Οι Ιδιότητες του Νερού

Το νερό είναι μια άχρωμη, άοσμη, άγευστη και σχεδόν διαφανής χημική ένωση που είναι μια από τις πιο κοινές ουσίες στη Γη. Ένα μόνο μόριο νερού έχει τον χημικό τύπο H₂ O, που σημαίνει ότι αποτελείται από δύο άτομα υδρογόνου (Η) και ένα μεμονωμένο άτομο οξυγόνου (Ο).

Το νερό είναι μια μοναδική ουσία, καθώς η μοριακή του δομή του προσδίδει μια σειρά από ενδιαφέρουσες ιδιότητες που δεν έχουν άλλες χημικές ενώσεις. Μεταξύ των μοναδικών ιδιοτήτων του νερού είναι οι ικανότητές του σε διαλύτες, τα υψηλά σημεία βρασμού και εξάτμισης, η υψηλή ειδική θερμική ικανότητα, η ασυμπίεση και η πολυφασική φύση.

Το νερό είναι ίσως η πιο μελετημένη και κατανοητή ένωση στην ανθρώπινη ιστορία, επομένως οι ιδιότητές του είναι γνωστές εδώ και πολύ καιρό. Στην πραγματικότητα, ο αρχαίος Έλληνας φυσιοδίφης Θαλής πίστευε ότι το σύμπαν είναι βασικά νερό και ότι ό,τι υπάρχει είναι απλώς κάποια τροποποίηση του νερού. Είναι η μόνη ουσία που βρίσκεται συνήθως στη φύση στις τρεις καταστάσεις της ύλης και οι ικανότητες του νερού σε διαλύτες είναι απαραίτητες για τη ζωή όπως τη γνωρίζουμε. Πάνω από το 60% του ανθρώπινου σώματος αποτελείται από νερό και πάνω από το 70% της επιφάνειας της Γης καλύπτεται από νερό. Το νερό χρησιμεύει επίσης ως πρότυπος φορέας για διάφορες μονάδες μέτρησης. Για παράδειγμα, η κλίμακα θερμοκρασίας Kelvin βασίζεται στο τριπλό σημείο του νερού, το οποίο ορίζεται ως ακριβώς 273,16°K.

Φυσικές ιδιότητες του νερού

Πολικότητα

Το νερό είναι μια πολική ένωση, που σημαίνει ότι έχει ηλεκτρική διπολική ροπή. Επειδή το άτομο οξυγόνου είναι πολύ πιο ηλεκτραρνητικό από τα άτομα του υδρογόνου, το άτομο οξυγόνου ασκεί μεγαλύτερη έλξη στα κοινά ηλεκτρόνια Αυτή η άνιση δύναμη αναγκάζει τα ηλεκτρόνια να τείνουν περισσότερο προς το άτομο οξυγόνου από τα άτομα υδρογόνου. Το αποτέλεσμα είναι ότι ένα μόριο νερού έχει ένα μερικό αρνητικό φορτίο που εντοπίζεται στο άκρο οξυγόνου του μορίου και δύο μερικώς θετικά φορτία εντοπισμένα στα άκρα του υδρογόνου.

Η πολικότητα των μορίων του νερού εξηγεί τις ιδιότητες του διαλύτη του νερού. Όταν μια άλλη πολική ουσία βυθίζεται στο νερό, τα μερικώς φορτισμένα άκρα οξυγόνου και υδρογόνου προσελκύουν τα μερικώς φορτισμένα άκρα των μορίων της βυθισμένης ουσίας. Τα μόρια του νερού αφαιρούν τα μόρια της βυθισμένης ουσίας και τη διαλύουν. Επειδή το νερό είναι καλός διαλύτης, χρησιμοποιείται συχνά για την παρασκευή υδατικών όξινων διαλυμάτων.

Δεσμός υδρογόνου

Η πολικότητα του νερού του επιτρέπει να εμπλέκεται σε έναν ειδικό τύπο διαμοριακού δεσμού που ονομάζεται δεσμός υδρογόνου. Ο δεσμός υδρογόνου είναι ένας ηλεκτροστατικός δεσμός που σχηματίζεται μεταξύ ενός ατόμου υδρογόνου σε ένα μόριο και ενός ηλεκτραρνητικού ατόμου σε ένα άλλο μόριο. Σε ένα μόριο νερού, το οξυγόνο έχει μερικό αρνητικό φορτίο. Αυτό το μερικό αρνητικό φορτίο θα προσελκύσει το θετικό άκρο υδρογόνου άλλων μορίων νερού. Επειδή το υδρογόνο είναι ένα πολύ μικρό άτομο, μπορεί να πλησιάσει εξαιρετικά τα γειτονικά άτομα οξυγόνου. Η ηλεκτροστατική έλξη κλιμακώνεται με το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ δύο φορτισμένων σωματιδίων, έτσι ένα εξαιρετικά κοντινό άτομο υδρογόνου ασκεί μια μάλλον ισχυρή ηλεκτροστατική έλξη στα μόρια οξυγόνου σε γειτονικά μόρια νερού. Κάθε μόριο νερού είναι ικανό να σχηματίζει 4 διακριτούς δεσμούς υδρογόνου με γειτονικά μόρια νερού.

Οι δεσμοί υδρογόνου του νερού εξηγούν μια ενδιαφέρουσα φυσική ιδιότητα του νερού. Οι περισσότερες ενώσεις συστέλλονται όταν παγώνουν. Η αφαίρεση της κινητικής ενέργειας από μια ουσία επιβραδύνει την κίνηση των μορίων που την αποτελούν, έτσι είναι λιγότερο πιθανό να ξεπεράσουν τους διαμοριακούς δεσμούς που κρατούν τα μόρια κοντά μεταξύ τους. Όταν το νερό ψύχεται, συστέλλεται όπως θα περίμενε κανείς, μέχρι να φτάσει περίπου τους 4 °C. Σε αυτό το σημείο, το νερό διαστέλλεται κατά περίπου 9% του συνολικού όγκου του.

Το νερό διαστέλλεται όταν παγώνει λόγω των δεσμών του υδρογόνου. Όταν το νερό ψύχεται, τα συστατικά του μόρια επιβραδύνονται. Τα πιο αργά κινούμενα μόρια νερού είναι πιο επιρρεπή στο σχηματισμό δεσμών υδρογόνου με άλλα μόρια νερού. Ο μοναδικός χαρακτήρας των δεσμών υδρογόνου διατάσσει τα μόρια σε μια άκαμπτη τετραεδρική δομή που μοιάζει με πλέγμα. Αυτός είναι ο λόγος που ο πάγος επιπλέει σε υγρό νερό. Εφόσον το νερό διαστέλλεται όταν παγώνει, ένα δείγμα πάγου είναι λιγότερο πυκνό από ένα δείγμα υγρού νερού με ίση μάζα.

Θερμοδυναμικές ιδιότητες

Οι δεσμοί υδρογόνου του νερού εξηγούν επίσης ορισμένες από τις θερμοδυναμικές του ιδιότητες. Σε σύγκριση με άλλες ενώσεις με παρόμοια μοριακή δομή, το νερό έχει αφύσικα υψηλό σημείο βρασμού. Για να βράσει κανείς μια ουσία, πρέπει να προσθέσει κινητική ενέργεια σε μια ουσία έτσι ώστε τα συστατικά της μόρια να μπορούν να ξεπεράσουν τυχόν διαμοριακούς δεσμούς. Λόγω των ισχυρών δεσμών υδρογόνου του, απαιτεί σχετικά περισσότερη ενέργεια για να κάνει η κίνηση των μορίων του νερού να ξεπεράσει τους διαμοριακούς δεσμούς τους.

Ομοίως, και για τον ίδιο λόγο, το νερό έχει πολύ υψηλή ειδική θερμοχωρητικότητα. Η θερμοχωρητικότητα μιας ουσίας είναι η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία ενός γραμμαρίου μιας ουσίας κατά ένα βαθμό Κ. Η ειδική θερμοχωρητικότητα του νερού είναι περίπου 4,2 J/g⋅K, άρα απαιτούνται 4,2 τζάουλ ενέργειας για να αυξήστε τη θερμοκρασία 1 γραμμαρίου καθαρού νερού κατά ένα βαθμό Kelvin. Συγκρίνετε αυτήν την τιμή με το υδρόθειο (H₂ S), μια ένωση που έχει μοριακή δομή όπως το νερό. Το υδρόθειο έχει ειδική θερμοχωρητικότητα 1.0003 J/g⋅K. Δηλαδή, χρειάζεται σχεδόν 4 φορές περισσότερη ενέργεια για να αυξηθεί η θερμοκρασία 1 γραμμαρίου νερού κατά ένα βαθμό από την ποσότητα που χρειάζεται για να αυξηθεί η θερμοκρασία μιας ισοδύναμης μάζας υδρόθειου κατά ένα βαθμό.

Παρεμπιπτόντως, οι θερμίδες Ως μονάδα θερμότητας ορίζεται η ποσότητα θερμικής ενέργειας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία ενός γραμμαρίου καθαρού νερού κατά 1 βαθμό Κελσίου. Καθώς η θερμοκρασία Κέλβιν και Κελσίου έχουν μονάδες ίσου μεγέθους, 1 θερμίδα ισούται με 4,2 τζάουλ.

Επιπλέον, ο δεσμός υδρογόνου δίνει στο νερό υψηλή θερμότητα σύντηξης, θερμότητα εξάτμισης και θερμική αγωγιμότητα. Ο συνδυασμός αυτών των ιδιοτήτων καθιστά το νερό πολύ αποτελεσματικό στη μεταφορά θερμότητας και στη ρύθμιση της θερμοκρασίας. Αυτός ο μηχανισμός είναι πιο εμφανής στο κλίμα της Γης, όπου το νερό αποθηκεύει θερμότητα και τη μεταφέρει μεταξύ ωκεανών και ατμοσφαιρών. Οι θερμικές ιδιότητες του νερού το καθιστούν χρήσιμο και για βιομηχανικούς σκοπούς. Οι ατμομηχανές και οι υδραυλικές τεχνολογίες χρησιμοποιούν τις θερμοδυναμικές ιδιότητες του νερού για την παραγωγή μηχανικής ενέργειας.

Επιφανειακή τάση

Ο δεσμός υδρογόνου του νερού του δίνει επίσης μια σχετικά υψηλή επιφανειακή τάση. Τα μόρια στην επιφάνεια ενός δείγματος νερού συνδέονται πιο σφιχτά με τα γειτονικά μόρια του νερού από ότι με τα μόρια της γύρω ατμόσφαιρας. Το αποτέλεσμα είναι ένα λεπτό «φίλμ» σε όλη την επιφάνεια που μπορεί να υποστηρίξει το βάρος. Αρκετοί οργανισμοί, όπως οι σαύρες και οι σαύρες, εκμεταλλεύονται αυτήν την υψηλή επιφανειακή τάση για να περπατήσουν πάνω στο νερό.

Ο ίδιος μηχανισμός πίσω από την επιφανειακή τάση εξηγεί επίσης την τριχοειδή δράση του νερού. Οι διαμοριακές έλξεις μεταξύ των μορίων επιτρέπουν στο νερό να σκαρφαλώνει στα τοιχώματα των κατακόρυφων σωλήνων ακόμη και ενόψει της βαρύτητας. Αρκετά φυτά βασίζονται σε αυτή την τριχοειδή δράση για τη μεταφορά νερού.

Είδη νερού

Επειδή το υδρογόνο και το οξυγόνο έχουν πολλά ισότοπα, υπάρχουν αρκετοί γνωστοί ισότοποι του νερού. Τα περισσότερα διαφορετικά είδη νερού είναι αποτέλεσμα διαφορετικών ισοτόπων υδρογόνου. Για παράδειγμα, το πρωτίου είναι ένα ισότοπο υδρογόνου που αποτελείται από ένα πρωτόνιο και κανένα νετρόνιο. Το περισσότερο φυσικό νερό σχηματίζεται με ισότοπα υδρογόνου πρωτίου.

Αντίθετα, το δευτέριο είναι ένα ισότοπο υδρογόνου που αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο. Το νερό δευτερίου εμφανίζεται με ρυθμό περίπου 15 μέρη ανά εκατομμύριο. Το νερό δευτερίου, που μερικές φορές αποκαλείται «βαρύ νερό», είναι ελαφρώς πιο μαζικό από το νερό πρωτίου. Αυτή η μεγαλύτερη μάζα μεταφράζεται σε καλύτερες ιδιότητες θερμικής αγωγιμότητας. Ως εκ τούτου, το δευτέριο χρησιμοποιείται συχνά σε πυρηνικούς αντιδραστήρες ως καταβόθρα νετρονίων και ψυκτικό. Η ανθρώπινη κατανάλωση μεγάλων ποσοτήτων δευτερίου μπορεί να προκαλέσει βιολογικές επιπλοκές, ιδίως νευρικές και νεφρικές βλάβες.

Υπάρχει επίσης ένας ισότοπος νερού που αποτελείται από άτομα υδρογόνου που έχουν 2 νετρόνια. Το νερό «τριτίου» είναι πιο μαζικό από το νερό πρωτοίου και από το νερό δευτέριου. Το νερό τριτίου είναι ραδιενεργό και διασπάται με χρόνο ημιζωής περίπου 4.500 ημέρες. Το πιο φυσικό τρίτιο σχηματίζεται στην ανώτερη ατμόσφαιρα, όπου οι υδρατμοί βομβαρδίζονται από κοσμικές ακτίνες.

Το νερό ως πρότυπο μέτρησης

Επειδή το νερό είναι πανταχού παρόν και οι ιδιότητές του είναι τόσο καλά κατανοητές, έχει χρησιμοποιηθεί ιστορικά για τον καθορισμό προτύπων για μονάδες μέτρησης. Στην πραγματικότητα, για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα, το νερό χρησιμοποιήθηκε για να ορίσει το γραμμάριο (g), την τυπική μονάδα μάζας. Το 1795, ένα κιλό ορίστηκε ως η μάζα ενός κυβικού δεκατόλιτρου (κύβος 10 cm επί 10 cm επί 10 cm) νερού. Το 1900, το λίτρο (L) ορίστηκε ως η ποσότητα όγκου 1 kg νερού σε τυπικές πιέσεις και θερμοκρασία.

Επιπλέον, και οι δύο κλίμακες θερμοκρασίας Κελσίου και Κέλβιν βασίζονται στο σημείο βρασμού και στο τριπλό σημείο του νερού, αντίστοιχα. Οι 100 °C ορίζονται ως το σημείο βρασμού του νερού σε 1 ατμόσφαιρα πίεσης και το τριπλό σημείο του νερού ορίζεται ως ακριβώς 273,16 °K. Το νερό έχει επίσης χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό της τυπικής πίεσης, καθώς 1 atm πίεσης ορίζεται μερικές φορές ως η πίεση που απαιτείται για τη ζωή του νερού 13,1 m πάνω από μια στήλη κενού.

Τέλος, το νερό έχει χρησιμοποιηθεί στη θερμοδυναμική για τον καθορισμό προτύπων θερμότητας και θερμικής αγωγιμότητας. Η θερμίδα (cal) έχει οριστεί ιστορικά ως η ποσότητα θερμικής ενέργειας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία ενός γραμμαρίου νερού κατά 1 °C σε τυπικές θερμοκρασίες και πιέσεις.