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!