nauki ścisłe
Autor: Bożena Gadomska | dodano: 2012-10-17
Dlaczego woda wykonuje pracę, gdy odbiera się jej energię, choćby zimą, gdy niszczy chodniki?

Odpowiada dr hab. Bożena Gadomska z Pracowni Fizykochemii Dielek­tryków i Magnetyków Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego:

Aby woda wykonała pracę, musimy odebrać jej tyle energii w postaci ciepła, aby ostudzić ją przynajmniej do temperatury 4°C, w której osiąga ona maksimum gęstości. W miarę dal­szego oziębiania – a następnie krzepnięcia – woda wykonuje pracę, powiększając swoją objętość. Dzieje się to kosztem jej energii wewnętrznej. Podczas mrozów woda zawarta w glebie zamarza i może unieść płyty chodnikowe. Działające siły są ogromne. Jeśli zamarzająca woda znajdzie się w zamkniętym, sztywnym naczyniu, na jego ścianki wywierane jest ciśnienie nawet 25 MPa, czyli 250 razy wyższe niż ciśnienie atmosfe­ryczne. To dlatego w czasie srogich zim pękają nawet żeliwne rury, a lód w górach rozsadza skały.

Próba wyjaśnienia nadzwyczajnych właściwości wody na po­ziomie mikroskopowym spędza uczonym sen z oczu. Uważa się, że woda jest najbardziej badaną i najmniej zrozumianą cieczą. Już Roentgen sto lat temu stwierdził, że przyczyny anomalnych przebiegów pewnych funkcji stanu w wodzie (jak wspomnianej tu zależności gęstości od temperatury, ale i wielu innych) należy upatrywać we współzawodnictwie zmian strukturalnych i pro­cesu rozszerzalności cieplnej. Tematowi temu poświęcono wiele prac doświadczalnych i teoretycznych. Co do jednego wszyscy badacze są zgodni – tajemnica wody leży w wiązaniu wodoro­wym pomiędzy cząsteczkami cieczy. Jest to słabe oddziaływanie polegające na tym, że atom wodoru, tworzący wiązanie kowalen­cyjne z atomem tlenu wewnątrz jednej cząsteczki, jest jednocze­śnie przyciągany elektrostatycznie przez atom tlenu z sąsiedniej cząsteczki. Energetycznie najbardziej korzystna jest konfigura­cja, w której trzy atomy tworzące wiązanie wodorowe (dwa ato­my tlenu i atom wodoru) leżą w linii prostej, przy czym atomy tlenu są oddalone od siebie o 2.8 Å.

Ze względu na rozkład ładunku cząsteczka wody może utwo­rzyć jednocześnie wiązania wodorowe z czterema innymi. Dłu­gość wiązania wodorowego decyduje o tym, że upakowanie molekuł w sieci lodu jest rzadkie i pozostawia wewnątrz dużo wolnej przestrzeni. Pomiary rozpraszania promieni Roentgena, rozpraszania neutronów czy rozpraszania Ramana wykazały, że w ciekłej wodzie również występuje częściowe uporządkowanie. Ze względu na dużą „kooperatywność” cząsteczki cieczy łączą się w podobne do lodowych struktury, jednak ich zasięg jest lo­kalny, a czas życia bardzo krótki. Wiązania wodorowe tworzą się i zrywają na przemian. Pewna część cząsteczek, chwilowo niezwiązana, zapełnia przestrzeń, która w lodzie pozostaje pu­sta – upakowanie jest zatem gęstsze. W temperaturze przemia­ny fazowej cząsteczki wody tworzą kolejne wiązania i oddalają się od siebie na odległość 2.8 Å. Skutkiem tego objętość rośnie. I tu dochodzimy do wyjaśnienia na poziomie mikroskopowym problemu postawionego na poziomie makroskopowym: woda wykonuje pracę, powiększając swoją objętość (i podnosząc płyty chodnikowe), jednocześnie obniżając swoją energię wewnętrzną i przechodząc do stanu najkorzystniejszego energetycznie.

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 01/2008 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
11/2017
10/2017 - specjalny
Kalendarium
Listopad
22
W 1904 r. urodził się Louis Néel, francuski fizyk, laureat Nagrody Nobla.
Warto przeczytać
Chwila bez biologii… nie istnieje. W nas i wokół nas kipi życie. Dlaczego by wobec tego nie poznać go bliżej, najlepiej we własnym laboratorium? By nie sięgać daleko, można zacząć od siebie.

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Bożena Gadomska | dodano: 2012-10-17
Dlaczego woda wykonuje pracę, gdy odbiera się jej energię, choćby zimą, gdy niszczy chodniki?

Odpowiada dr hab. Bożena Gadomska z Pracowni Fizykochemii Dielek­tryków i Magnetyków Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego:

Aby woda wykonała pracę, musimy odebrać jej tyle energii w postaci ciepła, aby ostudzić ją przynajmniej do temperatury 4°C, w której osiąga ona maksimum gęstości. W miarę dal­szego oziębiania – a następnie krzepnięcia – woda wykonuje pracę, powiększając swoją objętość. Dzieje się to kosztem jej energii wewnętrznej. Podczas mrozów woda zawarta w glebie zamarza i może unieść płyty chodnikowe. Działające siły są ogromne. Jeśli zamarzająca woda znajdzie się w zamkniętym, sztywnym naczyniu, na jego ścianki wywierane jest ciśnienie nawet 25 MPa, czyli 250 razy wyższe niż ciśnienie atmosfe­ryczne. To dlatego w czasie srogich zim pękają nawet żeliwne rury, a lód w górach rozsadza skały.

Próba wyjaśnienia nadzwyczajnych właściwości wody na po­ziomie mikroskopowym spędza uczonym sen z oczu. Uważa się, że woda jest najbardziej badaną i najmniej zrozumianą cieczą. Już Roentgen sto lat temu stwierdził, że przyczyny anomalnych przebiegów pewnych funkcji stanu w wodzie (jak wspomnianej tu zależności gęstości od temperatury, ale i wielu innych) należy upatrywać we współzawodnictwie zmian strukturalnych i pro­cesu rozszerzalności cieplnej. Tematowi temu poświęcono wiele prac doświadczalnych i teoretycznych. Co do jednego wszyscy badacze są zgodni – tajemnica wody leży w wiązaniu wodoro­wym pomiędzy cząsteczkami cieczy. Jest to słabe oddziaływanie polegające na tym, że atom wodoru, tworzący wiązanie kowalen­cyjne z atomem tlenu wewnątrz jednej cząsteczki, jest jednocze­śnie przyciągany elektrostatycznie przez atom tlenu z sąsiedniej cząsteczki. Energetycznie najbardziej korzystna jest konfigura­cja, w której trzy atomy tworzące wiązanie wodorowe (dwa ato­my tlenu i atom wodoru) leżą w linii prostej, przy czym atomy tlenu są oddalone od siebie o 2.8 Å.

Ze względu na rozkład ładunku cząsteczka wody może utwo­rzyć jednocześnie wiązania wodorowe z czterema innymi. Dłu­gość wiązania wodorowego decyduje o tym, że upakowanie molekuł w sieci lodu jest rzadkie i pozostawia wewnątrz dużo wolnej przestrzeni. Pomiary rozpraszania promieni Roentgena, rozpraszania neutronów czy rozpraszania Ramana wykazały, że w ciekłej wodzie również występuje częściowe uporządkowanie. Ze względu na dużą „kooperatywność” cząsteczki cieczy łączą się w podobne do lodowych struktury, jednak ich zasięg jest lo­kalny, a czas życia bardzo krótki. Wiązania wodorowe tworzą się i zrywają na przemian. Pewna część cząsteczek, chwilowo niezwiązana, zapełnia przestrzeń, która w lodzie pozostaje pu­sta – upakowanie jest zatem gęstsze. W temperaturze przemia­ny fazowej cząsteczki wody tworzą kolejne wiązania i oddalają się od siebie na odległość 2.8 Å. Skutkiem tego objętość rośnie. I tu dochodzimy do wyjaśnienia na poziomie mikroskopowym problemu postawionego na poziomie makroskopowym: woda wykonuje pracę, powiększając swoją objętość (i podnosząc płyty chodnikowe), jednocześnie obniżając swoją energię wewnętrzną i przechodząc do stanu najkorzystniejszego energetycznie.