Ugrás a tartalomhoz

Hidrobiológia

Csizmarik Gábor (2011)

Szent István Egyetem

1. fejezet - A víz legfontosabb tulajdonságai

1. fejezet - A víz legfontosabb tulajdonságai

A víz molekulaszerkezete

A víz egyedülálló tulajdonságai molekuláris szerkezetéből adódnak. Az oxigénnek nagy az elektronegativitása. A víz részecskéiben a külső magburkon vegyértékelektronok és a hozzájuk kapcsolódó két hidrogénatom található. Ebben a kovalens kémiai kötésben az elektronok aszimmetrikusan helyezkednek el az erősen negatív oxigénatom irányában. Ebből az következik, hogy csekély negatív töltés van az oxigénatomon, és csekély pozitív a hidrogénatomokon (2. ábra).

2. ábra. A vízmolekula dipólus szerkezete

A vízmolekula tehát dipólus, vagyis, bár a molekula egésze elektromosan semleges, töltéseloszlása nem szimmetrikus.

A vízmolekulában lévő aszimmetrikus töltés lehetővé teszi az oxigénatom számára, hogy hidrogénkötéseket alakítson ki egy szomszédos molekula ellentétes töltésű hidrogénjével. Egy molekulán belüli O-H kötés iránya majdnem pontosan egybeesik a másik molekula O-H kötésével. Így a kötést létesítő H-atom az O-atom felé mutat. A valódi folyadékban a molekulák szabadon mozognak. Ez nem áll a vízre, amely véletlenszerűen kapcsolódott hidrogén-kötések folytonos hálózatából áll. Ebből adódik a folyadék viszonylag rendezett állapota. A víz halmazállapot-változása során a hidrogénkötések eltorzulnak, vagy megszakadnak. A folyékony vízben a H-kötések folytonosan változtatják kapcsolódási helyüket a folyadék kristály mátrixban. Ez a komplex kötődés tartja a vízmolekulákat együtt folyadékként, még magasabb hőmérsékleten is. Ezzel szemben a H2S, HF vagy NH3 gáz halmazállapotú szobahőmérsékleten.

A víz speciális tulajdonságai tehát a következők

  • A moláris tömeg alapján várhatónál magasabb olvadás- és forráspont.

  • Viszonylag magas gőznyomás mind szilárd, mind folyékony állapotban (ami lehetővé teszi, hogy a Földön mindhárom, folyékony, szilárd és gázfázisban is jelen legyen).

  • Magas olvadás- és párolgáshő.

  • Nagy specifikus hőkapacitás.

  • Alacsony hővezető-képesség.

  • Kisebb sűrűség szilárd, mint folyékony halmazállapotban (majdnem az összes más anyag sűrűbb lesz, ha megszilárdul).

  • Kiváló oldószer, különösen egyszeresen töltött ionokból álló ionrácsokat és nitrogén-, illetve oxigénatomot tartalmazó szerves anyagokat old jól.

  • Nagy dielektromos állandó.

  • Nagy felületi feszültség.

  • Kapilláris hatás.

A hidrogénhíd kötés a legerősebb másodrendű kémiai kötés, ereje mintegy 10%-a a kovalens kötésnek. Ez a molekulákat összetartó kötés a felelős a víz sok egyedi tulajdonságért. A hidrogénkötés az oka továbbá annak, hogy a víz maximális sűrűsége 4 ºC-on van a fagyáspont helyett. Ha egyszer egy tó vize eléri a 4 ºC-ot, a felszínen a további hűlés kisebb tömegű vizet, végül jeget hoz létre, a melegebb, sűrűbb víz a mélyben marad. A kialakult jég szigeteli a folyékony vizet, és megóvja a mélyebb tavakat a fenékig fagyástól. Kevés élőlény képes a túlélésre a tömör jégben.

A víz sűrűség-hőmérséklet kapcsolata abból a tulajdonságából adódik, hogy nem amorf folyadék. Molekuláris struktúrája olyan, amely megengedi az elektrosztatikus vonzást és kapcsolódást a különálló molekulák között, laza szerkezetet adva a folyadéknak. Ez a szerkezet többnyire a jég változatos kristályformáiban nyilvánul meg, mely sokkal kevésbé sűrű, mint a folyékony víz, és melyben a molekulák jól elkülönülnek.

Alacsony hőmérsékleten a hidrogénhidak kötési energiája nagyobb, mint a vízmolekulák mozgási energiája, ezért az egyes molekulák kristályba rendeződve, távolabb vannak egymástól. A jég sűrűsége ezért kisebb, mint a folyékony vízé. A hőmérséklet emelkedésével nő a molekulák mozgási energiája. Olvadáskor a hidrogénrács szétesésekor kialakuló „lyukakba” zuhannak a vízmolekulák, ezért nő a sűrűség 3,94 ºC-ig. E hőmérséklet fölött a mozgási energia növekedtével a vízmolekulák már ismét távolabbra kerülnek egymástól, ezért csökken a sűrűség. A folyékony vízben szintén a molekula-együttesek szolgálnak a víz viszonylag magas viszkozitásának és fajhőjének az alapjául. Sokkal több energia kell a molekulák elkülönítéséhez, mint amennyi más folyadékok esetében szükséges.

3. ábra. A víz hőmérséklet-sűrűség függvénye

A víz magas fajhője csak kismértékű hőmérséklet emelkedésekor már nagy mennyiségű hő elnyelését biztosítja. Ez képessé teszi a vízi élőlényeket még az igen erős egyenlítői napsugárzás túlélésére is, mely a tó hőmérsékletében csak kismértékű emelkedést eredményez. A párolgás és a hőáramlás szintén csökkentik a felszíni felmelegedést. Melegebb vízben a sűrűség gyorsan változik a hőmérsékleti váltásokkal, míg hideg vízben a hőmérséklet eltolódásokkal a sűrűségváltozás kisebb. A mélység szerinti sűrűségváltozások a felelősek a rétegzett felépítésű tavak jelentős ellenállásáért a szél keverő hatásával szemben. A víz viszkozitása az áramlásokban fontos szerepet játszik a halak és a rovarlárvák alakjának meghatározásában.

A meleg és a hideg víz sűrűségének különbsége felelős a víztömeg keveredésekor jelentkező nagy ellenállásért. A vízsűrűség különbségének aránya nem állandó a hőmérséklet változásával. A sűrűség sokkal gyorsabban csökken magasabb hőmérsékleten. A víz sűrűségét a hőmérsékleten kívül más tényezők is befolyásolják. Az oldott sók növelik a sűrűséget, és stabilitást biztosítanak a rétegzett tavaknak. A sók által előidézett sűrűség szerepe dominál a hőmérséklet okozta hatások felett a folyótorkolatokban és az óceánokban. A tiszta víz sűrűsége 4 ºC-on 1,000 g/cm3, a tengervíz 35 g/l sótartalomnál 1,028 cm3. Ez a tengervíz maximális sűrűségénél beálló hőmérsékletet lecsökkenti -3,5 ºC-ra. Az oldat fagyáspontja fordítottan arányos a sótartalommal.

A víz más (a limnológiában is) fontos tulajdonságai: a viszkozitás és a felületi feszültség. A viszkozitás - a folyadék folyásakor keletkező ellenállás nagysága - ellenállást fejt ki a szervezetek mozgására, és így teszi lehetővé a plankton lebegését, illetve lassú süllyedését. A viszkozitás sokkal nagyobb alacsonyabb hőmérsékletű víz esetében (1. táblázat).

1. táblázat. A viszkozitás változása a víz hőmérsékletével

A felületi feszültséget – a viszkozitáshoz hasonlóan – a folyadék kristályrácsában lévő hidrogénkötések összetartó ereje okozza. Bizonyos állatok és növények a helyzetüket a vízben a felületi feszültség révén tartják fenn. Jó példa erre a víz felszínén mozgó vízipoloska (Gerridae) (4. ábra).

4. ábra. A „vízenjáró” tavi molnárpoloska (Gerris lacustris)

Videó:

Felületi feszültség szemléltetése

A hőmérséklez emelkedésével jelentősen csökken a folyadékok viszkozitása

Különböző viszkozitású folyadékok

Az oldott sók amellett, hogy növelik a víz sűrűségét és viszkozitását, növelik a felületi feszültséget is. Ezzel ellentétben a szerves detergensek, vagyis a vízinövények és állatok által termelt habos és nyálkás közeg, csökkentik a felületi feszültséget. A természetes habot gyakran összetévesztik a tisztítószer-szennyezők hatására kialakuló habbal.

Összefoglalás

A folyékony és szilárd halmazállapotú víz véletlenszerűen kapcsolódott hidrogén-kötések folytonos hálózatából áll. Ebből adódik a folyadék viszonylag rendezett állapota. A víz speciális tulajdonságai is, eltérően a hozzá hasonló molekulatömegű vegyületekhez, fizikai és kémiai felépítésére vezethető vissza.

Önellenőrző kérdések, feladatok

A következő állítások közül melyek igazak?

  1. A jég szerkezetét a kialakuló hidrogénhidak biztosítják.

  2. A víz hőmérsékletének csökkenésével folyamatosan nő a sűrűsége.

  3. A víznek kicsi a felületi feszültsége.

  4. A víznek nagy a fajhője.

  5. A hidrátburok kialakulásáért a vízmolekulák dipólus szerkezete felelős.

  6. A hidrogénhíd kötés az oka, hogy a víz maximális sűrűsége 4 ºC-on van a fagyáspont helyett.