Chemia wody wykłady i zagadnienia 6-10

6.Stany skupienia wody

Woda występuje w przyrodzie w trzech stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazo­wym, które stanowią oddzielne fazy. Są to więc lód, woda ciekła i para. Różnice między tymi stanami skupienia polegają na różnej wzajemnej odległości cząsteczek, która warunkuje odmienne oddziaływanie między nimi.

W stanie pary odległości między cząsteczkami H2O są znaczne, a siły wzajemnego przyciągania znikome; cząsteczki mają więc swobodę wykonywania ruchów postępowych.

W fazie ciekłej cząsteczki wody znajdują się bliżej siebie niż w fazie gazowej i ich wzajemne oddziaływanie jest większe. Mogą one zmieniać położenie względem siebie, ale tylko w pewnych granicach. Z tej przyczyny ciecze łatwo zmieniają kształt, trudno natomiast
objętość.

Cząsteczki H20 w lodzie są umiejscowione sztywno w węzłach sieci krystalicznej i zdol­ne jedynie do wykonywania ruchów drgających i ewentualnej wędrówki po defektach sieci.

7. WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE WODY.

• Woda -bezwonna, bezbarwna (w cienkich warstwach) lub niebieskawa (w grubszych warstwach wskutek absorpcji promieniowania czerwonego) ciecz. Wykazuje ona właściwości:

-maksymalna gęstość-0,999972 kg/m³ w temp. 277,14 K,

-rozszerzalność podczas krzepnięcia,

-duże napięcie powierzchniowe,

-bardzo duże ciepło właściwe w porównaniu z innymi cieczami,

-stosunkowo duże przewodnictwo cieplne,

-duża stała dialektyczna,

-duża zdolność rozpuszczająca,

-duża zdolność jonizująca,

-duża zdolność tworzenia układów koloidowych.

• Stała dielektryczna-wartość, która wskazuje, ile razy wzajemne oddziaływanie między ładunkami e1 i e2 w danym ośrodku jest słabsze niż w próżni.

ɛ = cc0 gdzie ɛ- stała dielektryczna,

c0-pojemność elektryczna kondensatora próżniowego,

c- pojemność elektryczna tego samego kondensatora wypełnionego substancją o stałej dielektrycznej

Stała dielektryczna wody w temp. 273,16 K wynosi 88 i wraz ze wzrostem temperatury maleje. Duża stała dielektryczna wody tłumaczy wyjątkową zdolność wody do rozpuszczania innych substancji. Stałe dielektryczne określają również wzajemną mieszalność cieczy.

• Gęstość-parametr, na który wpływ ma temperatura wody.

-podczas oziębiania-gęstość wody zwiększa się (ale tylko do temp. ok. 277,14 K)

-od 276,84-277,14-gęstość wody jest największa (wynosi 0,999972±0,000002 kg/m³).jest możliwość życia organizmów pod wodą w okresie zimy.

-dalsze oziębianie-gęstość wody maleje w sposób ciągły

-w temp. 273,16 K podczas krzepnięcia-gęstość wody zmniejsza się w sposób nie ciągły do gęstości lodu.

Gęstość wody w temp. 273,16 K wynosi 0,999868 kg/m³, a gęstość lodu 0,9168 kg/m³.

• Ciepło właściwe-ilość potrzeba do ogrzania (ochłodzenia) 1kg (1g) substancji o 1˚.Ciepło właściwe w danej temperaturze nazywa się ciepłem właściwym rzeczywistym:

c = limΔT→0ΔQm∆T

Dla skończonego przyrostu temperatury ciepło właściwe jest średnim ciepłem właściwym w zakresie temperatur T1-T2:

c = Q1,2m(T2-T1)

Ponieważ stosunek ΔQ/ΔT nazywany jest pojemnością cieplną, ciepło właściwe bywa czasami nazywane pojemnością cieplną właściwą. Rozróżniamy:

-ciepło właściwe pod stałym ciśnieniem- cp (ilość ciepła, która w temp. T jest potrzebna do ogrzania pod stałym ciśnieniem 1 kg substancji o 1˚).

-ciepło właściwe w stałej objętości- cv (ilość ciepła, która w temp. T jest potrzebna do ogrzania w stałej objętości 1kg substancji o 1˚).

cp-cv = vT a²k ≥ 0 gdzie, v-objętość

a²-współczynnik rozszerzalności

k- współczynnik ściśliwości

T- temperatura

W temp. 277,16K cp=cv i wtedy a=0.

Ciepło właściwe wody, zarówno pod stałym ciśnieniem, jak i w stałej objętości zmienia się wraz z temperaturą anomalnie: w miarę wzrostu temperatury ciepło właściwe wody początkowo maleje, osiągając najmniejszą wartość w temp. 313K i od tej temperatury ponownie zwiększa się (anomalna zależność wynika z występowania wiązań wodorowych między cząsteczkami wody i ich dezasocjacji w miarę wzrostu temperatury).

Duża wartość (w porównaniu z innymi cieczami) ciepła właściwego wody powoduje, że oceany, które pokrywają większość powierzchni Ziemi, działają jak regulatory temperatury: latem wchłaniają nadmiar ciepła, a zimą oddają ciepło otoczeniu.

• Przewodnictwo cieplne wody-jest 680-krotnie mniejsze niż przewodnictwo cieplne miedzi, 720-krotnie mniejsze niż srebra. Przewodnictwo cieplne wody w zakresie temperatur 273,16-353,16K można obliczyć według wzoru Jacobsona:

Przewodnictwo cieplne wody = 0,0012926[1+0,003(T-273,16)], gdzie T- temperatura

Przewodnictwo cieplne lodu w temp. 273,16K wynosi 222 JmsK.

• Napięcie powierzchniowe cieczy-zdolność do samorzutnego zmniejszania powierzchni cieczy. Ciecze mają zatem tendencję do przyjmowania kształtu kulistego, gdyż kształtowi temu w danej objętości odpowiada najmniejsza powierzchnia.

Znaczne napięcie powierzchniowe wody (0,0728 Nm ) jest wynikiem występowania międzycząsteczkowych wiązań wodorowych, które łączą cząsteczki w duże asocjaty. Zarówno wiązania wodorowe, jak i związana z tym struktura asocjatów wody zależą w dużym stopniu od temperatury, zatem napięcie powierzchniowe wody zmienia się wraz z temperaturą. Ze wzrostem temperatury wody jej napięcie powierzchniowe maleje.

Wynikiem istnienia napięcia powierzchniowego na granicy fazy ciekłej jest zjawisko włoskowatości (kapilarności), czyli wznoszenia się cieczy w kapilarach:

-siły adhezji (np. woda)-przyleganie cieczy do powierzchni szkła

-siły kohezji (np. rtęć)-siły spójności

Działanie piorące i myjące detergentów polega m.in. na tym, że zmniejszają napięcie powierzchniowe wody, a tym samym polepszają jej właściwości zwilżające.

• Konduktywność elektryczna-to przewodnictwo 1cm³ roztworu:

K = 1R lS gdzie K- konduktywność

l-odległość

S-powierzchnia

R- rezystancja

Do pomiaru konduktywności elektrycznej wody (lub innego roztworu elektrolitu) stosuje się szklane naczyńko z dwiema jednakowymi elektrodami z blachy platynowej. Stosunek odległości (l) między elektrodami do powierzchni (S) elektrody nazywamy stałą naczynka (k) lub pojemnością oporową naczyńka

k = lS zatem K = kR

Woda absolutnie czysta jest słabym przewodnikiem elektryczności. Jej konduktywność jest bardzo mała i w temp. 291 K wynosi 4,41·106 1Ω·m.

Ze wzrostem temperatury konduktywność wody zwiększa się, gdyż zwiększa się również stopień dysocjacji wody i zawartość elektrolitów w wodzie.

• Absorpcja promieniowania-zdolność do pochłaniania promieniowania przez substancję.

Woda jako związek chemiczny w stanie ciekłym jest symbolem przeźroczystości. W rzeczywistości absorbuje ona promieniowanie widzialne w sposób mało widoczny. W dużej warstwie zatrzymywanie promieni czerwonych o długości fali 0,61-076 µm sprawia, że woda ma zabarwienie niebieskie. Jednak niebieskie zabarwienie w niektórych jeziorach wywołane jest zjawiskiem Tyndalla na skutek zawieszonych w wodzie cząstek koloidalnych.

Woda absorbuje znacznie silniej promieniowanie podczerwone i ultrafioletowe niż widzialne. Woda absorbuje światło o długości fali poniżej 190 nm i powyżej 1100 nm.

8. GĘSTOŚĆ WODY

Gęstość to parametr, który charakteryzuje "upakowanie" materii w danym ciele. Definiujemy ją jako stosunek masy ciała do zajmowanej przez nie objętości w określonej temperaturze. Ciała stałe mają większą gęstość niż ciecze i gazy. Wraz ze wzrostem temperatury gęstość zazwyczaj maleje. Czysta woda jest wyjątkiem od tej reguły. To jedyna substancja, która osiąga najwyższą gęstość w postaci cieczy. Woda ma bowiem największą gęstość przy temperaturze 4°C. Wiązania wodorowe pomiędzy cząsteczkami wody sprawiają, że lód ma bardzo trwałą, uporządkowaną strukturę. W niskich temperaturach woda ma większą gęstość niż lód i dlatego lód pływa w wodzie.  

Dodanie soli do wody powoduje wzrost jej gęstości. Ponadto uniemożliwia tworzenie się wiązań wodorowych. Oznacza to, że woda morska, w przeciwieństwie do czystej wody, nie osiąga największej gęstości w temperaturze 4°C, lecz gdy zamienia się w lód. Oznacza to także, że woda morska zamarza w temperaturze poniżej 0°C. Wykorzystujemy to zimą sypiąc sól na drogi aby zapobiec ich oblodzeniu.

Gęstość wody jest związana ze zmianami temperatury.

Gęstość zwiększa się podczas oziębienia do temp. Około 277,14 K. W tej temperaturze gęstość wody jest największa i wynosi 0,999972+/- 0,000002 kg * m3.Dalsze oziębienie powoduje, że gęstość wody maleje w sposób ciągły; w temperaturze 273,16K, podczas krzepnięcia gęstość zmniejsza się w sposób nieciągły do wartości gęstości lodu.

Zwiększenie gęstości wody podczas topnienia lodu jest wynikiem szybkiego rozpadu jego przestrzennej budowy na mniejsze asocjaty, w których około 85% wiązań wodorowych między cząsteczkami H2O zostaje jeszcze zachowanych w wodzie po stopieniu lodu. Stopniowy rozpad tych luźnych struktur i asocjatów uwarunkowanych wiązaniami wodorowymi powoduje, że gęstość ciekłej wody podczas ogrzewania jej od temperatury topnienia do 277,14K wzrasta, aby następnie ze wzrostem temperatury według ogólnych zasad dylatacji- maleć.

ZJAWISKA ZWIĄZANE Z GĘSTOŚCIĄ WODY

1.CYRKULACJA WODY

W okresie zimy pod wodą istnieje możliwość życia organizmów. Ochładzająca się jesienią woda opada na dno, wypierając cieplejsze warstwy ku górze, Az temperatura w całym zbiorniku osiągnie 277,14K. Wtedy ruch spowodowany zmianą temperatury ustaje.

Kolejnym etapem jest przewodnictwo cieplne i konwekcja , aż górna warstwa zamarza i tworzy taflę lodu na powierzchni gdyż jego gęstość jest mniejsza niż gęstość wody. Utrudnia to w jeszcze większym stopniu wyśmiane cieplną. W głębokich jeziorach i stawach następuje sezonowa cyrkulacja wody. W krajach umiarkowanych tworzą się warstwy wody o różnej temperaturze. Latem wyższa temperatura panuje przy tafli, natomiast zima obserwujemy odwrócone „uwarstwienie” (stratyfikację) i najniższa temperatura jest pod lodem.

Tylko dwa razy w roku kiedy w górnych warstwach zachodzi nagrzewanie się albo oziębianie, następuje wyrównanie się temperatur całej masy wody, spowodowane całkowitym jej wymieszaniem. Ma to ogromne znaczenie w natlenianiu wody jezior.

10. PROCES WZBOGACANIA WÓD W SKŁADNIKI MINERALNE: SKŁAD CHEMICZNY I STRUKTURA MINARAŁÓW, SKŁAD FIZYCZNO - CHEMICZNY GLEBY, PROCESY WIETRZENIA.

1. Procesy wietrzenia:

Wietrzenie - procesem rozpadu i rozkładu skały, którego wynikiem jest zwietrzelina.Jest związany z ruchami powietrza, wód, lodowców, z życiem organicznym i działalnością człowieka, a także z działalnością energii słonecznej. W wyniku wietrzenia dochodzi do rozluźnienia materiału skalnego i w efekcie jego rozdrobnienia.
Tempo wietrzenia zależy od:

• rodzaju skał,
• ilości wody,
• wilgotności powietrza,
• typu klimatu,
• szaty roślinnej.

Wyróżnia się kilka rodzajów wietrzenia:

• mechaniczne,
• chemiczne
• i biologiczne

Mechaniczne wietrzenie (fizyczne) - polega na rozdrabnianiu skały bez zmiany jej składu chemicznego.
Zachodzi pod wpływem:
- nierównomiernego rozszerzania się i kurczenia się minerałów podczas nagrzewania bądź oziębiania skały. Jest to tzw. wietrzenie insolacyjne, będące efektem różnych współczynników rozszerzalności termicznej minerałów, lub wietrzenie eksfoliacyjne, w przypadku skał jednorodnych, gdzie warstwa przypowierzchniowa nagrzewa się szybciej i dochodzi do jej łuszczenia równolegle do powierzchni;
- wody, a szczególnie wilgoci, która wnika w mikroskopowe zluźnienia między kryształami, a następnie bardzo duża cieplna rozszerzalność wody powoduje rozsypywanie się skały na bloki, gruz i ziarna.
- soli, zwłaszcza w klimacie suchym, gdzie parująca woda osadza w szczelinach skalnych sole i tlenki metali, które krystalizując, rozsadzają skały. Proces ten nazywany jest eskudacją.
- mechanicznej działalności roślin (rozrastające się korzenie) i zwierząt (kretów, gryzoni i zwierząt kopytnych).Wietrzenie chemiczne - polega na zmianie składu mineralnego skały, czyli doprowadza do jej rozkładu, czyli:
- rozpuszczenia (solucji), czyli rozpuszczaniu minerałów pod wpływem wody.
- utlenienia (oksydacji
- uwodnienia (hydratacji), łączenia się niektórych minerałów z wodą.
- uwęglanowienia (karbonatyzacji), polegającego na rozpuszczaniu i wypieraniu przez wodę zawierającą dwutlenek węgla węglanów wapnia, magnezu i żelaza, a także rozkładaniu krzemianów i glinokrzemianów, i przechodzeniu ich w węglany.
 Wietrzenie biologiczne - polega na mechanicznym i chemicznym niszczeniu skał, ponieważ wzrost korzeni powoduje rozszerzanie się szczelin skalnych i pękanie skał, a substancje chemiczne i kwasy organiczne wydzielane przez rośliny, rozpuszczają i rozkładają skały. Również podziemne zwierzęta ryjące przyczyniają się do tego typu wietrzenia. Najszybciej porastają skały glony i porosty, które jako pierwsze wzmagają proces wietrzenia biologicznego.

.

2. Skład fizyczno – chemiczny gleby.

98% składu chemicznego gleby to:

• tlen,
• krzem,
• glin,
• żelazo,
• wapń,
• sód,
• magnez,
• potas,
• wodór.

Pozostałe 2 % to:

• tytan,
• węgiel,
• chlor,
• fosfor,
• siarka,
• mangan.

Skład mechaniczny gleby, skład fizyczny gleby – wyrażona w procentach wagowych zawartość poszczególnych ugrupowań elementarnych cząstek glebowych, określonych na podstawie ich średnic (frakcji granulometrycznych): frakcje grubsze (∅>1 mm), zwane szkieletem glebowym, frakcje drobne (∅<1 mm), czyli części ziemiste.
Na podstawie udziału poszczególnych frakcji wyróżnia się grupy mechaniczne gleb: utwory kamieniste, żwiry, piaski, gliny, utwory pyłowe i iły.

 

3. Skład chemiczny i struktura minerałów.

• Plagioklazy- to szereg minerałów skałotwórczych o składzie mieszanym z grupy skaleni (skalenie sodowo-potasowe).
• Biotyt – K(Mg, Fe)₃(OH, F)₂AlSi₃O₁₀ minerał z gromady krzemianów, tworzy kryształy tabliczkowe i krótkosłupkowe. Występuje w skupieniach zbitych, ziarnistych, blaszkowych i łuskowych. Zawiera domieszki: tytanu, sodu, litu, baru, strontu, cezu, manganu.
• Kalcyt – CaCO₃ minerał z gromady węglanów. Tworzy kryształy izomeryczne, tabliczkowe, słupkowe, igiełkowe.
• gips – CaSO₄*2H₂0, tworzy kryształy o pokroju tabliczkowym, słupkowym, igiełkowym. Niektóre z nich charakteryzują się podłużnym prążkowaniem. Występuje w skupieniach zbitych, ziarnistych, grubokrystalicznych łuskowych, rozetowych, włóknistych i proszkowych.
• anhydryt – CaSO₄ ,układ rombowy.
• fluoryt – CaF₂, sześcienne lub ośmiościenne kryształy.
• karnalit –KCl * MgCl₂*6H₂O, układ rombowy.
• magnezyt – MgCO₃, występuje w skupieniach ziemistych, zbitych, ziarnistych, nerkowatych bądź włóknistych.
• dolomit - CaCO₃* MgCO₃, tworzy kryształy izometryczne (romboedry siodełkowato wygięte do góry), czasami tabliczkowe lub słupkowe. Występuje w skupieniach ziarnistych, zbitych, naskorupień i żyłek.
• magnetyt - Fe₂O₃, tworzy kryształy o pokroju izometrycznym, najczęściej przyjmujące postać ośmiościanu. Występuje w skupieniach ziarnistych, zbitych.
• piryt - FeS₂, tworzy kryształy izometryczne przyjmujące najczęściej postać sześcianów, ośmiościanów, skupienie zbite, ziarniste, skorupkowe, kuliste.
• halkopiryt (chalkopiryt) - CuFeS₂, izometryczny, oktaedry i tetraedry często prążkowane, skupienia ziarniste, zbite, masywne, często tworzy bliźniaki.
• manganit – Mn₂O₃* H₂O, kryształy o pokroju słupkowym, igiełkowym, Występuje w skupieniach ziarnistych, pręcikowych, włóknistych, promienistych.
• bornit - Cu₅FeS₄, kryształ izometryczny o postaci sześcianu, ośmiościanu, bądź ich kombinacji. Występuje w skupieniach zbitych, ziarnistych.
• blenda cynkowa – ZnS, tworzy kryształy izometryczne, często występują zbliźniaczenia oraz charakterystyczne prążki na ścianach kryształów. Występuje w formie skupień zbitych, ziarnistych, pylastych, nerkowatych, naciekowych i skorupowych.
• galena- galenit, błyszcz ołowiu, siarczek ołowiu(II), PbS,
• cynober HgS, tworzy kryształy tabliczkowe, rzadziej słupkowe.

To tylko niektóre minerały, reszta (głównie ich skład chemiczny) znajduje się w „Chemii wody i powietrza” E. Gomółki str.161 -211.