Książka o wodzie - ebook

Od autorki

Na początku książki, której temat jest rozległy jak ocean, musi znaleźć się kilka słów uwalniających autorkę od odpowiedzialności za pominięcie wszystkiego, co nie znalazło się na tych kartach. Pisząc Książkę o wodzie, starałam się przedstawić niezwykłą rolę, jaką ta substancja odgrywa na Ziemi. To, że jej własności pozwoliły na powstanie życia, ukształtowanie się krajobrazu i klimatu. A także jak na różne sposoby wykorzystujemy je od zarania cywilizacji. Nie próbowałam jednak stworzyć podręcznika ani encyklopedii. To raczej subiektywny przegląd wszystkiego, co mnie samą fascynuje w wodzie i jej możliwościach. Mam nadzieję, że te fakty i zjawiska zaintrygują także Ciebie, Czytelniku!Znajomość z wodą zaczynamy już w najwcześniejszym dzieciństwie – chlapiemy nią podczas kąpieli, zauważamy, że nie rozsmarowuje się na powierzchni wanny, a raczej – tworzy kropelki, obserwujemy białe obłoczki wydobywające się z naszych ust podczas mrozu. – A dlaczego...?, a dlaczego...?, a dlaczego...? – pytamy. Na wiele z tych pytań odpowiedź powinna zacząć się od wytłumaczenia, jak właściwie zbudowana jest woda, gdy spojrzymy na nią nie w mikro-, ale wręcz – w nanoskali.

Molekuła wody ma średnicę niecałych 0,3 nanometra – to 30 tysięcy razy mniej niż grubość folii do żywności. Składa się z jednego atomu tlenu oraz dwóch atomów wodoru, na rysunkach przedstawianych często jako większe (tlen) i mniejsze (wodór) sklejone kuleczki. W rzeczywistości atomy są trochę bardziej skomplikowane. Ich jądro to dodatnio naładowane, malutkie (kilkadziesiąt tysięcy razy mniejsze niż cały atom) skupisko protonów i neutronów. Wokół jądra poruszają się elektrony – cząstki o ładunku ujemnym. Podobnie jak w przypadku biegającej w kółko postaci z kreskówki, nie można jednoznacznie określić, gdzie się akurat znajdują. Tworzą rodzaj rozmytej chmurki, która nie musi układać się symetrycznie wokół jądra.

Połączenie atomów tlenu i wodoru w cząsteczkę wody polega na uwspólnieniu tej elektronowej „chmurki”. W molekule znajduje się po tyle samo protonów i elektronów, w związku z czym jej ładunek elektryczny jest w sumie zerowy. Jednak jeśli przyjrzymy się dokładnie, zauważymy, że rozkład ładunku w cząsteczce nie jest jednorodny. Elektrony najchętniej przebywają w okolicy atomu tlenu, tu więc mamy przewagę ładunku ujemnego. W okolicach nieco zaniedbanych przez elektrony atomów wodoru pojawia się przewaga ładunku dodatniego. Właśnie temu niesymetrycznemu rozkładowi ładunków zawdzięczamy wiele własności wody oraz jej udział w zjawiskach takich jak efekt cieplarniany.

Szukając podstawowych informacji o wodzie, często można przeczytać, że jej cząsteczki tworzą kąt około 105 stopni (z atomem tlenu na wierzchołku i atomami wodoru na końcach ramion). Jest to jednak wartość średnia: molekuły, które nie są akurat uwięzione w krysztale, bynajmniej nie utrzymują stałego kształtu. Przeciwnie, po prostu nie mogą się powstrzymać od machania „wodorowymi łapkami”. Te ruchy to drgania własne cząsteczki. Mogą polegać na zwiększaniu i zmniejszaniu na zmianę kąta rozwarcia „łapek”, jakby molekuła robiła pajacyki (drgania nożycowe). Mogą też przypominać boksowanie – obiema łapkami na przemian (drgania rozciągające asymetryczne) lub jednocześnie (drgania rozciągające symetryczne). To, jaki „zestaw ćwiczeń” wykonuje właśnie cząsteczka, nazywamy jej stanem wibracyjnym.

Ale na tym nie koniec. Molekuły wody dodatkowo notorycznie się kręcą. Obroty mogą zachodzić wokół różnych osi: przypominać robienie piruetów albo fikołków. To, jakie obroty wykonuje cząsteczka, nazywamy jej stanem rotacyjnym.

Częstotliwość drgań i obrotów cząsteczek zależą w ogólności od tego, z ilu i jakich atomów się składają, podobnie jak częstotliwość drań struny gitarowej (dźwięk, jaki wydaje) zależy od jej długości, grubości i naciągu. Molekuły każdego związku – także wody – mają indywidualny zestaw „ulubionych” częstotliwości oraz stanów wibracyjno-rotacyjnych, które mogą przyjąć (np. obroty wokół osi symetrii plus drgania nożycowe albo drgania nożycowe i rozciągające jednocześnie).

Czy pamiętasz jeszcze, Szanowny Czytelniku, że rozkład ładunku elektrycznego w cząsteczce wody jest niejednorodny? Dzięki temu oraz dzięki swoim wygibasom może ona generować fale elektromagnetyczne. Ruszające się względem siebie ładunki powodują w swoim sąsiedztwie zmiany pola elektrycznego, co z kolei wpływa na pole elektryczne w większej i jeszcze większej odległości od molekuły. Możliwe jest także zjawisko odwrotne: nadejście fali elektromagnetycznej może pobudzić cząsteczkę do drgań. Obecność fali oznacza zmiany kierunku i wartości siły, jaka działa na ładunki. Zaczynają się one poruszać tak, by dostosowywać się do panujących warunków. Oczywiście potrzebują do tego energii – pochodzi ona właśnie z zaabsorbowanej fali.

Atomy i cząsteczki są zasadniczo bardzo wybredne: pochłaniają fale o takich energiach (czy częstotliwościach drgań), które pozwalają im przeskoczyć z jednego do drugiego „ulubionego stanu”. Stan energetyczny cząsteczki – oprócz kombinacji drgań i obrotów – definiuje także to, w jakiej odległości od jąder atomowych („na których powłokach”) znajdują się elektrony oraz jej prędkość, o ile się przesuwa. Aby przerzucić elektron z jednej powłoki atomu na drugą, potrzeba stosunkowo dużej energii, w przypadku wody odpowiadającej promieniowaniu ultrafioletowemu. Jednak aby molekuła przeskoczyła pomiędzy dwoma stanami wibracyjno-rotacyjnymi, wystarczy mniej energetyczne promieniowanie podczerwone. Oddziaływaniu pary wodnej z falami podczerwonymi zawdzięczamy ważną rolę, jaką woda gra w efekcie cieplarnianym, o którym więcej w rozdziale o atmosferze.

Woda to jedna z nielicznych substancji, które naturalnie występują na naszej planecie we wszystkich trzech stanach skupienia: lotnym, ciekłym i stałym. Stan lotny – oderwane od siebie molekuły wody – nazywamy parą wodną. Popularnie określa się ją także mianem gazu, choć ortodoksyjnie nastawieni specjaliści zaznaczają, że gaz i para to nie to samo. Cząsteczki pary przemieszczają się swobodnie i nie są ze sobą powiązane, ale nie zmieniając ich temperatury (a tylko ciśnienie), można doprowadzić do ich skroplenia, czyli przejścia w stan ciekły. Z gazem ta sztuczka się nie uda – jego molekuły są zbyt rozhasane, by raczyły się połączyć. Para wodna staje się gazem w ścisłym znaczeniu tego terminu dopiero, gdy osiąga temperaturę wrzenia.

Warto pamiętać o tym, że para wodna jest przezroczysta, więc nie zobaczymy jej gołym okiem, mimo że w wilgotnych częściach naszej planety może stanowić nawet 4% masy powietrza. Pojawienie się białych obłoczków wydostających się z naszych ust na mrozie albo kłębów unoszących się w łazience, gdy bierzemy gorący prysznic, wymaga skroplenia pary, czyli inaczej kondensacji.

Aby do tego doszło, molekuły wody muszą zacząć spotykać się ze sobą w powietrzu. Im wyższa temperatura, tym jest to trudniejsze: im jest cieplej, tym cząsteczki pary wodnej (tak samo jak tlenu i azotu) poruszają się szybciej i „mijają się w biegu”. Skraplanie zachodzi więc na ogół wtedy, gdy w powietrzu z jakiegoś powodu przybędzie pary wodnej (wzrośnie jej ciśnienie) lub gdy masa powietrza ulegnie ochłodzeniu. Oba te czynniki zwiększają prawdopodobieństwo zetknięcia się i połączenia molekuł wody.

Jak to przebiega? Dzięki swojej strukturze cząsteczki wody mogą tworzyć tak zwane wiązania wodorowe: dodatnie, wodorowe „końcówki” molekuły chętnie przytulają się do atomów tlenu (wokół których, jak już mówiliśmy, dominuje ujemny ładunek elektryczny) należących do innych cząsteczek. Połączenie molekuł jest więc skutkiem działania sił elektrostatycznych.

Każda cząsteczka ma dwie „wodorowe łapki”, którymi może „złapać” atomy tlenu z dwóch innych oraz sama może zostać złapana „łapkami” dwóch kolejnych molekuł (bo atom tlenu udostępnia im właśnie dwa „elektronowe uchwyty”). W sumie może się więc związać aż z czterema cząsteczkami. To wyróżnia wodę spośród innych substancji. Przykładowo cząsteczki amoniaku składają się z aż trzech atomów wodoru, ale tylko jednego atomu azotu, który w dodatku dysponuje tylko jednym „uchwytem”. To oznacza, że w kropli amoniaku każda molekuła może połączyć się tylko z dwiema innymi: „nadmiarowe” wodory pozostają niewykorzystane.

Dzięki wiązaniom wodorowym powierzchnia wody charakteryzuje się szczególnie silnym napięciem powierzchniowym, przypomina elastyczną membranę, którą trudno jest przeniknąć. Molekuły wody znajdujące się we wnętrzu kropli czy naczynia sąsiadują z wieloma innymi, są więc przyciągane (lub wręcz wiązane) podobnie silnie ze wszystkich stron, działające na nie siły się równoważą. Tymczasem cząsteczki znajdujące się na granicy między wodą i powietrzem odczuwają przede wszystkim przyciąganie ze środka płynu – ze strony, gdzie znajdują się pozostałe cząsteczki wody. Powoduje to, że trzymają się grupy tak mocno jak się da i trudno jest je oderwać, ale też – wbić się pomiędzy nie. Jeśli na kroplę wody nie działają inne siły (lub działają, ale się równoważą), przyjmuje ona kształt kuleczki: przyciągające się molekuły próbują zebrać się w jak najciaśniejszą grupkę. Dzięki temu zjawisku, jeśli nalejemy do szklanki trochę więcej wody, niż się w niej mieści, zamiast się wylać, utworzy ona wypukłą powierzchnię – zwaną meniskiem wypukłym (oczywiście nie możemy przesadzić z ilością płynu – jeśli będzie go za dużo, woda jednak rozleje się na boki). Tworzenie przez cząsteczki zwartego szeregu na granicy z powietrzem wykorzystują niektóre owady (na przykład nartniki), które dzięki temu i specjalnie ukształtowanym odnóżom mogą przemieszczać się po powierzchni zbiorników.

Podobnie jak w przypadku innych cieczy, gęstość wody zależy od jej temperatury. Im temperatura wyższa, tym molekuły są bardziej ruchliwe i mają tendencję do oddalania się od siebie. W miarę schładzania wody cząsteczki „uspokajają się” i tworzą bardziej zwarte skupisko – ta sama masa wody zajmuje coraz mniej miejsca. Trwa to aż do osiągnięcia temperatury 4ºC, wtedy bowiem zaczyna się dziać coś nietypowego. Molekuły wody zaczynają się od siebie oddalać. Spowolnione ruchy ułatwiają im tworzenie wiązań wodorowych i układanie się w coraz bardziej uporządkowaną strukturę do momentu, gdy w temperaturze około 0ºC utworzą ostatecznie kryształ lodu.

Kryształ to zestaw stabilnie powiązanych ze sobą cząsteczek ułożonych w powtarzające się struktury przestrzenne (komórki). Ponieważ „wodorowe łapki” molekuł wody tworzą kąt około 105 stopni, powstająca z nich siatka krystaliczna nie przypomina bynajmniej regularnych sześcianów. Cząsteczki ustawiają się tak, by każdej było „wygodnie”, czyli aby trzymając koleżanki, jednocześnie mogła utrzymywać „ulubiony” kąt. Oczywiście nie wynika to z altruizmu czy wygodnictwa, ale z działania sił elektrostatycznych. W rezultacie kryształ lodu, z którym mamy do czynienia najczęściej, ma strukturę heksagonalną, co oznacza po prostu, że molekuły wody w jego kolejnych warstwach ustawiają się na wierzchołkach regularnych sześciokątów. Gęstość lodu jest trochę mniejsza niż płynnej wody – to dlatego kry, a nawet olbrzymie góry lodowe unoszą się na jej powierzchni, zamiast tonąć.

Jako ciekawostkę można dodać, że możliwe jest także wytworzenie kryształów lodu o innych strukturach, łącznie z sześcienną, prostopadłościenną czy równoległościenną. Wymaga to jednak specyficznych warunków, np. bardzo niskich temperatur albo ciśnień tysiące razy większych niż ciśnienie powietrza na powierzchni Ziemi.

Molekuły tworzące kryształ nie wykonują drgań i rotacji takich jak swobodne cząsteczki pary wodnej w atmosferze: powodowałoby to ruszanie się także innych cząsteczek i przestalibyśmy mieć do czynienia ze stabilną strukturą. Na tym zresztą polega proces topnienia lodu: w miarę jego ogrzewania molekuły wody zyskują energię pozwalającą im na poruszanie się, zrywania stabilnych dotąd wiązań wodorowych, łączenie się z innymi niż dotąd cząsteczkami i w innych, nieuporządkowanych konfiguracjach. I tak powstaje znów woda ciekła, czyli ośrodek zwarty, ale łatwo zmieniający kształt i dający się formować (np. przez przelewanie z naczynia do naczynia).

Przejścia pomiędzy trzema stanami skupienia wody wymagają każdorazowo pobrania przez nią lub oddania energii. Najbardziej ruchliwe i mające najwięcej energii są cząsteczki pary wodnej w stanie lotnym, jeśli więc ma dojść do skroplenia albo resublimacji pary (czyli jej przejścia od razu w stan stały), woda musi energię oddać. Podobnie dzieje się przy zamarzaniu wody – molekuły, które dotąd mogły się względem siebie poruszać, nieruchomieją, a więc ich energia spada i musi zostać oddana do otoczenia. Odwrotnie jest przy parowaniu wody oraz topnieniu i sublimacji lodu (czyli jego przechodzeniu od razu w stan lotny): cząsteczki muszą uzyskać energię, która pozwoli im na ruch i zrywanie wiązań wodorowych.

Ta okoliczność ma duże znaczenie w technice i biologii (parującą wodę można wykorzystać do chłodzenia urządzeń i organizmów), ale też dla zjawisk zachodzących w ziemskiej atmosferze, o których więcej w rozdziale o atmosferze. Warto też pamiętać o różnicach pomiędzy parowaniem i wrzeniem: parowanie wody może zachodzić w każdej temperaturze (choć im temperatura mniejsza, tym jest mniej intensywne) i jest procesem powierzchniowym: ulatniają się tylko cząsteczki znajdujące się na granicy między wodą i otoczeniem. Wrzenie oznacza, że woda osiągnęła temperaturę, w której po prostu nie jest w stanie pozostać w stanie ciekłym: wiązania wodorowe puszczają w całej jej objętości i w każdym miejscu może pojawić się nagle bąbel gazu. To dlatego gotująca się woda bulgoce.

Wspólną cechą wszystkich płynów (w tym wody i powietrza) umieszczonych w polu grawitacyjnym jest to, że powstaje w nich siła wyporu. Dzięki grawitacji ciśnienie płynu zależy od tego, ile znajduje się go powyżej punktu, w którym je mierzymy. Im jest płynu więcej, tym jest cięższy i wywiera większe ciśnienie. Dlatego największe ciśnienie atmosferyczne panuje przy powierzchni Ziemi, a największe ciśnienie wody – na dnie oceanu. Gdy zanurzymy w płynie jakiś przedmiot, otaczające go cząsteczki będą na niego napierać ze wszystkich stron. Siły działające w poziomie się zrównoważą. W pionie pojawi się jednak różnica ciśnień: siła działająca na dolną (głębiej zanurzoną) powierzchnię przedmiotu będzie większa niż ta działająca na górną. W sumie więc będziemy mieli do czynienia z wypychaniem obiektu do góry. Nie zapominajmy jednak o sile grawitacji, która również działa na nasz „zanurzony obiekt”. To, co będzie się z nim działo, zależy od różnicy między nią i siłą wyporu. W przypadku obiektów o gęstości większej niż gęstość płynu wygrywa ściągające je w dół przyciąganie ziemskie. Rzeczy o mniejszej niż płyn gęstości (na przykład wrzucony do wody korek) wypłyną do góry. Co ważne, liczy się średnia gęstość – to dzięki temu stalowy, ale wypełniony powietrzem statek jest w stanie unosić się na wodzie.

Większość wody na Ziemi (96-97%) znajduje się, oczywiście, w oceanie, który pokrywa ponad 70% naszej planety. Właściwości wody słonej są nieco inne niż słodkiej: ma większą gęstość, a do tego jej objętość zawsze rośnie wraz ze wzrostem temperatury – nie występuje tu zmiana trendu taka jak dla wody słodkiej (która od 0ºC do 4ºC „kurczy się”, a powyżej – „puchnie”).

Prawie 69% słodkiej wody jest uwięzione w lodowcach i lądolodach, a 30% – pod ziemią. Lód pod powierzchnią gruntu, wieloletnia zmarzlina, jeziora, bagna, rzeki i atmosfera, gleba i organizmy żywe zawierają pozostałe 1,2%. Chociaż więc nasza planeta jest nazywana planetą wody, tylko niewielka części tej substancji nadaje się do spożycia przez nas lub do nawadniania pól.

A skąd w ogóle wzięła się na Ziemi woda, i to w ilości pozwalającej na wypełnienie całego wszechoceanu? Wodór – najprostszy pierwiastek, którego atom składa się z jednego protonu i jednego elektronu, istnieje od początku wszechświata. Tlen (jak wiele innych pierwiastków) wytwarzany jest tylko w reakcjach zachodzących we wnętrzu gwiazd. Powstanie pierwszych molekuł wody było więc możliwe dopiero w chwili, gdy pojawiły się pierwsze gwiazdy. A właściwie, kiedy zniknęły – bo gdy gwieździe kończy się paliwo do prowadzenia reakcji, wybucha, rozrzucając po okolicy wyprodukowaną w swoim wnętrzu materię. Dziś wodę znajdujemy niemal wszędzie – nie tylko na planetach czy kometach, ale też w mgławicach.

Układ Słoneczny był początkowo wielką chmurą gazów i pyłów, która najpierw spłaszczyła się, tworząc wirujący dysk, a następnie zaczęła skupiać się w grudki, które z czasem urosły do rozmiarów planet, księżyców i mniejszych ciał. Pierwotna chmura składała się częściowo z cząsteczek wody, ale młode Słońce ogrzewało swoje otoczenie na tyle silnie, że nie były one w stanie się skraplać. Dopiero gdy gwiazda zaczęła stygnąć, para osiadała na rozmaitych pyłach opadających z kolei na młodą Ziemię, co można porównać do kosmicznego deszczu. W ten sposób w płaszczu naszej planety znalazły się prawdopodobnie duże ilości wody czy jonów wodorowych i wodorotlenowych uwięzionych w kryształach tworzonych do spółki z innymi substancjami. Mogły one wydostawać się na powierzchnię stopniowo, w wyniku topnienia minerałów i aktywności wulkanicznej (para wodna to jeden z gazów uwalnianych z wylewającej się na powierzchnię lawy). Za dostawy wody podziękowania należą się także uderzającym w Ziemię asteroidom i meteorom, które obrosły wcześniej lodem, przebywając poza zasięgiem rozgrzewających promieni słonecznych.