2. A víz különleges tulajdonságai

A víz kémiai szerkezete miatt számtalan különleges tulajdonsággal bír. Amellett, hogy Földünk leggyakoribb vegyülete, az élet számára nélkülözhetetlen. Az egyetlen vegyület, amely mindhárom halmazállapotban előfordul, s mint megtudtuk a leggyakoribb oldószer. Vizsgáljuk meg ezeket a különleges tulajdonságokat!

A víz halmazállapot-változásai

2.1. Ismételjük át mit tanultál a víz tulajdonságairól a Mit csinál egy tudós epochában!

Definiáld a forrás, forráspont, olvadás, olvadáspont fogalmát!
Mi a különbség a párolgás és a forrás között?
Hogyan állapítanád meg a víz forrás- és olvadáspontját?
Mennyi a víz forrás- és olvadáspontja?
Hogyan változik a víz hőmérséklete a forralás során?
Hogyan változik a víz forráspontja a tengerszint feletti magasággal?

Ezekről itt tanultál.

I. Tegyetek műanyag pohárba vizet, jelöljétek be a vízszintet, majd fagyasszátok le!
Hogyan változott a víz térfogata?
II. Dobjatok jégdarabokat egy pohár vízbe!
Mi mondható el a folyékony és a szilárd halmazállípotú víz sűrűségéről?
III. A víz forráspontjának meghatározása

Szükséges eszközök: Bunsen-állvány, dió, hőmérő, vasháromláb, azbesztháló, főzőpohár.

A főzőpoharat töltsetek meg 2/3-ig vízzel, majd helyezzétek az azbeszthálóra. Az állvány segítségével a hőmérőt helyezzétek a vízbe, majd kezdjétek el melegíteni.

Ne felejtsétek el betartani a kísérletezés szabályait!

2.2. Amikor jól láthatóan forrni kezd a víz olvassátok le a hőmérsékleti értéket!
2.3. Hogyan változik a víz forráspontja további melegítés hatására?
2.4. Mindig ezen a hőmérsékleti értéken forr a víz? Milyen körülményektől függ a víz forráspontja?
2.5. Rajzoljátok le a kísérletet, illetve azt, hogyan változott a víz hőmérséklete?

Amikor a víz megfagy, a hidrogénkötések főszereplésével egy tetraéderes szerkezet alakul ki, amelyben a térkihasználás elég rossz, így nagy hézagok, üregek vannak. Ez okozza azt, hogy a jég sűrűsége kisebb, mint a vízé és fagyáskor a többi anyagtól eltérően a víz térfogata megnő (mintegy 9%-kal). A jég 9 féle módosulatban kristályosodik ki.

A forrás-, olvadáspontot, a sűrűséget, továbbá a színt, szagot és halmazállapotot egy anyag fizikai tulajdonságainak nevezzük

 

A felületi feszültség

IV. Töltsetek meg egy főzőpoharat 2/3-ig vízzel, majd óvatosan helyezzetek rá egy pengét!
Mit tapasztaltok?

A folyadékok felülete bizonyos szempontból rugalmas hártyához hasonlóan viselkedik, a vízfelszínre helyezett penge alatt a víz hártyaszerűen behajlik. A jelenséget felületi feszültségnek nevezzük. A magyarázat megértéséhez a következőképpen gondolkozzunk: a folyadék belsejében lévő részecskék egymással kölcsönhatásban vannak, egy-egy részecske valamennyi őt körülvevő részecskére vonzást gyakorol. A felszínen lévő részecskékre azonban a belső részecskék nagyobb vonzást gyakorolnak, mivel a felfelé irányuló vonzás hiányzik. Így a vonzóerő a felszínen lévő molekulákat befelé húzza, csökkenteni igyekszik a felületet.

A felületi feszültség a folyadékok alapvető tulajdonsága, ami miatt a folyadékok a lehető legkisebb fajlagos felületű alakzatot (gömb) igyekeznek felvenni, ha külső erőtér nem hat rájuk. Oka a folyadék részecskéi (atomok, egyszerű és összetett ionok, molekulák) között fellépő kohéziós (összetartó) erő. Ezért gömb alakú a kis méretű lebegő folyadékcsepp, vagy a szappanbuborék stb.

Nézd meg a szabadon eső vízcsepp alakját itt!

A felületi feszültség következménye, hogy bizonyos tárgyak és állatkák a vízben nem süllyednek el, a víz felületén maradnak, bár a sűrűségük nagyobb, mint a folyadéké. Ilyen például a molnárpoloska, ismertebb nevén molnárka.

A felületi feszültségre vonatkozó törvényszerűségek vizsgálatában kiemelkedő munkát végzett az egyik legnagyobb magyar fizikus, Eötvös Loránd.

V. Nézzetek utána ki volt Eötvös Loránd. Egy kis segítség.
VI. Ismételjétek meg a IV. kísérletet úgy, hogy a vízbe tegyetek kevés mosószert!
Mit tapasztaltok?

A vízbe adagolt mosószerek módosítják a víz felületi feszültségét, ezért felületaktív anyagoknak (detergensnek vagy tenzideknek) nevezzük.

A felületi feszültségnek, illetve a kohéziós erőnek számtalan jelentősége van a minden napi életben. Ha érdekel, hogyan jut a növények gyökeréből a levelébe a víz (kapilláris emelkedés) vagy miért mos a mosógép érdemes meglátogatnod ezt a linket!

VII. Végezzétek el a IV. kísérletet acetonnal és etil-alkohollal!
Milyen a felületi feszültségük a vízhez viszonyítva?

A felületi feszültség függ a folyadék anyagi minőségétől és a felülettel érintkező anyagtól. A víz felületi feszültsége általánosságban nagynak mondható.

 

Fajlagos hőkapacitás

A víz nagyon gyakran használt fűtő- (pl.: távfűtés) és hűtőközeg (pl.: Paksi Atomerőmű), mert igen nagy a fajlagos hőkapacitása (régi nevén fajhője). Fajlagos hőkapacitásnak azt az energiát nevezzük, amely 1 kg tömegű anyag hőmérsékletét 1 fokkal (K) emeli. Másképp mefogalmazva megmutatja, hogy mennyi hőt kell közöljek a rendszerrel annak érdekében, hogy egy kilógrammnyi részének hőmérséklete egy fokkal emelkedjen.

A fajlagos hőkapacitás jele: C, mértékegysége: J/K (ejtsd: zsúl per kelvin).

VIII. Nézzetek utána ki volt James Prescott Joule és Thomson William Kelvin vagy másnéven Lord Kelvin!

A fajlagos hőkapacitás az alábbi képlettel fogalmazható meg matematikailag:

ahol C a fajlagos hőkapacitás, dQ a felvett/leadott hőmennyiség, dT a hőmérséklet változása.

A víz fajlagos hőkapacitása a többi anyaghoz viszonyítva nagynak tekinthető, pontos értéke 20 °C-on c = 4187 J × kg^-1 x K^-1. Ennek köszönhető, hogy jelentős szerepet játszik az éghajlat és az időjárás alakulásában, de ezzel magyarázható az is (többek közt), hogy a tavak alsó vízrétegei télen nem fagynak be, így az élőlények életben maradnak. Az élő szervezetben lejátszódó exoterm kémiai reakcióknál a nagy fajhő akadályozza meg a hőmérsékletemelkedést.

2.6. A fajlagos hőkapacitás ismeretében magyarázd meg miért érezzük este melegebbnek a Balaton vizét!

Mivel a víz fajhője kétszer, háromszor nagyobb, mint a szárazföldet felépítő anyagoké ezért kétszer, háromszor annyi hőenergia növeli 1 °C-kal hőmérsékletét, mint amennyi azonos tömegű szárazföldi anyag hőmérsékletének 1 °C-os emeléséhez szükséges. Ezért a tengervíz lassabban és kevésbé melegszik fel, lassabban és kevésbé hűl le, mint a szárazföld; így végeredményben hőfelhalmozóként viselkedik. A nyáron elraktározott roppant hőmennyiséget télen lassan bocsátja ki. Ennek egyik legfontosabb következménye, hogy a szomszédos szárazföldi területek éghajlatára kiegyenlítő hatással van (télen fűt, nyáron hűt). Nyugat- és Észak-Európa, de még a Kárpát-medence éghajlatára is jelentős befolyással bír az Atlanti-óceán hőháztartása.

Hozzájárul ehhez, hogy a tengervíz sokkal nagyobb mélységig melegszik fel, mint a szárazföld, mert a napsugarak 200 m mélyen hatolhatnak a vízbe. (A hősugarak általában 30 m mélységig melegítenek, azon túl már csak a fény hatol be.) A víz hullámzása és áramlása még tovább növeli a felmelegedő vízréteg vastagságát. Az Északi-tengerben például a nyár folyamán 30-40 méter vastag vízréteg melegszik át. Eddig a mélységig – a hullámzás átkeverő hatása miatt – nagyjából azonos a víz hőmérséklete, lejjebb azonban még a legmelegebb nyárban is ugrásszerűen csökken a hőmérséklet (hőmérsékleti ugróréteg).

Az óceánok mélyvizei – még az Egyenlítő alatt is – roppant hidegek (átlagosan +2 ^oC-osak). Ez a hideg víz ún. mélyáramlásokkal, magasabb földrajzi szélességek felől érkezik, mégpedig állandóan, hiszen ellenkező esetben a melegebb égövekben már át kellet volna melegednie. Bizonyítható, hogy az ún. trópusi felszálló hideg vizek főleg az Antarktisz vidékéről származnak. Nagyon fontos a tengerbiológiai szerepük, mert oxigénben gazdagok, így az élőlények számára kedvezőek (nagy plankton- és halállományok kialakulása).

*Párolgáshő

Hasonlóan a fajhőhöz a víz párolgáshője is igen nagy. A párolgáshő egységnyi mennyiségű anyag állandó hőmérsékleten történő elpárologtatásához szükséges energia. Mértékegysége a J/mol vagy a J/kg. Előző a moláris párolgáshő, az utóbbi a fajlagos párolgáshő mértékegysége. A moláris párolgás hő értelmezéséhez szükséges a mol fogalmának megismerése.

A párolgáshő tulajdonképpen úgy tekinthető, mint az az energiamennyiség, ami ahhoz szükséges, hogy az adott (szilárd vagy folyékony) anyag molekuláit összetartó kötési erőket felszabadítsa. Ez az energiamennyiség az adott anyag molekuláinak rezgő (hő)mozgását növeli meg annyira, melyet a szomszédos molekulák illetve atomok már nem tudnak kompenzálni, így az adott molekula kiszabadul, és légnemű halmazállapotúvá, (gőzzé) válik. A párolgáshő mértéke az anyagminőségtől, a környezeti nyomástól és a hőmérséklettől is függ.

Víz esetén 2,25×10⁶ J/kg. Szervezetünk hőháztartásában a víz nagy párolgáshője miatt kap szerepet, hiszen 1 g víz elpárologtatása bőrünkön keresztül 2 kJ energiát von el. Ezért fázunk, amikor kilépünk a fűrdőkádból.

fizikai tulajdonság, felületi feszültség, felületaktív anyagok, fajlagos hőkapacitás, fajhő, *párolgáshő