Woda


. Niebieski przedstawia oceany i morza otwarte, biały- morza zamknięte i jeziora a szary lądy
dookoła cząsteczki wody: kolor czerwony – cząstkowy ładunek ujemny, kolor niebieski – cząstkowy ładunek dodatni
, przerywane – wiązania wodorowe.
Woda (tlenek wodoru; nazwa systematyczna IUPAC: oksydan) – związek chemiczny o wzorze H2O, występujący w warunkach standardowych w stanie ciekłym. W stanie gazowym wodę określa się mianem pary wodnej, a w stałym stanie skupienia – lodem. Słowo woda jako nazwa związku chemicznego może się odnosić do każdego stanu skupienia.

Woda jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem dla substancji polarnych. Większość występującej w przyrodzie wody jest "słona" (około 97,38%), tzn. zawiera dużo rozpuszczonych soli, głównie chlorku sodu. W naturalnej wodzie rozpuszczone są gazy atmosferyczne, z których w największym stężeniu znajduje się dwutlenek węgla.

Woda naturalna w wielu przypadkach przed zastosowaniem musi zostać uzdatniona. Proces uzdatniania wody dotyczy zarówno wody pitnej jak i przemysłowej.

Pochodzenie wody

Występowanie wody

Woda jest na Ziemi bardzo rozpowszechniona. Występuje głównie w oceanach, które pokrywają 70,8% powierzchni globu, ale także w rzekach, jeziorach i w postaci stałej w lodowcach. Część wody znajduje się pod powierzchnią ziemi lub w atmosferze (chmury, para wodna). Niektóre związki chemiczne zawierają cząsteczki wody w swojej budowie (hydraty – określa się ją wówczas mianem wody krystalizacyjnej). Woda występująca w przyrodzie jest roztworem soli i gazów. Najwięcej soli mineralnych zawiera woda morska i wody mineralne; najmniej woda z opadów atmosferycznych. Wodę o małej zawartości składników mineralnych nazywamy wodą miękką, natomiast zawierającą znaczne ilości soli wapnia i magnezu – wodą twardą. Oprócz tego wody naturalne zawierają rozpuszczone substancje pochodzenia organicznego, np. mocznik, kwasy humusowe itp.

Woda na ciałach niebieskich

NASA odkryła wodę na Marsie 31 lipca 2008&nbsp;roku<ref>Sonda Phoenix potwierdza istnienie wody na Marsie</ref>. Obecność wody na Księżycu w głębi zacienionego krateru została wykazana podczas misji LCROSS 8 października 2009&nbsp;r. Występowanie znaczących ilości wody na innych ciałach niebieskich nie zostało wykazane, chociaż istnieją pośrednie dowody jej występowania, np. na niektórych księżycach Jowisza.

Właściwości fizyczne wody

</ref><ref>
</ref>). Maksimum silnej absorpcji przypada na 760 nm i ramię tego pasma wchodzi częściowo w zakres widzialny (<700 nm). Obecne są też dwa słabe maksima przy 605 i 660 nm. Pochłaniane promieniowanie powoduje przejścia pomiędzy poziomami oscylacyjnymi, a w efekcie silnie wzbudzone drgania atomów cząsteczek wody. Zachodzenie pasm absorpcji oscylacyjnej na zakres widzialny jest unikalną cechą wody i stanowić może jedyny przypadek takiego źródła barwy substancji. Pozostałe barwne cząsteczki i atomy zawdzięczają swój kolor absorpcji światła widzialnego przez elektrony<ref name=Braun /> (barwa może być też wynikiem zjawisk optycznych).

W stanie gazowym pasma absorpcji wody przesunięte są w kierunku światła widzialnego (wyższej częstotliwości), a w stanie stałym w kierunku podczerwieni (niższej częstotliwości), co wynika odpowiednio, z osłabienia i wzmocnienia oddziaływań wodorowych. Lód wykazuje także barwę niebieską w świetle przechodzącym, a jego widmo IR jest zbliżone do widma wody ciekłej. Światło przechodzące przez śnieg ma szczególnie intensywnie niebieską barwę w wyniku wielokrotnego rozproszenia<ref name=Braun />.

W ciężkiej wodzie (D2O) drgania oscylacyjne przesunięte są znacząco w kierunku podczerwieni (pasmo 760 nm wody znajduje się przy ok. 1000 nm), w wyniku czego ciężka woda jest bezbarwna. Zjawisko to jest jednym z dowodów na poprawność przypisania barwy wody absorpcji oscylacyjnej<ref name=Braun />.

Budowa i właściwości chemiczne

Cząsteczki wody są nieliniowe, a wiązania H–O są silnie spolaryzowane i stąd woda ma trwały moment dipolowy – czyli jest silnie polarna. Kąt między wiązaniami wodór-tlen-wodór (H―O―H) w fazie ciekłej wynosi ok. 105°. W postaci stałej (lodu) kąt między tymi wiązaniami jest równy ok. 108°.

W fazie ciekłej nieustannie powstają i pękają wiązania wodorowe pomiędzy cząsteczkami wody. Woda ulega łatwej protonacji i deprotonacji od kwasów tworząc jon hydroniowy H3O+. Jon ten również łączy się wiązaniami wodorowymi tworząc kation Zundela H5O2+, kation Eigena H7O3+ i większe aglomeraty.
W strukturze krystalicznej wiązania wodorowe nie ulegają zrywaniu i determinują heksagonalny układ krystalograficzny wody.
Gdy podda się wodę ciśnieniu większym niż 3900 MPa woda zwiększa gęstość do około 1,5 g/cm³ i powstaje lód o temperaturze powyżej 0&nbsp;°C.

Autodysocjacja wody

W fazie ciekłej woda ulega samoistnej jonizacji zwanej autodysocjacją zgodnie z reakcją:
H2O + H2O → H3O+ + OH−

Równowagę autodysocjacji wody opisuje tzw. iloczyn jonowy wody, który w temperaturze 20&nbsp;°C jest równy ok. 10-14 (zwykle wielkość bezwymiarowa lub mol2/kg2) (zobacz skala pH).

.

Powstawanie w reakcjach chemicznych

Woda jest produktem ubocznym wielu reakcji chemicznych, np.
2H2 + O2 → 2H2O
2C2H5OH + 7O2 → 4CO2 + 6H2O
NaOH + HCl → NaCl + H2O
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3↓ + H2O
K2O + H2SO4 → K2SO4 + H2O
Na2SO4 + 4H2 → Na2S + 4H2O
C2H5OH + HCOOH → HCOOC2H5 + H2O

Znaczenie biologiczne

Woda jest powszechnym rozpuszczalnikiem związków ustrojowych i niezbędnym uzupełnieniem pokarmu wszystkich znanych organizmów. Uczestniczy w przebiegu większości reakcji metabolicznych, stanowi środek transportu wewnątrzustrojowego, np. produktów przemiany materii, substancji odżywczych, hormonów, enzymów. Reguluje temperaturę. Stanowi płynne środowisko niezbędne do usuwania końcowych produktów przemiany materii. Woda stanowi średnio 70% masy dorosłego człowieka, w przypadku noworodka ok. 15% więcej, 60–70% limfy, 95% osocza krwi, 90% liści, owoców, 20% kości, 10% szkliwa zębów, tkanki tłuszczowej.

Aż miliard ludzi na świecie nie ma bezpośredniego dostępu do wody pitnej. Każdego dnia choroby wynikające z niedostatku czystej wody powodują śmierć wielu tysięcy ludzi, głównie dzieci.

Znaczenie kulturowe

W kulturowej symbolice woda jest jednym z żywiołów: czterech w kulturze europejskiej, pięciu w tradycji chińskiej, pięciu w tradycji japońskiej, trzech w tradycji celtyckiej (tu woda jest tylko częścią jednego z żywiołów). Przeciwstawiana jest ogniowi, powietrzu i ziemi (w Europie), ogniowi, metalowi, drewnu i ziemi (w Chinach), ogniowi, powietrzu, ziemi i piorunowi (w Japonii). W tradycji celtyckiej żywioły to Ziemia, Ogień i Sztorm, woda jest częścią tego ostatniego.

Symbolizuje życie, płodność i oczyszczenie (choć bywa także ukazywana jako siła zła, zwłaszcza w przeciwstawieniu wody czystej i brudnej). Woda jest częstym elementem mitów kosmogonicznych. Bywa też uważana za medium ułatwiające przejście z jednego świata do drugiego (w mitologii greckiej Charon przewoził łodzią duszę zmarłego do Hadesu, gdzie pijąc wodę ze źródła Lete zapominała o minionej egzystencji)<ref name="Zamarovský">; polskie wydanie: Bogowie i herosi mitologii greckiej i rzymskiej (Encyklopedia mitologii antycznej, Słownik mitologii greckiej i rzymskiej).</ref>. W wielu religiach zanurzenie w wodzie symbolizuje oczyszczenie i odrodzenie (por. chrzest).

Rozszerzalność temperaturowa

{ class="wikitable" width="190px" align="right"
!style="background:#efefef;" "2" gęstość wody w funkcji temperatury

!style="background:#efefef;" temp. [°C]
!style="background:#efefef;" gęstość [kg/m³]

align=right+100&nbsp;&nbsp;958,4

align=right+80&nbsp;&nbsp;971,8

align=right+60&nbsp;&nbsp;983,2

align=right+40&nbsp;&nbsp;992,2

align=right+30&nbsp;&nbsp;995,6502

align=right+25&nbsp;&nbsp;997,0479

align=right+22&nbsp;&nbsp;997,7735

align=right+20&nbsp;&nbsp;998,2071

align=right+15&nbsp;&nbsp;999,1026

align=right+10&nbsp;&nbsp;999,7026

align=right+4&nbsp;&nbsp;999,9720

align=right0&nbsp;&nbsp;999,8395

align=right <font color=purple>−10&nbsp;&nbsp;<font color=purple>998,117

align=right<font color=purple>−20&nbsp;&nbsp;<font color=purple>993,547

align=right<font color=purple>−30&nbsp;&nbsp;<font color=purple>983,854

2<small>Źródło: Lide, D. R. (Ed.), (1990), CRC Handbook of Chem. and Phys.
<font color=purple>Informacje dla temperatur poniżej 0&nbsp;°C dot. wody jako cieczy przechłodzonej</font>.
}

Woda, jako jedna z niewielu substancji, nie zwiększa swojej objętości monotonicznie z temperaturą w całym przedziale temperatur od 0 do 100&nbsp;°C. Zależność gęstości wody od temperatury pokazana jest<ref>Dokładniejsze dane o zależności gęstości od temperatury w zakresu 0–40&nbsp;°C</ref> w tabelce obok. Poniżej +3,98&nbsp;°C objętość zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury, co wśród ogółu substancji chemicznych jest anomalią (patrz: anomalna rozszerzalność wody). Anomalia spowodowana jest specyficznym kształtem cząsteczki wody oraz istnieniem silnych wiązań wodorowych. Wiązania te nadają wodzie względnie dużą gęstość, a ponadto pękają w obszarze anomalnym, zwiększając nieuporządkowanie wśród cząsteczek, a co za tym idzie, zwiększając również objętość cieczy. Z tego samego powodu objętość wody wzrasta również podczas krzepnięcia – dlatego lód pływa po powierzchni wody, rozsadza naczynia, kruszy spękane skały, niszczy nawierzchnię dróg itp.

Zastosowanie wody

Jako substancja użytkowa woda ma wiele zastosowań. Najważniejsza jest woda pitna, w gospodarstwach domowych jest używana woda do celów sanitarno-bytowych, w rolnictwie zaś do nawadniania pól. Znaczne ilości wody zużywają zakłady przemysłowe. Woda przemysłowa może służyć jako substancja będąca przekaźnikiem ciepła, magazynująca ciepło lub je odbierająca (substancja chłodząca), poza tym jako reagent, rozpuszczalnik itp.

Rodzaje wody

Rodzaje wody w zależności od czystości i zastosowania (w przybliżeniu w kolejności procesu produkcyjnego):

Rodzaje wody w żywności

rozpuszczalnik substancji organicznych i związków mineralnych. Łatwo wydziela się z produktu, pod wpływem czynników zewnętrznych, o właściwościach zbliżonych do właściwości wody w rozcieńczonych roztworach soli, powiązana siecią wzajemnych wiązań wodorowych.
* woda strukturalna (<0,03%)
jest integralną częścią składników niewodnych, ulokowana w wolnych przestrzeniach makrocząsteczek, lub związana w postaci wodzianów.
* woda związana w postaci monowarstwy (0,1–0,9%)
silnie oddziałuje z grupami polarnymi i zjonizowanymi składników niewodnych
* woda uwięziona (ok. 5–96%)
o właściwościach wody wolnej, ale uwięziona w niewypełnionych przestrzeniach składników strukturalnych lub w żelach, przez co jej przepływ jest utrudniony.

Zanieczyszczenia

Klasyfikacja zanieczyszczeń ze względu na:

Oczyszczanie

Biologiczne:
Chemiczne:
Mechaniczne:

Ciekawostki

Zobacz też

Roztwory wodne: