HYDROLOGIA wykład 1

12.10.2012r.

Prowadzący: Marek Nawalany, p.814

WODA – PODSTAWA ŻYCIA I CYWILIZACJI

1. Woda – dopasowuje się do obszarów, w których się znajduje.

Wszystkie procesy na świecie mają swoją dynamikę, dzieją się dynamicznie, są w ciągłym ruchu
(zaobserwowano to na podstawie zachowania się wody).

Wisła – nazwa rzeki od słowa „woda” – „vis” (w języku węgierskim woda w dalszym ciągu
rozumiana jest jako „vis”).

2. Organizm człowieka od stadium embrionalnego rozwija się w wodzie, woda jest niezbędna do

życia (wypłukuje z organizmy toksyny i odpady reakcji biochemicznych = bez wody po trzech
dniach rozpocząłby się proces zatruwania organizmu przez te odpady).

3. Co to jest woda?

„Natura jest ciągłym ruchem materialnych i niepodzielnych cząstek (atomów), których połączenie daje
w efekcie różnorodne ciała” – Demokryt z Abdery

XVIII w. – Antoni Levoisier (ojciec współczesnej chemii) – wymyślił równania stechiometryczne.
Rozłożył wodę na atomy proste – udowodnił, że woda nie składa się z jednej, a z dwóch substancji
(wodór i tlen) – stworzył do tego całą teorię, prawo zachowania masy – jest twórcą fundamentalnych
stwierdzeń współczesnej nauki.

4. Cząsteczka wody

 H

2

O – najprostszy trwały związek wodoru z tlenem (88,81% masy – tlen, 11,19% masy –

wodór).

Ponieważ obie te substancje mogą występować w postaci izotopów, istnieje 36odmian izotopowych
wody (3 izotopy wodoru i 6 izotopów tlenu).

Izotopy wodoru:

 Hydrogen H

1

– 1 proton, 1 elektron, cząstka jest z zewnątrz neutralna

 Deuter D

2

– 1 proton, 1 elektron, 1 neutron – cząstka jest neutralna z zewnątrz

 Tryt T

3

– 1 proton, 1 elektron, 2 neutrony – jest niestabilny, promieniotwórczy, emituje cząstki

γ; jest w stanie wzburzonym, schodzi niżej pod względem energetycznym i wtedy emituje
cząstkę γ.

Izotopy tlenu:

 O

16

– O

19

– przybywa neutronów, atom robi się coraz cięższy.

Wodory (jako cząsteczka) mogą wchodzić do cząsteczki wody na 6 sposobów:

1

 HH
 HD
 HT
 DD
 TT
 DT

W każdym może występować 6 różnych odmian tlenu, zatem 6*6 = 36

Względna częstość występowania ważniejszych odmian izotopowych:

H

2

16

O

100 000

H

2

18

O

204

H

2

17

O

37

D

2

16

O

5 (ciężka woda)

Doczytać: do czego w przemyśle jądrowym używa się ciężkiej wody i dlaczego? Co to była bitwa o
ciężką wodę? – woda ciężka spowalnia szybkie atomy…

5. H

2

O – prosta cząstka wody; cząstka dipolowa (tj. ładunek dodatni i ujemy są rozsunięte),

odległość H-O wynosi 0,96A, odległość H-H wynosi 1,54A, kąt rozwarcia H-O-H wynosi
105

o

.

Zasada Pauliego – w jednym punkcie (jednej przestrzeni) nie mogą przebywać dwie cząstki
elementarne o tych samych liczbach kwantowych. – jądro wodoru zbliża się do atomu tlenu, ale
generalnie elektrony je wypychają z powrotem.

Wniosek: tworzą się asocjacje (tzw. megacząstki). Wiązania wodorowe są bardzo słabe – szybko się
rozpadają. Asocjacje są największe przy temperaturze wody bliskiej 0

o

(przejście ze stanu stałego do

2

Cząsteczka H

2

O

Model dipolowy (bieguny

rozsunięte od siebie o stałą

odległość) – elektrony

wodorowe są przesunięte

względem jądra – powstaje

dipol

Asocjacja H

6

O

3

cząsteczki H

2

O

ciekłego) – 0

o

to najniższa temperatura, w której woda ma stan ciekły – cząsteczki wody w tej

temperaturze mają najniższą energię kinetyczną.

Temperatura – miara średniej energii kinetycznej cząstek.

 Liczba koordynacyjna – liczba najbliższych sąsiadów – w krysztale lodu = 4
 Układ elementarnej cząsteczki wody – heksagonalny

6. Gęstość wody – anomalna rozszerzalność wody

 Gęstość wody w przedziale (0

o

C – 3,98

o

C) wzrasta

 Gęstość wody w przedziale (3,98

o

C – 100

o

C) maleje.

Temperatura [

o

C]

Gęstość [kg/m

3

]

0

999,87

3,98

1000,00

5

999,99

10

999,73

15

999,13

(ilustracja tabeli na wykresie)

Takie zachowanie gęstości względem temperatury = ANOMALIA

Gęstość lodu jest o 10% mniejsza niż gęstość wody w temperaturze 0

o

C – wynosi 916,80 kg/m

3

.

3

Ze wzrostem temperatury wszystkie substancje (normalnie) rozszerzają się – ich gęstość maleje. Z
wodą jest inaczej. Dlaczego w przedziale (0

o

C – 3,98

o

C) gęstość wody rośnie?

W miarę dostarczania energii do wody – w0

o

C było bardzo dużo asocjacji- asocjacje zrywają się,

przez co z dużych megacząstek tworzą się elementarne cząstki H

2

O, które „lepiej się upakowują”. –

lepsze upakowanie zwycięża nad rozszerzaniem się, zatem gęstość rośnie (a nie maleje). W drugim
przedziale (3,98

o

C – 100

o

C) powoli zaczyna wygrywać (przeważać) proces rozszerzania się substancji.

W temperaturze 0

o

C występuje skokowa wartość temperatury (lód jest mniej gęsty od wody) –

dlaczego? Zanika układ chaotyczny, natura wymaga porządku i symetrii – taka sama ilość materiału w
stanie stałym zajmuje więcej miejsca – kryształy lodu potrzebują więcej miejsca, dużo osi symetrii,
objętość zwiększa się.

7. Woda przechłodzona

Zdarza się, że mając wodę w 0

o

C, a ciepło odbierając jej spokojnie, bez drgań, można doprowadzić

wodę do temperatury -5

o

C bez uzyskania zarodzi krystalicznych.

Krzepnięcie cieczy przechłodzonej odbywa się w ułamku sekundy.

8. Podstawowe własności wody

Masa cząsteczkowa

18,0153

Gęstość, kg/m3 (20

o

C)

998,2

Temperatura topnienia,

o

C

0,0

Temperatura wrzenia,

o

C

100,00

Temperatura max. Gęstości,

o

C

3,98

Ciepło topnienia, J/g

333,75

Ciepło parowania, J/g

2260

Ciepło właściwe, J/(gK)

4,19

Napięcie powierzchniowe, Nm/m (20

o

C)

72,75

Lepkość dynamiczna, mNs/m

2

1,000

Przewodność elektrolityczna, S/m

5*10

-6

Masa cząsteczkowa – średnia ważona mas wszystkich odmian wody, występujących w przyrodzie
(mnożona przez częstość występowania jako wagę)

Ciepło topnienia = ciepło krzepnięcia [J/g] - tyle dżuli trzeba dostarczyć, aby stopić 1g wody

Ciepło właściwe – ile dżuli dostarczyć, aby ogrzać 1g wody o 1K [J/gK]

Podstawowe własności wody – cd:

Konsekwencje gęstości wody:

 Lód wypływa na powierzchnię zbiorników wodnych
 Woda o największym ciężarze właściwym (temp. 3,98*C) „tonie” i znajduje się na dnie

zbiornika wodnego

 Woda osiąga gęstość lodu dopiero w temperaturze +70*C.

4

9. Prawo Archimedesa – ciało A unosi się na powierzchni ciała B tylko wtedy, gdy ρ

A

≤ ρ

B.

10. Ciepło właściwe wody:

 Wśród wszystkich substancji chemicznych woda odznacza się jedną z największych wartości

ciepła właściwego – 4186 J/(kgK)

 Oznacza to dużą pojemność cieplną wody, a w konsekwencji dużą bezwładność (łagodność)

zbiorników wodnych na temperaturowe wymuszenia zewnętrzne – trudno odebrać wodzie
ciepło, ale trudno też ją ogrzać.

 Duża wartość ciepła topnienia lodu powoduje, że woda pod lodem jest dobrze izolowana

termicznie

5