Vanduo (molekulė) – apibrėžimas, struktūra, savybės ir reikšmė

Vanduo (₂HO, HOH), būdamas skystas ir kietas (ledas), dengia 70–75 % Žemės paviršiaus, o atmosferoje yra kaip garai. Tai gausiausia Žemės paviršiuje esanti molekulė. Vanduo susideda iš vieno deguonies atomo ir dviejų vandenilio atomų; molekulės kampas tarp H–O–H yra apie 104,5°, o dipolinė momentinė vertė ~1,85 D. Molekulinė masė yra ~18,015 g·mol−1. Dėl polariškumo ir gebėjimo formuoti vandenilines jungtis vanduo turi daug neįprastų fizinių ir cheminių savybių.

Kambario temperatūroje jis yra beveik bespalvis, beskonis ir bekvapis skystis. Vandenyje tirpsta daugelis medžiagų, todėl jis paprastai laikomas universaliuoju tirpikliu; dėl šios priežasties gamtoje ir vartojamas vanduo retai būna švarus ir gali pasižymėti kai kuriomis savybėmis, kurios skiriasi nuo laboratorijoje naudojamų. Tačiau yra daug junginių, kurie iš esmės ar net visiškai netirpsta vandenyje. Vanduo yra vienintelė įprasta, gryna medžiaga, natūraliai randama visose trijose materijos būsenose - apie kitas medžiagas žr. skyrių Cheminės savybės. Dėl vandenilinių jungčių ir poliarumo vanduo pasižymi aukšta specifine šiluma, dideliu garų paslėpto šilumos kiekiu ir palyginti aukšta paviršiaus įtempimo verte – tai svariai veikia klimatą ir gyvybės sąlygas.

Grynas vanduo yra beskonis. Skonį vandeniui gali suteikti kitos vandenyje esančios cheminės medžiagos: ištirpę mineralai (kalcis, magnis), vandenilio sulfidas, organinės medžiagos ar priedai iš vamzdynų. Vandens skonį ir kokybę lemia ir temperatūra, ir išlydžių bei dujų kiekis.

Struktūra ir vandenilinės jungtys

Vandens molekulę galima apibūdinti pagal VSEPR modelį: deguonies atomas turi dvi vienines poras elektronų ir dvi ryšio poras – todėl molekulė yra "lankstaus" kampo struktūros. Svarbiausia vandens savybė – gebėjimas formuoti vandenilines jungtis tarp deguonies atomo vienos molekulės ir vandenilio atomo kitos molekulės. Šios tarpmolekulinės jungtys lemia:

• ledų kristalinę struktūrą (pvz., hexagonalinė ledo Ih struktūra), kurioje molekulės išsidėsto taip, kad ledas yra mažiau tankus už skystą vandenį;
• aukštą virimo ir lydymosi temperatūrą, palyginus su panašių molinių masių molekulėmis;
• stebėtinus anomališkumus, pvz., didžiausias tankis esant +4 °C.

Fizikinės savybės – svarbiausi skaitmenys

• Normalus lydymosi taškas: 0 °C (1 atm)
• Normalus virimo taškas: 100 °C (1 atm)
• Triplinis taškas: 0,01 °C ir 611,657 Pa (švariam vandeniui)
• Kritinis taškas: apie 374 °C ir ~22,06 MPa
• Tankis: ~1,00 g·cm−3 (max esant ~4 °C)
• Specifinė šiluma: ~4,18 J·g−1·K−1
• Šiluma išgarinant esant 100 °C: ~2256 kJ·kg−1
• Paviršiaus įtempimas: ~72 mN·m−1 (20 °C)
• Dielektrinė konstanta: apie 78–80 (25 °C)

Cheminės savybės

Vanduo yra chemiškai aktyvus: jis gali veikti tiek kaip rūgštis, tiek kaip bazė (amfoteriškumas) ir gali disocijuoti į H+ (tiksliau – H3O+) ir OH− jonus (autodislociacija): [H2O]2 ⇌ H3O+ + OH−. Jonų koncentracijų sandauga (ionizacijos konstanta) esant 25 °C yra apie 1,0×10−14 mol2·L−2, todėl neutralaus vandens pH ≈ 7. Vanduo dalyvauja hidrolizės reakcijose, tirpdo jonus ir poliarinius organinius junginius, gali oksiduoti arba redukuoti tam tikrus reagentus ir prisideda prie daugelio cheminių procesų gamtoje ir pramonėje.

Biologinė ir ekologinė reikšmė

Vanduo yra gyvybei būtinas: jis yra pagrindinis ląstelių komponentas, tirpiklis biocheminių reakcijų, medžiagų transporto terpė (kraujo, limfos), temperatūros stabilizatorius organizmuose ir aplinkoje. Ekosistemoms vanduo suteikia buveines (upės, ežerai, vandenynai), o hidrolo­ginių ciklų veikla lemia klimato sąlygas bei drėgmės paskirstymą Žemėje.

Vandens grynumas ir tarša

Gamtinis arba naudojamas vanduo dažnai nėra grynas: jame būna ištirpusių mineralų (vandens kietumas), organinių medžiagų, mikroorganizmų, sunkiųjų metalų, taršos junginių. Tokios priemaišos keičia skonį, kvapą, gali būti kenksmingos sveikatai ir reikalauja valymo (filtravimo, chlorinimo, distiliavimo, filtrų, jonų mainų ir kt.). Potable vandens kokybės standartai numato ribines vertes mikrobiologinių, cheminių ir fizinių parametrų užtikrinimui.

Vandens ciklas ir žmonių naudojimas

Vandens ciklas (garavimas, kondensacija, krituliai, paviršinis ir požeminis nuotėkis) nuolat perneša vandenį per atmosferą, žemę ir vandenynus. Žmonės vandenį naudoja gėrimui, žemės ūkiui (laistymui), pramonei (aušinimas, tirpinimas, cheminės procesų terpė), energetikai (hidroenergija) ir sanitarijai. Vandens trūkumas arba tarša turi didelį poveikį visuomenės sveikatai ir ekonomikai.

Santrauka: vanduo dėl savo molekulinės struktūros, poliarumo ir gebėjimo formuoti vandenilines jungtis yra unikalus junginys su daugybe svarbių fizinių ir cheminių savybių. Jis palaiko gyvybę, reguliuoja klimatą ir yra nepakeičiamas tiek gamtos, tiek žmogaus veiklos procesuose. Gryno vandens savybės skiriasi nuo realiuose aplinkos sąlygose randamo vandens dėl ištirpusių medžiagų, dujų ir mikroorganizmų, todėl vandens kokybės kontrolė yra būtina sveikatai ir aplinkai saugoti.

Klausimai ir atsakymai

K: Kokią dalį Žemės paviršiaus dengia vanduo?

K: Kokios būsenos vanduo gali būti Žemėje?

K: Kokia molekulė Žemės paviršiuje yra labiausiai paplitusi?

K: Kokios yra kai kurios vandens savybės, kai jis yra kambario temperatūroje?

K: Kodėl vanduo paprastai laikomas universaliuoju tirpikliu?

K: Ar gamtoje ir naudojant vandenį jis visada švarus?

Klausimas: Kokių dar medžiagų galima natūraliai rasti visose trijose medžiagos būsenose?

Paieška pagal raidę