egy különleges folyadék...

VÍZ

Egy különleges folyadék biofizikája

Talián Csaba GáborBiofizika előadások, PTE ÁOK

2010. október 27.

Az Eagle Rock középiskola diákja nyerte el az első díjat az április 26-án megrendezett Idaho Falls középiskolai Tudományos Konferencián. Dolgozatával azt akarta bemutatni, mennyire ráhangolódtak az emberek a tudománnyal valóhandabandázásra és a környezet lerombolásától való félelemre. Elkészített egy felhívást a "dihidrogén monoxid" vegyület betiltására, és ezt követően megvizsgálta, mennyire tudja meggyőzni az embereket, hogy aláírásukkal támogassák.

A betiltás támogatására a következő okokat hozta fel:

1. a vegyület erőteljes izzadást és hányást képes okozni2. a savas esők egyik fő komponense3. gáznemű halmazállapotban égési sérüléseket okozhat4. nagy mennyiségű belélegzése fulladást okoz5. hozzájárul a természet eróziójához6. erősen csökkenti az autófékek hatékonyságát7. kimutatták rákos daganatokban.

A diák 50 embert kért fel a betiltást sürgető felhívás aláírására.

Negyvenhárom (43) aláírta.Hat (6) azt mondta, még gondolkodik.

Egy (1) tudta mindössze, hogy a vízről van szó. . .

Az egyetlen stabil, nagy mennyiségben előforduló folyadék földi körülmények között

Az egyetlen anyag, amely háromféle halmazállapotban fordul elő a Földön

Szervetlen, de az élethez nélkülözhetetlen

Csendes-óceán 51.6%

Atlanti-óceán 23.6%

Indiai-óceán 21.2%

90% Antarktisz

0 20 40 60 80 100

csont

zsírszövet

bőr

izom

szív

agy

üvegtest

90%90%magzat

46%52%60 felett

47%55%40 - 60

51%61%18 - 40

57%59%10 - 18

NőFérfiKor

25-30%száraz magvak

98%medúza

95%paradicsom

80%krumpli

75%baktériumok

VíztartalomÉlőlény

„magas” fizikai paraméterek

0,94

1,742,16 2,39 2,41

4,18fajhő(kJ/kg ºC)

27,1 28,523,7 22,4 22,7

72,9

felületi feszültség(mJ/m2)

74,9

12782,1 107 83,7

334

olvadáshő(kJ/kg)

247 396 525906 1110

2256

párolgáshő(kJ/kg)

�: kloroform �: benzol �: aceton �: etanol �: metanol �: víz

Halmazállapot-változások

-200 -100 0 100

T (ºC)

CH4

CH4OH

H2S

HF

NH3

H2O

Anomális sűrűség-hőmérséklet függés

T (˚C)

ρ(g/cm3)

4

1.00

Milyen színű a víz?

Fényszórás (az égbolt szintén kék)

Oldott anyagok (Cu2+)

A fény fokozott elnyelése az IR régióban – a vörös szín komplementere a kék

A vízmolekulának három alapvető rezgési módja van. KétO-H feszülési rezgés, amely kb. 3500 cm−1 hullámhossznál, és egy H-O-H hajlító rezgés, amely kb. 1640 cm−1. hullámhossznál történik. Az ezeknek a rezgéseknek tulajdonítható abszorpció a spektrum infravörös tartományában. A látható spektrumban tapasztalhatóelnyelés főleg az O-H kötésfeszülési rezgés negyedik harmonikus rezgésének (harmadik felharmonikus)köszönhető. 4×3500=14000; 14000 cm−1 nagyjából 715 nmhullámhossznak felel meg. A tényleges abszorpciós maximum 698 nm-nél található. Mivel az abszorpcióintenzitása minden egyes felharmonikussal jelentősen csökken, a harmadik felharmonikus elnyelése igen csekély, ezért legalább 1 m vízréteg szükséges, hogy a kék szín egyértelműen látható legyen.

109.47˚

nem-kötőelektronpárok

0.96-0.99 Å(jég - vízgőz)

A vízmolekula szerkezeteizoláltmolekulában:

104.45˚

Egyik legkisebb molekula: alig nagyobb, mint egy atom

Tetraéder szerkezet

Oxigén: 2s2p4 → sp3 hibridizáció

(Hibridizáció: azonos főkvantumszámú, de különbözőszimmetriájú állapotok kombinációja)

van der Waals sugár: ~ 3.2 Ånem gömb alakú

H-kötések

Kémiai kötés, amely, egy nagy elektronegativitású, kisméretű és nemkötő elektronpárral rendelkező atom (pl. oxigén) nem kötő elektronpárja és egy kisebb elektronegativitású atom (like hidrogén) között jön létre.

A víz tökéletes párosítás:O erősen elektronegatív.O két nemkötő vegyérték-elektronnal rendelkezik.mindkét elektron részt vesz egy hidrogénnel alkotott kötésben.

~10X gyengébb, mint a kovalens kötés (de erősebb, mint más másodrendű kötések).

A folyékony víz majdnem annyi H-kötést tartalmaz, mint a jég. A kötések dinamikusan változnak, folyamatosan felbomlanak és újraalakulnak (0 °C hőmérsékleten átlagosan 1010 alkalommal másodpercenként). A jégben statikus H-kötés rendszer alakul ki.

A hidrogénkötések kialakulása kooperatív hatás, mivel egy H-kötés létrejötte segíti továbbiak képződését (a kis kötési energia ellenére a H-kötéseket tartalmazó rendszerek rendkívül stabilak).

Még 100 °C hőmérsékleten is 1,2 H-kötés jut egy vízmolekulára átlagosan.

A víz H-kötés rendszere

9 módosulat

Közönséges jég: hexagonális szerkezet

Koordinációs szám: 4 (minden molekula 4 másikat koordinál)

Interstitium: elférne benne egy vízmolekula

Víz dimér: H-kötés a proton és nem-kötő elektronpár között

Clusterekből hálózat:280 molekulából ikozaéder szerkezet

Magas fajhő (CP és CV)

A víz melegítésekor a közölt energia egy része a hidrogén kötések deformálására és elszakítására fordítódik.

Az abszorbeált energiának a hidrogén kötések megváltoztatására fordított része nem emeli a vízmolekulák kinetikai energiáját, azaz a víz hőmérsékletét.

Cv m ΔT = Ekin + EH-kötések felbontása

A közönséges jégben minden vízmolekula négy hidrokötésben vesz rész (kettőben mint donor, kettőben mint acceptor)

A hidrogén kötések jelentős része a vizben is megmarad, a víz rendezettsége viszonylag keveset változik: A A ∆∆S entrS entróópia vpia vááltozltozáás kicsi.s kicsi.

Magas olvadáspont

Sűrűséganomália A viz sűrűsége 3.984°C-on a legmagasabb

Térfogat csökkenése:A hidrogénkötések fellazulásával strukturális változás következik be: egy hexagonális "térelem" belsejébe elfér egy vízmolekula.

Térfogat növekedése:A hőmérséklet növekedésével a termikus mozgás nő, ez térfogat növekedést eredményez.

Gőz

Jég

Folyadék

Hőmérséklet (K)

Nyo

más

(Pa)

0ºC 100ºC

Hármaspont: 0,076ºC, 610 Pa

Normál légköri nyomás

A víz fázisdiagrammja

Hidratáció nagy dipólmomentum:jó oldószer, elektrolit oldatok

+

Erős kémiai kötések megbontására képes (sók oldása)

Az oldatban a víz szerkezete megváltozik, tulajdonságai lényegesen különbözhetnek a tiszta víz tulajdonságaitól.

Az oldott ionok hidrát-burokkal rendelkeznek.

A töltéssel rendelkező biológiai molekulák, tápanyagok nagy része oldódik vízben, de pl. gélszerű struktúrát hoz létre

Kötött víz a makromolekulák, membránok felszínén, fontos a szerkezetfenntartás és/vagy a működés szempontjából

Sűrűség anomália, magas olvadás/fagyáshő: a tengerek és tavak vize felülről fagy be, és nem fagy be teljesen, így biztosítja az élet fennmaradását.

Nagy hőkapacitás: segíti az állandó hőmérséklet fenntartását, az élő szervezetek nem könnyen hűlnek ki, csillapítja a nagy hőváltozásokat.

Nagy párolgáshő: az élő szervezetek párolgással könnyen adhatnak le hőt (láz).

Reakció közeg, diszperziós közeg (vér), valamint reakciók résztvevője is.

Élettér.

Köszönöm a figyelmet!