Voda kao hemijsko jedinjenjenasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2704/11. Voda kao...I strukture CH4, NH3 i H2O se mogu objasniti hibridnim orbitalama centralnimh atoma. Osnove hemije životne

Jedanaesto predavanje

Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 1

http://www.junis.ni.ac.yu/Engl/uninis.htm

CILJEVI PREDAVANJA

1. Značaj vode.2. Potrošnja vode.3. Raspodela vode na Zemlji.4. Hemijski sastav vode.5. Geometrija molekula vode.6. Vodonična veza.7. Tačke topljenja i ključanja vode.8. Toplotni kapacitet vode.9. Gustina vode.10. Površinski napon vode.11. Električna svojstva vode.12. Providnost vode.

ISHODI PREDAVANJA

Na kraju predavanja student će biti osposobljen da:

objasni kako vodonična veza uslovljava Tt i Tk vode, toplotni kapacitet vode, gustinu vode i površinski napon vode,

objasni značaj električne provodljivosti vode i providnosti vode.



• 2/3 ljudskog tela• 90% krvi• 80-90% mišića• Gubitak od 20% = smrt• Minimalna potreba 2-5 litara/čoveku/danu• Maksimalno 7 do 10 dana bez vode

Voda


Ukupna potrošnja

Poljoprivredna potrošnja

Industrijska potrošnja

Potrošnja u domaćinstvu

Km

3 /go

din

i

¾ Zemljine površine čine okeani, mora, jezera i reke. Ukupno 1360 miliona km3 vode.


Tačka topljenja 273,15 K

Tačka ključanja 373,15 K

Gustina vode 0,99987 · 103 kg/m3 na 275,15 K

1,00000 · 103 kg/m3 na 277,15 K

Gustina leda 0,9167 · 103 kg/m3 na 273,15 °K

Molarni toplotni kapacitet 75,3 kJ/mol

Mol. toplota nastajanja 6,01 kJ/mol

Mol. toplota isparavanja 40,79 kЈ/mol na 373,15°K

Dielektrična konstanta 78,54 na 298,15°K

Dipolni momenat 1,82 D 6,13 10-30 C m

Viskozitet 0,001 kg/ms na 293,15°K

Površinski napon 0,07275 N/m na 293,15°K

Koeficijent difuzije 2,4 • 109 m2/s na 298,15°K


Voda je hemijsko jedinjenje koje se sastoji iz dva atoma vodonika i jednog atoma kiseonika.

Po masi voda se sastoji iz 11.19% vodonika i 88.81% kiseonika.


Rasprostranjenost (% ili poluživot) izotopa vodonika i kiseonika

1H 2D 3T

99.985% 0.015% 12.33 god

14O 15O 16O 17O 18O

70.6 s 122 s 99.762% 0.038% 0.200%

Relativna rasprostranjenost vode različitih izotopa H i O

H216O H2

18O H217O HD16O D2

16O HT16O

99.78% 0.20% 0.03% 0.0149% 0.022 ppm tragovi

18 amu 20 amu 19 amu 19 amu 20 amu 20 amu

Zašto pokazuje jedinstvene

osobine?

Voda

Pogledajmo molekul

vodeOsnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 8

Vodonik

Kiseonik

Nastanak molekula vode

Vodonik

1 elektron u spoljašnjem sloju

nedostaje 1 za postizanje stabilnosti

6 elektrona u spoljašnjem sloju

nedostaju dva za postizanje stabilnostiOsnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 9

Kiseonik

Nastanak molekula vode

Vodonik Vodonik

++

-

Kovalentna veza

Ukupno naelektrisanje = 0

ali molekul je polaranOsnove hemije životne sredine (T. Anđelković) 10

Tetraedarski raspored elektrona (dve veze i dva nesparena elektronska para).

Nespareni el. parovi zauzimaju više prostora pa je ugao smanjen sa 109.5°

na 104.5°.


Posebne fizičko-hemijske osobine vode su odredile da se život, ovakav kakav postoji, razvije na Zemlji.


Molekul vode je polaran sa negativnim krajem na kiseoniku, i pozitivnim krajem na atomima vodonika.

Elektronska konfiguracijavalentnih elektrona kiseonika je 2s2 2p4.

Pošto je energetski sadržaj 2s i 2p blizak, valentni elektroni imaju i s i p karakter. Nastaju sp3

hibridizovane orbitale. I strukture CH4, NH3 i

H2O se mogu objasniti hibridnim orbitalama centralnimh atoma.


CH4

H2O (два слободна електронска пара)

NH3 (jeдан слободни електронски пар)


Vodonična veza

-

++

Stvorena je veza koja

dozvoljava nastanak

3D strukture

Elektrostaticka


Vodonična veza ima veliki uticaj na fizičke karakteristike vode, kako u tečnom tako i u čvrstom stanju.



∆G = ∆H - T∆S


GAS

ČVRSTO

TEČNO

En

talp

ija

En

tro

pij

a

∆H > 0

∆S > 0

∆H > 0

∆S > 0

∆H > 0

∆S > 0

∆H < 0

∆S < 0

∆H < 0

∆S < 0

∆H < 0

∆S < 0

sublimacija depozicija

isparavanje

topljenje

kondenzacija

mržnjenje


Molarne entalpije faznih promena vode

∆H° ∆S°Topljenje leda + 6.01 kJ/mol + 22.0 J/K∙mol

Isparavanje vode + 40.67 kJ/mol + 109 J/K∙mol

P: Zašto priobalna područja imaju blagu klimu? O: Toplota isparavanja i topljenja vode

Toplota topljenja: količina toplote potrebne da prevede 1g čvrste supstance u tečno stanje na njegovoj temperaturi topljenja.Toplota isparavanja: količina toplote potrebne da prevede 1g tečne supstance u gasovito stanje na njegovoj temperaturi ključanja.

Zbog vodonične veze toplota topljenja i isparavanja vode su veće od bilo koje druge supstance.Preko leta, voda isparava sa površine okeana i pri tome koristi energiju okolne sredine zato je priobalno područje nešto hladnije.Preko zime, vodena para se kondenzuje i oslobađa energiju okolnoj sredini temperatura okolnog vazduha neznatno raste.

∆G = ∆H° - T∆S° = 0 jer je proces u ravnoteži!

odakle je:

T = ∆H°/∆S°

Ako se zamene vrednosti za vodu: ∆H° = +6.01 kJ/mol i ∆S°= + 22.0 J/Kmol, dobija se:


273K

molK

kJ0.0220

mol

kJ6.01

T


Specifični toplotni kapacitetpredstavlja količinu toplote koja je potrebna da se temperatura date mase supstance podigne za 1oC. Jedinica: cal/oC/g

Molarni toplotni kapacitet – jedinica J/molK.

Voda ima najviši toplotni kapacitet od svih uobičajenih tečnosti ili čvrstih supstanci.

▪ H2O: 1 cal/oC/g▪ Alkohol: 0.535 cal/oC/g▪ Aceton: 0.506 cal/oC/g▪ Sumporna kiselina: 0.411 cal/oC/g▪ Benzen: 0.389 cal/oC/g ▪ Živa: 0.03346 cal/oC/g


Molarni toplotni kapaciteti

Led 37.6 J/molKTečna voda 75.2 J/molKVodena para 33.1 J/molK

Zadatak:Izračunati entalpiju (u kJ) koja je potrebna da se zagreje uzorak vode od 4 mol sa -5 na 150°C.

[5 x 4.00 x 0.0376] + [6.01 x 4.00] + [(0.0752) x 4.00 x (100 - 0)] + [4.00 x 40.67] + [(150 - 100) x 4.00 x 0.0331]

Visok toplotni kapacitet vode• Potrebna je velika količina toplote da dođe do porasta temperature• Apsorbuje ili oslobađa više toplote od drugih supstanci za svaki stepen promene temperature.

Led

Topljenje

Voda

Ključanje

Para

*Količina toplote koju

apsorbuje supstanca kada

se temperatura podigne

za određeni stepen.


Veliki toplotni kapacitet omogućava uskladištenje velike količine toplote uz minimalnu promenu temperature.

Okeani absorbuju toplotu Sunca u leto i oslobađaju je zimi, bez prouzrokovanja drastičnih temperaturnih promena.

Bez absorbovanja i emitovanja toplote od strane vode, dnevne i sezonske temperature na Zemlji bi se drastično menjale, kao što se menjaju na bezvodnom Mesecu ili Merkuru.

Stabilizuje temperaturu toplokrvnih organizama.


H2O

H2S

H2Se

H2Te

Molekulska težina

Jedinstvene tačke topljenja i ključanja

Svakih 1500 mnadmorske visinesnižava tačku ključanja za 1oC.

Rastvorene supstancesnižavaju tačku mržnjenja vode.

Tačke ključanja

Tačke topljenja


Jedinstvene tačke topljenja i ključanja vodeuslovljavaju njenu stabilnost na Planeti

• Postoji kao tečnost na površini Zemlje(bez ovog svojstva ne bi bilo reka, okeana, hidrološkog

ciklusa)

• Voda je jedina prirodna supstanca koja se nalazi u sva tri agregatna stanja na temperaturama koje normalno postoje na Zemlji: tečnost, čvrsto stanje (led) i gas (vodena para).


Jedinstvene tačke topljenja i ključanja:Stabilnost vode na Planeti

The Water Cycle


Kada se voda hladi od 100ºC do 4ºC, dolazi do smanjivanja njene zapremine, voda postaje gušća.

Voda ima maksimalnu gustinu na 4oC, što predstavlja fizičku anomaliju vode.


Na temperaturama između 4°C i 0°C dolazi do daljeg pregrupisavanja molekula vode, kada nastaju takve strukture u kojima je raspored molekula ređi nego u tečnoj fazi. Molekuli zauzimaju veću zapreminu, odnosno imaju manju gustinu.

Na 0ºC tečna voda se pretvara u led, čija gustina na toj temperaturi iznosi 0.917 g/cm3.



zima

leto

proleće

jesen


Anomalna promena gustine vode sa T je od ogromnog značaja za očuvanje akvatičnog života u zatvorenim vodenim basenima (jezera, močvare).

Kada bi se voda ponašala kao većina tečnosti, jezera bi se smrzavala od dna nagore u svim oblastima na Zemlji gde se duže vremena održava temperatura ispod 0°C. Međutim, zimi se na dnu jezera zbog veće gustine skuplja sloj vode na 4°C, dok se samo površinski sloj manje gustine smrzava.

Leti se dešava obrnuta situacija, jer se na površini jezera skuplja sloj toplije vode (epilimnion, t > 4°C), ugrejan Sunčevim zračenjem, a hladnija, teža frakcija (hipolimnion, t < 4°C), se spušta na dno. Između ova dva sloja vode različite temperature nalazi se granični sloj, zvani termoklina.

U vremenu između ova dva ekstremna slučaja, tj. u proleće i jesen, grejanjem i hlađenjem površinskih slojeva dolazi do izjednačavanja temperature unutar jezera, što omogućava vertikalno mešanje. Na taj se način rastvoreni kiseonik i hranljive supstance raspoređuju uniformno u jezerskoj vodi.


• Težnja površine tečnosti da zauzme najmanju moguću površinu.• Fenomen koji postoji usled privlačnih sila ili kohezionih sila između molekula tečnosti.• Molekuli u tečnosti su okruženi sa svih strana molekulima tečnosti i izmeđi njih se javljaju privlačne sile. Molekuli na površini tečnosti nemaju molekule iznad. Usled toga intermolekulske sile su jače ka unutrašnjosti, što dovodi po pojave površinskog napona.

Kap na ledniku


Površinski napon vode je 72 din/cm na 25°C . Potrebna je sila od 72 dina da raskine film vode od 1 cm. Površinski napon vode se smanjuje sa temperaturom (grafik). Površinski napon je uzrokovan polarnom prirodom molekula vode.

Vruća voda pokazuje bolja svojstva pranja, usled smanjenog površinskog napona (bolja su joj kvašljiva svojstva). Deterdženti i sapuni dalje smanjuju površinski napon.

opseg površinskih napona

Površinski napon (din/cm)

90 različitih tečnosti

Visoka vrednost površinskog

napona vode

• neki insekti hodaju po

vodi

• formiraju se kapi kiše

Voda nastoji da se sabije u vidu kapljica pre nego da se rasprostre u vidu tankog filma.


Visoka vrednost površinskog napona

Kapila Kapilarno dejstvo rno dejstvo

• pokreće vodu i nutrijente

kroz korenov sistem (biljke ne

bi postojale bez ove osobine)

• potpomaže pumpanje

srca da se krv kreće

kroz kapilare


Voda rastvara više supstanci

od bilo koje druge tečnosti

Rastvarač je supstanca koja

rastvara drugu supstancu i

gradi rastvor.

Halit je mineral poznat pod nazivom

kuhinjska so hemijske formule NaCl.

halit


Захваљујући својој поларности вода је одличан растварач. Када се јонска или поларна једињења нађу у води, поларни молекули воде се групишу око честице, јона или молекула, и тако неутралишу сопствено наелектрисање јона или молекула. Тај процес 'ројења' молeкула растварача око растворка назива се солватација, а када је у питању вода хидратација.

Хидратисани јони и молекули због неутрализације првобитног наелектрисања више не привлаче једни друге као пре, те се откидају од кристала (или чисте течне фазе) и одлазе у водени раствор. Пошто је молекул воде релативно мали један молекул растворка окружује огроман број молекула воде стварајући око њега хидратациону сферу.


У води је растворна већина супстанци које могу да дисосују попут база, киселина и соли, затим поларнаорганска једињења попут алкохола, алдехида и кетона. Међутим, у води су нерастворна органска једињења која имају велике неполарне групе попут масти и уља.

Неполарни молекули се не мешају са водом зато што је за молекуле воде енергијски много повољније да образују водоничне везе међусобно него да се мешају са неполарним групама са којима могу да остваре само релативно слабе Ван дер Валсове силе.


Pokreće kontaminante u podzemnim vodama, rekama, sedimentima itd.

Rastvara minerale, obezbeđuje nutrijente(život ne bi postojao bez ovog procesa i osobine)


Čista voda je odličan izolator, odnosno slab provodnik.

Međutim, pošto je odličan rastvarač, u vodi uvek ima tragova rastvorka, najčešće soli. I najmanja količina takvih primesa vodu čini provodnom, jer te soli disosuju na jone, koji svojim kretanjem provode struju.

Elektroprovodljivost vode zavisi od koncentracije rastvorenih soli i temperature vode.

Elektroprovodljivost je veća ukoliko je veća koncentracija soli (salinitet) i temperatura vode.


Dielektrična konstanta ili permitivnost (ε) je mera sposobnosti

supstanci da smanji elektrostatičke sile između dva naelektrisana tela.

Što je vrednost dielektrične konstante veća, elektrostatičke sile su manje.Dielektrična konstanta za različite materijale pri 20 °C iznosi:vakuum 1 vazduh 1.00058 staklo 3benzen 2.3 sirćetna kiselina 6.2 amonijak 15.5etanol 25 glicerol 56 voda 81Vrednost dielektrične konstante opada s porastom temperature.



Voda je transparentna za vidljivu i UV svetlost.

Dopušta da potrebna svetlost za fotosintezu dosegne do velikih dubina.

Meri se pomoću Sekijevog kotura –bele ploče prečnika 30 cm, koja se uranja u vodu. Dubina na kojoj se Sekijev kotur ne vidi, predstavlja providnost vode.

Uobičajene vrednosti providnosti vode su:

- Čista destilovana voda oko 80 m- Okeanska pučina oko 50 m- Jezera oko 40 m- Reke oko 10 cm.

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Secchi_disk_pattern.svg


Visoka transparentnostuvećava eufotičnu zonu – osvetljeni deo mora

http://magicsea.com

Svetlost može da prodre duboko u vodu

(život u okeanima, morima, jezerima, evolucija na Zemlji bili bi potpuno drugačiji bez ove osobine)



Osobina Efekti i značaj

Odličan rastvarač Transportuje nutrijente i proizvode metabolizma

Maksimalna gustina na 4oC Led pliva po površini vode

Najviša vrednost toplote isparavanja od bilo koje druge tečnosti

Određuje prenos toplote i vode između atmosfere i vodenog basena

Najviša vrednost toplote topljenja od bilo koje druge tečnosti (izuzev amonijaka)

Temperatura je stabilizovana na tački mržnjenja vode

Najviši toplotni kapacitet od svih tečnosti (izuzev amonijaka)

Stabilizuje temperaturu organizmima i geografskim regionima

Transparentna za vidljivu i UV svetlost

Dopušta da potrebna svetlost za fotosintezu dosegne do velikih dubina

46Osnove hemije životne sredine (T. Anđelković)

Izaberi jedinjenja gde se javlja vodonična veza u čistim supstancama.

CH4

NH3

NO2

H2NCH2COOH H2O HBr


Izaberi jedinjenja koja mogu da nagrade vodoničnu vezu sa vodom u vodenom rastvoru

NH3

Na2S NaF CH4

MgBr2

H2NCH2COOH


Konverzija vode u vodenu paru je endoterman proces.

Tačno Netačno


Kada se saberu toplotni kapacitet vode sa toplotom topljenja i toplotom isparavanja vode odredila bi se energija potrebna za promenu čvrstog tela u tečnost i gas.

Tačno Netačno


Elektroprovodljivost je veća ukoliko je veća koncentracija soli (salinitet) i temperatura vode.

Tačno Netačno


Voda ima manji površinski napon od većine supstanci.

Tačno Netačno


U vodama u kojima je eufotična zona velika, transparentnost je mala.

Tačno Netačno


Molekuli vode na temperaturama između 4°C i 0°C zauzimaju veću zapreminu, odnosno imaju manju gustinu nego na 4°C.

Tačno Netačno


Kada temperatura tela toplokrvnih organizama raste, dolazi do isparavanja vode, što je endoterman proces, kada se koristi E okoline.

Tačno Netačno


Ugao između C-H, N-H i O-H veza u molekulima CH4, NH3 i H2O se povećava idući od CH4 ka H2O.

Tačno Netačno


Najviše slatke vode se nalazi u formi polarnog leda i lednika.

Tačno Netačno


Molekul vode je naelektrisan, pa je zbog toga polaran.

Tačno Netačno


Bez vodonične veze, voda bi bila gas na temperaturi na Zemlji.

Tačno Netačno


Kapilarno svojstvo vode je prouzrokovano gustinom vode.

Tačno Netačno


Morska voda ima manju elektroprovodljivost od slatke vode.

Tačno Netačno



Najveći toplotni kapacitet ima voda u:


b) dečjem bazenua) čaši c) olimpijskom bazenu

d) Svuda je isti

Najveći specifični toplotni kapacitet ima voda u:


b) dečjem bazenua) čaši c) olimpijskom bazenu

d) Svuda je isti

Documents

Voda kao hemijsko jedinjenjenasport.pmf.ni.ac.rs/materijali/2704/11. Voda kao...I strukture CH4, NH3 i H2O se mogu objasniti hibridnim orbitalama centralnimh atoma. Osnove hemije životne