Właściwości fizyczne i chemiczne wody
Właściwości wody: ogólniki i ciekawostki
Właściwości wody: izotopy i budowa molekularna
Historia
Woda była uważana przez starożytnych za jeden z 4 podstawowych elementów: świat składał się z mieszaniny tych 4 podstawowych zasad w różnych proporcjach. Do XVIII wieku uważano go za prosty korpus. Następnie kilku chemików odkryło, że woda nie jest prostym ciałem, przeprowadzając syntezę, a następnie analizę. Przytoczmy prekursorów, Priestleya, który wytwarzał wodę ze spalania wodoru (1774), Wattsa (1783), który postawił hipotezę, że woda nie jest prostym ciałem, Monge, który zdał sobie sprawę synteza pod działaniem iskry elektrycznej z mieszaniny tlenu i wodoru. Ale decydującym eksperymentem syntezy był eksperyment Lavoisiera i Laplace'a (1783), którzy zsyntetyzowali wodę z wodoru i tlenu w pamiętnym eksperymencie publicznym. Rozkład wody nastąpił później, po odkryciu przez Voltę ogniwa elektrycznego w 1800 roku. Elektroliza wody umożliwiła zmierzenie odpowiedniego stosunku tlenu i wodoru, aby ostatecznie dotrzeć do dobrze znany wzór chemiczny H2O. Pierwsza praktyczna (i spektakularna) elektroliza została przeprowadzona w 1800 roku w Paryżu przez Robertsona; wzór chemiczny został wyjaśniony w pracy teoretycznej Daltona (1803) i Avogadro (1811).
Właściwości fizyczne wody
Woda ma dość szczególne właściwości fizyczne w porównaniu z innymi cieczami. Wydaje się, że jest cieczą „strukturalną” i nie jest nieuporządkowana, jak inne ciecze, dzięki temu, że jej elementarne składniki są połączone.
Właściwości wody służą jako odniesienie dla międzynarodowej standaryzacji skal numerycznych: temperatura, gęstość, masa, lepkość, ciepło właściwe. Ciepło właściwe jest wyjątkowo wysokie (18 moli kalorii na stopień), co tłumaczy dużą bezwładność cieplną wody i jej rolę w regulacji temperatury powierzchni ziemi. Oceany magazynują olbrzymią ilość ciepła, które rozprowadzają ponownie przez prądy morskie; odparowanie wody pochłania energię w środowisku wodnym i obniża jego temperaturę, kondensacja pary w kropelki w chmurach przywraca to ciepło do atmosfery. Masy wody na powierzchni globu to prawdziwe termiczne koła zamachowe dla klimatów.
Gęstość wody zmienia się wraz z jej temperaturą; wzrasta, gdy temperatura spada, ale maksymalna gęstość wynosi 4 ° C (0,997 g / cm3), a nie 0 °, jak można by się spodziewać. W ten sposób morza i jeziora zamarzają z powierzchni, a nie z dna, gdzie najgęstsza woda gromadzi się w wyniku rozwarstwienia. Woda w stanie stałym jest lżejsza od wody w stanie ciekłym (gęstość lodu: 0,920 g / cm3).
Lepkość wody zależy od jej składu izotopowego: ciężka woda jest o 30% lepsza niż zwykła woda. Lepkość najpierw spada wraz z ciśnieniem, a następnie rośnie.
Współczynnik ściśliwości izotermicznej wody jest niewielki (4,9 · 10-5 na bar) i jako pierwsze przybliżenie możemy uznać wodę za nieściśliwą. Niemniej jednak wielkie obniżenia atmosferyczne działają na poziom morza podnoszący się podczas sztormów. Napięcie powierzchniowe jest wysokie: woda jest dobrym środkiem zwilżającym (72 dyn / cm); skrada się i wnika we wszystkie szczeliny i pory skał, a także do gleby na zasadzie zjawiska kapilarności. Ta właściwość ma fundamentalne znaczenie dla magazynowania wody w warstwach wodonośnych, dla powierzchniowej erozji skał (pękanie pod wpływem mrozu: w przejściu woda-lód wytwarza ciśnienie do 207 000 KPa). Wysokie napięcie powierzchniowe wyjaśnia również kulisty kształt kropli wody.
Stan fizyczny wody zależy od temperatury i ciśnienia. Przejście ciecz-gaz jest zwykle wykonywane w temperaturze 100 ° C przy normalnym ciśnieniu, ale w temperaturze 72 ° C tylko na szczycie Everestu (8 m). Temperatura topnienia lodu spada wraz z ciśnieniem: pod wpływem ciśnienia lód ponownie staje się płynny: w ten sposób łyżwiarze ślizgają się po cienkiej warstwie ciekłej wody utworzonej pod wpływem nacisku łyżwy . Punkt potrójny wody to 848 ° C poniżej 0,01 mbar.
Woda może pozostać ciekła poniżej temperatury topnienia lodu: to zjawisko przechłodzenia można utrzymać do temperatury -40 ° C. Wyjaśnia to brak ziaren inicjujących stałą krystalizację. W naturze zarazek jest dostarczany przez zwykłą bakterię Pseudomonas syringae. Manipulacja genetyczna tej bakterii umożliwia opóźnienie zamarzania drzew owocowych lub przyspieszenie mrozu, aby łatwiej uzyskać sztuczny śnieg.
Wreszcie woda jest doskonałym rozpuszczalnikiem, który służy jako nośnik większości jonów na powierzchni globu.
Właściwości chemiczne wody
Woda jest doskonałym rozpuszczalnikiem, który rozpuszcza wiele soli, gazów i cząsteczek organicznych. Chemiczne reakcje życia zachodzą w środowisku wodnym; organizmy są bardzo bogate w wodę (do ponad 90%). Od dawna uważany jest za neutralny rozpuszczalnik, który w niewielkim stopniu lub wcale ingeruje w reakcje chemiczne. Rozcieńczenie w wodzie umożliwiło w szczególności spowolnienie działania odczynników. W rzeczywistości woda jest bardzo agresywnym środkiem chemicznym, który może atakować ścianki pojemnika, w którym się znajduje: w szklanej butelce jony krzemu przechodzą przez wodę. Czysta woda może istnieć z regulacyjnego punktu widzenia, czyli woda bez zanieczyszczeń bakteryjnych i chemicznych, ale z chemicznego punktu widzenia praktycznie nie istnieje: nawet woda destylowana zawiera śladowe ilości jonów lub cząsteczki organiczne pobrane z rur i naczyń.
W reakcjach chemicznych woda najpierw interweniuje poprzez dysocjację na protony H +, często związane z H2O, tworząc uwodnione protony H3O + i na jony hydroksylowe OH-. To stosunek między tymi dwoma rodzajami jonów określa pH roztworu (pH: logarytm odwrotności stężenia molowego H +). Wiele metali może rozkładać wodę, wydzielając wodór i wodorotlenek metalu.
Rozpuszczanie jonów (soli, kwasów, zasad) jest konsekwencją polarnego charakteru wody. Stężenie jonów soli charakteryzuje produkt rozpuszczalności. Sole mają wartości produktowe o różnej rozpuszczalności, co tłumaczy zjawisko krystalizacji frakcjonowanej podczas odparowywania roztworu soli. siarczan wapnia, następnie chlorek sodu i wreszcie bardzo dobrze rozpuszczalne sole, takie jak potas, jodki i bromki.
Ważną właściwością na powierzchni Ziemi jest rozpuszczanie CO2, z którego powstaje słaby kwas węglowy, odpowiedzialny za chemiczne wietrzenie wielu skał, zwłaszcza wapienia. Ilość rozpuszczonego CO2 jest funkcją ciśnienia i odwrotną funkcją temperatury. Węglan wapnia można rozpuścić w postaci kwaśnego węglanu, a następnie ponownie wytrącić w zależności od zmian temperatury i ciśnienia, jak w przypadku sieci krasowych.
Źródło: http://www.u-picardie.fr/
