3.1 Fizikalne lastnosti vode

Voda ima več enkratnih lastnosti, ki jo ločijo od drugih snovi: vrelišče, sprememba gostote v odvisnosti od temperature, specifična toplota, topljivost snovi ipd. (preglednica 3.1). Vzrok za to je v molekularni strukturi vode. Molekula vode je sestavljena iz dveh atomov vodika in enega atoma kisika (H₂O) (slika 3.1).

Slika 3.1. Molekularna struktura vode (Berner in Berner, 1987).

Preglednica 3.1. Lastnosti vode v tekočem agregatnem stanju (Berner in Berner, 1987).

Atomi so povezani v molekulo s polarnimi kovalentnimi vezmi. Dva para elektronov atomov kisika sta prosta, preostala dva pa tvorita z elektronoma vodika skupni elektronski par. Posledica je neenakomerna napetost molekule. Ker je kisikova stran molekule elektronegativnejša, je molekula električni dipol. Nastaneta dva pola, pozitivni pri atomu vodika in negativni pri atomu kisika. Različna pola se privlačita in ta privlak imenujemo vodikova vez. Vodikove vezi povezujejo molekule v asociate (H₂O)_x. Zaradi vodikovih vezi ima voda višje tališče in vrelišče kot primerljive neasociirane spojine H₂S, H₂Se in H₂Te (slika 3.7). Pri sobni temperaturi je voda v tekočem agregatnem stanju (slika 3.2). Če vodikovih vezi med molekulami vode ne bi bilo, bi bila voda pri sobni temperaturi plin (Ball, 2003).

Slika 3.2. Voda v vseh treh oblikah.

Omenjene vezi so samo deset– do petdesetkrat šibkejše od vezi med atomi kisika in vodika v sami molekuli. V ledu se te vezi oblikujejo v značilne tetraedalne povezave (slika 3.2c).

V tekoči vodi molekule niso tako strnjeno in urejeno povezane, vseeno pa so vezi urejene (slika 3.2b). Tetraedalna struktura molekularnih povezav je vzrok enkratnih lastnosti vode, ki jih nimajo tekočine brez omenjenje strukture. Ko se led topi, se povezave v tetraedalni strukturi lomijo, molekule pa se lahko povežejo bolj prosto in tudi bolj tesno ena ob drugi. Posledica je pojav večje gostote vode tik nad točko taljenja. O strukturi molekularnih povezav v tekoči vodi danes še teče razprava v znanstvenih krogih (Berner in Berner, 1987). Poznanih je več modelov, zasnovanih na mešanici različnih molekul vode. Najpreprostejši modeli vsebujejo dva tipa molekul (z vodikovimi vezmi in brez njih), bolj zapleteni pa tudi pet različnih tipov molekul.

Vodik in kisik imata svoje izotope (preglednica 3.2). Delež posameznih izotopov v vodi spreminja kemijske in biološke reakcije vode. Izotopi so tudi naravna sledila in njihova količina v vodi nam omogoča ugotavljanje vira vzorca vode. Radioaktivni izotop vodika tricij se je v večjih količinah pojavil v atmosferi kot posledica radioaktivnih poizkusov. Razpolovni čas izotopa je 12.5 let in nam omogoča ugotavljanje "starosti vode" po prenehanju poizkusov.

Preglednica 3.2. Značilnosti izotopov vodika in kisika (Dingman, 1993).

Pri taljenju ledu hidrogenske vezi pokajo, gostota pa se hitro poveča, ker so molekule bolj zgoščene. Gostota vode se po taljenju povečuje do temperature 4⁰ C (bolj točno 3.98⁰ C). Po maksimumu pri štirih stopinjah se gostota vode zvezno zmanjšuje do vrelišča (slika 3.3). Ker je led lažji od vode, plava na površini, zato voda v jezerih ne zmrzne do dna.

Hitro zmanjšanje gostote pri zmrzovanju povzroča povečanje volumna ledu za 9 % in tlaka do 207 000 kPa, kar je dovolj za trenje še tako močne kamenine. Pojav povzroča krušenje in erozijo kamenin zaradi zmrzovanja vode v razpokah.

Elektrostatične lastnosti molekule vode vežejo molekule vode z molekulami drugih snovi z zelo močnimi adhezijskimi silami. Tako rekoč so vse higroskopne površine pri normalni temperaturi prekrite s slojem adsorbirane vode, debeline nekaj deset molekul in vezane s silami, ki presegajo 10¹² Pa (Marsily, 1986) (slika 3.4). Posledica je oblikovanje higroskopsko vezane vode v tleh.

Slika 3.3. Soodvisnost med gostoto vode in ledu ter temperaturo

Na stiku vode z zrakom se pojavi površinska napetost kot posledica hidrogenskih sil, usmerjenih v notrajnost vodnega telesa (slika 3.4). Površinska napetost je vzrok za sferično obliko vodne kapljice. Dimenzija površinske napetosti je enaka sili, deljeni z razdaljo, in se hitro zmanjšuje z zvišanjem temperature. Iz tega razloga je vroča voda boljše čistilno sredstvo od hladne, saj lažje prodre v pore.

Slika 3.4. Sile med površinskimi (P) in notranjimi (N) molekulami vode.

Pri temperaturi 20⁰ C znaša površinska napetost vode 0.073 Nm^-1 (Maidment, 1992; Leeden et al., 1990). Manjša količina vode na površini trdne snovi oblikuje kapljevino (slika 3.5). Oblika kapljice je odvisna od lastnosti tekočine, trde snovi in zraka oziroma od njihovih medsebojnih površinskih napetosti.

Slika 3.5. Kot q med meniskusom in steno (Dingman, 1993).

Kot med površino kapljevine in trdno snovjo (slika 3.6) je določen z ravnovesjem tlakov:

  , enačba 3.1

kjer je:

(tz) trdna snov – zrak,

(tv) trdna snov – voda in

(vz) voda – zrak.

Slika 3.6. Mejna ploskev med zrakom, vodo in trdno snovjo (prirejeno po Marsily, 1986).

Vrednosti kota   za nekatere snovi so podane v preglednici 3.3 (Dingman, 1993). Za vodo je pri hidrofilnih snoveh kot   manjši od 90⁰ in pri hidrofobnih večji od 90⁰.

Preglednica 3.3. Vrednosti kota površinske napetosti med vodo in različnimi trdnimi snovmi.

trdna snov	kot površinske napetosti  [0]	cos
steklo	0	1.0000
večina silikatnih mineralov	0	1.0000
led	20	0.9397
platina	63	0.4540
zlato	68	0.3746
smukec (lojevec)	86	0.0698
parafin	od 105 do 110	od –0.2588 do –0.3420
šelak	107	–0.2924
vosek	107	–0.2924

Pri gibanju vode, ki meji s trdno snovjo, so hitrosti na meji zaradi vodikovih vezi enake nič. Z oddaljenostjo od meje se hitrost postopoma povečuje, med molekulami vode pa zaradi različne hitrosti prihaja do strižnih napetosti, opredeljenih s koeficienti viskoznosti (preglednica 3.6).

Zaradi površinske napetosti vode lahko lahki insekti hodijo po vodi, saj je njihova teža premajhna, da bi predrli površinski film vode in s tem premagali površinsko napetost. Površinska napetost vode je koristna tudi na taborjenju. Na šotorskem platnu se ob dežju ustvari film vode, ki zaradi površinske napetosti napolni pore v tkanini, ter s tem ustvari neprepusten ščit. Če se platna dotaknemo, razbijemo površinsko napetost in šotor nam začne prepuščati vodo.

Vrelišče in tališče vode se razlikujeta glede na podobne snovi. Na sliki 3.7 so podani podatki za vodo H₂O, žveplov vodik H₂S, selenov vodik H₂Se in telurjev vodik H₂Te v odvisnosti od molekularne teže. Če bi se voda obnašala kot druge podobne snovi, bi bilo njeno vrelišče pri 80⁰ C. Visoki točki vrelišča in tališča ter velika razlika med njima omogočajo pojav vode v vseh fazah na površini Zemlje in razvoj življenja na Zemlji, kot ga poznamo.

Slika 3.7. Vrelišče in tališče različnih snovi.

Specifična toplota vode je višja kot pri kateri koli znani tekočini z izjemo amoniaka. Del toplotne energije, ki jo voda sprejema, se izkorišča za rahljanje vodikovih vezi in ne samo za povečano gibljivost molekul. Visoka specifična toplota omogoča, da večje količine akumulirane vode (jezera) svoje temperature ne spreminjajo tako hitro (preglednica 3.6).

Toplota izhlapevanja znaša 2.454 MJkg^-1 pri 20^o C in je ena od največjih (večjo ima samo vodikov peroksid) (preglednica 3.6). Energija je potrebna za trganje vodikovih vezi med molekulami. Pojav je pomemben pri prenosu energije v hidrološkem krogu, ko se pri izhlapevanju in kondenzaciji med atmosfero in zemeljsko površino izmenjujejo ogromne količine energije. 23 % solarne radiacije, ki dospe na zemeljsko površino, se absorbira z izhlapevanjem vode. Tudi človeško telo (sestavljeno iz 70 % vode) vzdržuje konstantno temperaturo zahvaljujoč izhlapevanju. Do izhlapevanja prihaja tudi, ko je voda v trdi fazi. Pojav se imenuje sublimacija in zahteva približno 2.83 MJkg^-1. Toplota taljenja je dosti manjša in znaša eno sedmino toplote izhlapevanja (preglednica 3.6).

Voda je izredno prosojna, kar omogoča svetlobi, da doseže v čisti vodi tudi globino stotih metrov in sproži procese fotosinteze. Za infrardeče in ultravijolične žarke je voda močan absorbent. Infrardeče sevanje absorbira tudi vlaga v zraku in tako vpliva na energetsko bilanco Zemlje.

Omenjene lastnosti vode so, poleg temperature, odvisne od vrste in količine raztopljenih snovi v vodi. Tako na primer pri morski vodi, ki vsebuje veliko soli, ne zasledimo anomalije pri spremembi gostote in se po točki taljenja njena gostota zvezno zmanjšuje (ni maksimuma pri štirih stopinjah). Zato lahko voda v oceanih zmrzne do večjih globin.