1.

VODAVoda trea najjednostavnija molekula uope (poslije H2 i CO), najrasprostranjenija tvar na Zemlji te jedina prirodno postojea anorganska tekuina Voda jedini kemijski spoj koji se u prirodi nalazi u sva tri agregatna stanja kruto, kapljevito, plinovito Voda iako mala, jednostavna molekula, u stvari je samo na izgled trivijalna. Veliina moluke H2O skriva kompleksnost strukture na kojoj poivaju posve neobina svojstva koja idealno slue svakom obliku ivotu na Zemlji. Voda ima vrlo jednostavnu kemijsku formulu: H2O. Molekularna teina iznosi 18, a sastoji se od 11,111% H i 88,889% O. Vrlo bitna je graa, odnosno struktura molekule vode, iz koje proizlaze i sva njena svojstva.

KEMIJSKI SASTAV VODE

Slika 1 Elementni konstituenti vodeO-H udaljenost 0,95718 A 0,991 A 0,970 A kut 104,474 105,5 106 109,473

O-H udaljenost kisik

plinovita voda kapljevita voda kruta voda, led Tablica 1

vodik

Slika 2 Molekula vode

Slika 3

Tetraedarska struktura vode

Voda ima 4 priblino tetraedarski orijentirana, sp -hibridizirana elektronska para, dva u kovalentnoj vezi s atomima vodika, te dva kisikova nevezajua para. Zbog velike razlike u koeficijentu elektronegativnosti vodika i kisika, molekula vode je izrazito diplonog karaktera. Molekula vode je pozitivno nabijena na strani vodika, a negativno na strani kisika. Dipolni moment vode = 6,2410-30 Cm ili 1,87 D (Debye [debaj]), i najvei je od svih poznatih tvari. On uvjetuje sva njena fizikalna i kemijska svojstva. Rezultat je asocijacija molekula posredstvom vodikove veze (kapljevito i vrsto agregatno stanje). Vodikova veza je po karakteru je 90 % ionska, 10 % kovalentna. Udaljenost O-H vodikove veze je oko 1,86 A (23,3 kJ/mol), dok je u kovalnentnoj vezi 0,96 A (470

kJmol)

Slika 4

Voda dipolna molekula

Slika 5

Vodikova veza izmeu dvije molekule vode

H HO

HO H

H HO

H HO

H OHSlika 6Tetraedarska asocijacija vode

Slika 7

Vodikova veza pentamer vode 1

Podloge za sluanje Kolegija Voda, gorivo i mazivo

2005/2006

Fizikalna svojstva vode Ledite 273,15 K; p=101 325 Pa (n.o.) Vrelite 373,15 K; p=101 325 Pa (n.o.) Kritina toka, Tk=647,30 K (374,15oC); pk=22,12 MPa Specifina gustoa, = f (T)Spec. gustoa, g/mL 1,000 0,998 0,996 0,994 0,992 0,990 0 10 20 30 40 50 Temperatura, C

[oC] 0 4 20 50 100 led 0

T [K] 273,15 277,15 293,15 323,15 373,15 273,15

[g/mL] 0,998 0,999972 0,9982 0,988 0,9584 0,9168

Slika 8

Ovisnost spec. gustoe vode o temperaturi

- max pri p = 1 bar i = 3,.94 oC - max pri p = 100 bar i = 2.90 oC - max pri p = 600 bar i = 0 oC Poveanje volumena vode kod zagrijavanja: T1 = 293,15 K, 1 T2 = 373,15 K, 2 V2 = (V1 1 / 2 ) 100% V1 1 = V2 2 V = ((1-2 )/ 1 ) 100% = ((998,2-953)/ 998,2) 100% = 4,52% Ovaj proraun vaan je pri proraunima ekspanzijskih posuda kod centralnog grijanja ili kod rashladnih sustava. Poveanje volumena kod smrzavanja: Gustoa vode kod 273,15 K iznosi 1 = 1000 kg/m3, a gustoa leda pri istoj temperaturi iznosi 2=916,8 kg/m3. Razlika u gustoama iznosi = 83,2 kg/m3. Poveanje volumena prelaskom iz vode u led iznosi V= (83,2/1000) 100% = 8,32%. Za vodu i led vrijedi izraz: =0oC, Vv=1 m3/kg Vv v = VL L VL = Vv v / L = 1 1000/916,8 = 1,09075 m3/kg Razlika volumena iznosi u navedenom sluaju V = 1,09075 - 1,0 = 0,09075 m3/kg to u postocima iznosi 9,07%. To znai da se tek 1/11 leda koji slobodno pluta u vodi nalazi iznad razine vode. Viskozitet vodep/ Pa /

Utjecaj tlaka na toku najvie gustoe vode:

Dinam. viskozitet, cP

2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Temperatura, C

KR UT O

TEKUE

610 PLINOVITO

273,16

T/K/

Slika 9

Ovisnost kinematikog viskoziteta o temperaturi

Slika 10

Trojna toka vode

Trojna toka vode Voda se u sva tri agregatna stanja nalazi kod temperature 273,16 K (0,01oC), i tlaka para 610 Pa . Elektrina svojstva Dielektrina konstanta vode Dk (Dk = 81 kod 20 C) je vrlo velika, a to znai da su privlane sile elektriki nabijenih estica u vodi 81 puta manje nego u vakuumu. Elektrina vodljivost vode izrazito je ovisna o sadraju iona u vodi, odnosno koliini otopljenih minerala. Pa tako el. vodljivost varira od minimalnih 0,04 S/cm za potpuno demineraliziranu vodu, preko 200 -400 S/cm kod pitkih voda, pa sve do 1000 - 3000 S/cm kod morske vode. Povrinska napetost Meu fluidima, vodu karakterizira najvea povrinska napetost, to ima za posljedicu fenomen kapi i kapilarne elevacije. Transparentnost Voda je transparentna za vidljivo i ultravioletno zraenje due valne duine. Stoga je voda bezbojna, a omoguen je i proces fotosinteze ispod vodene povrine.Podloge za sluanje Kolegija Voda, gorivo i mazivo 2005/2006

2

Pri visokim tlakovima (oko 14 000 bara) voda ima posebna svojstva: moe sluiti u industriji za rezanje gume, plastinih materijala, drveta. Termodinamika svojstva vode 1. Latentna toplina otapanja leda iznosi 334,52 kJ/kg. 1 kg leda (T=273,15 K) + 334,52 kJ 1 kg vode (T=273,15 K) 2. Specifini toplinski kapacitet najvei od svih poznatih tvari: cp = cv = f () = 4,18684 kJ/kgK Osjetna toplina vode (Q1 ) iznosi 418,684 kJ/kg ( 0 100 oC ) led (T=273,15 K) + 418,684 kJ/kg kapljevita voda (T=373,15 K) Q1 = G cp = 1 100 4,18684 = 418,684 kJ/kg 3. Latentna toplina isparavanja vode (r), najvea je od svih poznatih tvari: Q2 - unutarnja toplina isparavanja 2075,41 kJ/kg Q3 - vanjska toplina isparavanja 169,56 kJ/kg 4. Entalpija vodene pare kod 373,15 K: h373,15 K = Q1 + Q2 + Q3 = 418,684+2075,41+169,56=2663,654 kJ/kg Vodena para ima najveu entalpiju od svih poznatih tvari, odnosno fluida, npr.: Benzin ............................................................. 1250 kJ/kg Amonijak NH3 .................................................. 836 kJ/kg Freon 12 ............................................................ 850 kJ/kg Raunanje entalpije vodene pare upotrebom Regnault-ovih formula (Rinjol) h=A+B(Tklj.-273,16) kJ/kg h=2535,13+1,2769(Tklj.-273,16) kJ/kg Primjeri: a/ T=373,15 K; p=105 Pa h=2535,13+1,2769 100=2662,82 kJ/kg, b/ T=473,15 K; p=16105 Pa=1,6 MPa h=2790,51 kJ/kg (iz tablica za vodenu paru h=2793,04 kJ/kg), razlika u % iznosi (2793,04-2790,5) /2790,5 100% =0,09% < 0,1%. Poveanje volumena vode kod pretvorbe u paru a/ T=273,15 K, p=101 325 Pa, n.o., 1 kg vode M - molarna masa vode: 18,016 g/mol, Vn - volumen idealnog plina pri normalnim uvjetima: 22,41 l/mol (22,41 kg/kmol) Vp1=(1000 [g] /18,016[g/mol])Vn = 55,501[g-mol] 22,41[l/mol]=1243,89 lit T=373,15 K, p= 101 325 Pa Vp2=1243,89 373/273=1699,53 lit (1730 lit u tablicama) Vodna para se ponaa kao idealni plin kod visokih temperatura i niskih tlakova. NEOBINA SVOJSTVA VODE Neobino visok specifini toplinski kapacitet Cp = 4,182 Jg-1K-1, (za usporedbu pentan ima Cp = 1.66 J/g-1K-1 pri 20C),smrzavanjem ili isparavanjem smanjuje se na vrijednosti. Kapljevitu vodu karakterizira visok stupanj povezanosti molekula vode vodikovim vezama. Uslijed toga, kod zagrijavanja vode, dovedena toplina troi se u prvom redu na savijanje te pucanje vodikovih veza, to apsorbira veliki dio energije. Ovaj dio dovedene energije nije izravno doprinjeo poveanju kinetike energije vode (temperature), pa je stoga potrebna velika koliina topline za dizanje temperature vode. Energija kidanja vodikovih veza se predaje pri hlaenju, tako da se voda ponaa kao spremnik topline. Znaaj ove karakteristike iznimno je velik na klimatske prilike na Zemlji. Visoko vrelite (100C, CHCl3 61C), visoka toplina isparavanja (40,7 kJ/mol, H2S 18,7 kJ/mol) Kod kapljevine temperature 100 C jo uvijek je aktivno oko 75% vodikovih veza, to sprjeava molekule da se oslobode sa vodene povrine. Ovo svojstvo se oituje i kroz niski tlak para vode. Stoga je potrebno dovesti veliku koliinu energije da bi se sve vodikove veze pokidale, tj. da bi se voda prevela u paru gdje su molekule vode efektivno razdvojene. Kod niih temperatura je uslijed veeg udjela vodikovih veza toplina isparavanja vea 44,8 kJ/mol kod OC. Specifina toplina otapanja svega 15% latentne topline isparavanja Kapljevita voda zadrava visoki stupnj ureenosti vrstog stanja i blia je po svojstvima ledu. Za lom ureenog sustava kod isparavanja nuna je velika koliina energije.Velika povrinska napetost (73 mJ/m2, CCl4 27 mJ/m2 pri 20C) Molekule vode se na kontaktnoj povrini dre vrstim vodikovim vezama teei minimalnoj povrini. Kod niih temepratura, povrinska napetost je vea. Visoki viskozitet (0,89 cP, pentan 0,22 cP pri 25C) Viskoznost tekuina opisuje lakou relativnog kretanja molekula, te ovisi o silama koje djeluju meu njima. Kohezivnost u vodi je velika zbog rasprostranjenosti trodimenzionalne povezanosti vodikovim vezama, to se oituje i kroz visoku viskoznost vode. b/

Podloge za sluanje Kolegija Voda, gorivo i mazivo

2005/2006

3

Velika gustoa, niska kompresibilnost vodeZbog uglavnom kohezivne prirode mree vodikovih veza koje smanjuju slobodni volumen, kapljevita voda ima veliku gustou. Iz istog razloga stoji i niska kompresibilnost vode. Manja gustoa krutine, ledaStruktura leda je takva da ima nizak koeficijent pakiranja (sloenosti) gdje su sve molekule vode ukljuene s 4 ravne tetraedarski orijentirane vodikove veze. Pri otapanju neke od ovih veza se lome, i struktura se djelomino uruava (druge krutine, sline strukture, za molekularna gibanja u tekuoj fazi trebaju vie prostora stoga je otapanje obino popraeno ekspanzijom). Ako se sprijei poveanje volumena pri smrzavanju, moe se postii tlak do 250 bara. Kemijska svojstva vode Voda je izvrsno otapalo. Time je omoguen transport minerala, hranjivih tvari, pa i zagaivaa. U vodi se otapa sve, pa ak i zlato u izuzetno malim koliinama. Poznato je OLIGODINAMIKO DJELOVANJE materijala (Pt, Cu, Au, Ag, Cu, Zn) posude u kojoj se uva voda. Vrlo male koliine otopljene tvari (koje se ak ne mogu dokazati) u vodi imaju odreeno djelovanje: sterilizacija, purifikacija i slino. Tako se, na primjer, odreene namirnice kao vino, mlijeko ili voda jako dugo mogu uvati u zlatnim posudama. - Empirijski poznati jo u grko i rimsko doba. Elektrolitika disocijacija vode H2O H + + OH 1 g mol 1 g-ion + 1 g-ion Kod neutralne vode koncentracije H+ i OH- iona su jednake i iznose: [H +] = [OH -] = 10-7 g-iona/ kg vode [H +] [OH -] = kw = 10-14 [298 K] Srensen je uveo pojam pH-vrijednosti zbog problema velikih eksponenata: pH = - log [ H+ ] = - log [10-7 ] = 7

neutralno kiselo 0 7 lunato 14

VODA kao OTAPALO Pri otapanju ionskih spojeva, soli u vodi dolazi do elektrolitike disocijacije, odnosno njihova rastavljanjana na pozitivno i negativno nabijene estice, ione. Tako npr. natrij-klorid disocira na katione natrija i anione klora: NaCl Na+ + ClNastali ioni se spajaju - udruuju s vie ili manje molekula vode. Zbog dipolnosti molekule vode nastale grupe imaju specifinu formu. Pozitivni natrij je okruen molekulama vode koje su negativnim polom orijentirane prema kationu. S druge strane, prema negativnom kloru je molekula vode orijentirana pozitivnim polom. Upravo je dipolni karakter uzrok injenici da voda otapa mnoge ionske spojeve i soli koji se ne otapaju u drugim tekuinama. Topive tvari se prestaju otapati kada se angairaju sve molekule vode. Kovalentni spojevi - dobro otapanje za kovalentne spojeve koji imaju odreeni polarni karakter (sadre skupine nositelje naboja kao OH) : saharoza C12H22O11, etilen-glikol HOCH2CH2OH, etilen C2H5OH - loe otapanje za potpuno nepolarne kovalentne spojeve Hidroliza soli u vodi (reakcija vode sa solima) 1. Soli slabih baza i jakih kiselina hidrolizom daju kisele otopine. a) Al2 (SO4)3 + 6 HOH 2 Al(OH)3 + 3H2SO4 ; pH 3 b) FeCl3 + 3 HOH Fe(OH)3 + 3 HCl ; pH 1 2. Soli jakih baza i slabih kiselina daju lunate otopine. Na2CO3 + 2 HOH 2 NaOH + H2CO3 ; pH=10-13 Proces se odvija pri povienoj temperaturi u generatoru pare, pri >100oC. Nastali H2CO3, odnosno CO2 i H2O odlazi s parom. Ova svojstva otopina vano je poznavati zbog izbora materijala kod ugradnje ureaja za pripremu otopina pojedinih kemikalija.

Podloge za sluanje Kolegija Voda, gorivo i mazivo

2005/2006

4