassága fordítottan arányos a kapilláris cső belső sugarával g = ½ r h r g a talaj nedvesség háztartásában játszik fontos szerepet Termikus tulajdonságok a víz nagy mennyiségű hőt tud felvenni és csak lassan adja le, nagy a hőtároló képessége 1 gramm víz elpárolgása kereken 1 m3 levegőt hűt le 1 oC-kal