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