HYDROLOGIA wykład 1 12.10.2012r.
ProwadzÄ…cy: 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 siÄ™ 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 rozpoczÄ…Å‚by siÄ™ 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. CzÄ…steczka wody
·ð H O  najprostszy trwaÅ‚y zwiÄ…zek wodoru z tlenem (88,81% masy  tlen, 11,19% masy 
2
wodór).
Ponieważ obie te substancje mogą występować w postaci izotopów, istnieje 36odmian izotopowych
wody (3 izotopy wodoru i 6 izotopów tlenu).
Izotopy wodoru:
·ð Hydrogen H1  1 proton, 1 elektron, czÄ…stka jest z zewnÄ…trz neutralna
·ð Deuter D2  1 proton, 1 elektron, 1 neutron  czÄ…stka jest neutralna z zewnÄ…trz
·ð Tryt T3  1 proton, 1 elektron, 2 neutrony  jest niestabilny, promieniotwórczy, emituje czÄ…stki
ł; jest w stanie wzburzonym, schodzi niżej pod względem energetycznym i wtedy emituje
czÄ…stkÄ™ Å‚.
Izotopy tlenu:
·ð O16  O19  przybywa neutronów, atom robi siÄ™ coraz cięższy.
Wodory (jako cząsteczka) mogą wchodzić do cząsteczki wody na 6 sposobów:
1
·ð HH
·ð HD
·ð HT
·ð DD
·ð TT
·ð DT
W każdym może występować 6 różnych odmian tlenu, zatem 6*6 = 36
Względna częstość występowania ważniejszych odmian izotopowych:
H216O 100 000
H218O 204
H217O 37
D216O 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. H2O  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
105o.
Asocjacja H O
6 3
czÄ…steczki H O
2
CzÄ…steczka H O
2
Model dipolowy (bieguny
rozsunięte od siebie o stałą
odległość)  elektrony
wodorowe są przesunięte
względem jądra  powstaje
dipol
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 wypychajÄ… z powrotem.
Wniosek: tworzą się asocjacje (tzw. megacząstki). Wiązania wodorowe są bardzo słabe  szybko się
rozpadają. Asocjacje są największe przy temperaturze wody bliskiej 0o (przejście ze stanu stałego do
2
ciekłego)  0o to najniższa temperatura, w której woda ma stan ciekły  cząsteczki wody w tej
temperaturze mają najniższą energię kinetyczną.
Temperatura  miara średniej energii kinetycznej cząstek.
·ð Liczba koordynacyjna  liczba najbliższych sÄ…siadów  w krysztale lodu = 4
·ð UkÅ‚ad elementarnej czÄ…steczki wody  heksagonalny
6. Gęstość wody  anomalna rozszerzalność wody
·ð GÄ™stość wody w przedziale (0oC  3,98oC) wzrasta
·ð GÄ™stość wody w przedziale (3,98oC  100oC) maleje.
Temperatura [oC] Gęstość [kg/m3]
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 0oC  wynosi 916,80 kg/m3.
3
Ze wzrostem temperatury wszystkie substancje (normalnie) rozszerzają się  ich gęstość maleje. Z
wodą jest inaczej. Dlaczego w przedziale (0oC  3,98oC) gęstość wody rośnie?
W miarę dostarczania energii do wody  w0oC było bardzo dużo asocjacji- asocjacje zrywają się,
przez co z dużych megacząstek tworzą się elementarne cząstki H2O, które  lepiej się upakowują . 
lepsze upakowanie zwycięża nad rozszerzaniem się, zatem gęstość rośnie (a nie maleje). W drugim
przedziale (3,98oC  100oC) powoli zaczyna wygrywać (przeważać) proces rozszerzania się substancji.
W temperaturze 0oC 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 0oC, a ciepło odbierając jej spokojnie, bez drgań, można doprowadzić
wodÄ™ do temperatury -5oC bez uzyskania zarodzi krystalicznych.
Krzepnięcie cieczy przechłodzonej odbywa się w ułamku sekundy.
8. Podstawowe własności wody
Masa czÄ…steczkowa 18,0153
Gęstość, kg/m3 (20oC) 998,2
Temperatura topnienia, oC 0,0
Temperatura wrzenia, oC 100,00
Temperatura max. Gęstości, oC 3,98
Ciepło topnienia, J/g 333,75
Ciepło parowania, J/g 2260
Ciepło właściwe, J/(gK) 4,19
Napięcie powierzchniowe, Nm/m (20oC) 72,75
Lepkość dynamiczna, mNs/m2 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:
·ð Lód wypÅ‚ywa na powierzchniÄ™ zbiorników wodnych
·ð Woda o najwiÄ™kszym ciężarze wÅ‚aÅ›ciwym (temp. 3,98*C)  tonie i znajduje siÄ™ na dnie
zbiornika wodnego
·ð Woda osiÄ…ga gÄ™stość lodu dopiero w temperaturze +70*C.
4
9. Prawo Archimedesa  ciaÅ‚o A unosi siÄ™ na powierzchni ciaÅ‚a B tylko wtedy, gdy ÁA d" ÁB.
10. Ciepło właściwe wody:
·ð WÅ›ród wszystkich substancji chemicznych woda odznacza siÄ™ jednÄ… z najwiÄ™kszych wartoÅ›ci
ciepła właściwego  4186 J/(kgK)
·ð Oznacza to dużą pojemność cieplnÄ… wody, a w konsekwencji dużą bezwÅ‚adność (Å‚agodność)
zbiorników wodnych na temperaturowe wymuszenia zewnętrzne  trudno odebrać wodzie
ciepło, ale trudno też ją ogrzać.
·ð Duża wartość ciepÅ‚a topnienia lodu powoduje, że woda pod lodem jest dobrze izolowana
termicznie
5