12
zahvaliti predvsem simulacijam, ki jih poganjajo superračunalniki. Tako imamo danes že dokaj dobro sliko o molekuli vode in njenih kemijskih in fizikalnih lastnostih.
1.2 Sestava in struktura molekule vode
Molekula vode (divodikov oksid) je sestavljena iz dveh atomov vodika in atoma kisika. Vodika sta na kisik vezana s kovalentno vezjo. Večje število molekul vode se glede na temperaturo in tlak sistema lahko nahaja v treh agregatnih stanjih. Vodi v plinastem stanju rečemo vodna para, v tekočem stanju voda in v trdnem stanju led.
V sledečih štirih razdelkih bomo opisali oba elementa, ki sestavljata molekulo vode (vodik in kisik), strukturo molekule vode ter vodikovo vez, ki se lahko tvori med posameznimi molekulami vode.
1.2.1. Vodik
Vodik je prvi element periodnega sistema kemijskih elementov. Označimo ga s simbolom H.
Gre za najstarejši element v vesolju, ki ga najdemo na vseh planetih in zvezdah. Ima najenostavnejšo subatomarno sestavo: sestavljata ga en proton (jedro atoma) in en elektron. Po velikosti spada v skupino manjših atomov. Najdemo ga v treh agregatnih stanjih: plinastem, tekočem in trdnem. Vodik se v plinastem stanju nahaja v molekularni obliki, H2. Je plin brez barve, vonja in okusa. Ima tri izotope. Izotop brez nevtrona se imenuje vodik, z enim nevtronom je devterij in z dvema nevtronoma je tritij.
Slika 4: Izotopi istega elementa imajo enako vrstno število. Slika nam prikazuje, kako so vsi izotopi istega elementa na istem mestu v periodnem sistemu elementov (Devetak idr., 2010).
Prisotnost plinastega vodika lahko denimo potrdimo z eksplozivno reakcijo s kisikom, ki jo lahko sprožimo npr. s pomočjo tleče trske ali iskre. Vodik je del številnih kemijskih spojin.
Pripisujejo mu vlogo poglavitnega goriva prihodnosti. Potekajo raziskave, kako bi s pomočjo sončne energije izvedli elektrolizo vode in pridobivali vodik. Spet drugi proučujejo snovi, ki bi
13
bile podobne klorofilu v zelenih rastlinah in bi razkrajale vodo v vodik in kisik (Bukovec, N., idr 2002).
1.2.2. Kisik
Kisik se v periodnem sistemu nahaja v XVI. skupini. Označimo ga s simbolom O.
Kisik se v naravi nahaja v obliki molekul. »Atomi teh elementov se namreč povezujejo v molekule. V takšnih molekulah so povezani atomi istega elementa« (Devetak idr., 2010).
Slika 5: Slika nam prikazuje molekulo kisika O2, sestavljeno iz dveh atomov kisika (Devetak idr., 2010).
Je najbolj reaktiven element šestnajste skupine periodnega sistema elementov. Gre za enega izmed življenjsko najpomembnejših elementov. Je plin brez barve, vonja in okusa. Je najbolj razširjen element v zemeljski skorji. Poznamo ga v treh agregatnih stanjih: trden kisik je temnomodre barve, tekoč modre barve in plinast brezbarven. V plinasti obliki se lahko pojavi kot O2 ali O3 (ozon).
Prisotnost kisika lahko potrdimo s tlečo trsko, ki v kisiku zagori. V laboratorijih ga pridobivajo na številne načine. Zelo pomembna lastnost kisika v vodi je dobra topnost. Topnost kisika omogoča življenje v vodi. Kisik se pri dihanju porablja, pri fotosintezi rastlin pa sprošča.
Gorenje organskih snovi porablja kisik, nastaja pa voda.
14 1.2.3. Struktura vode
Molekulo vode sestavljata dva atoma vodika in en atom kisika. Predstavimo jo s kemijsko formulo H2O. Molekulo vode lahko prikažemo denimo tudi s pomočjo kalotnega ali krogličnega modela. Ti modeli prikazujejo poleg sestave vode tudi prostorsko porazdelitev atomov.
Molekula vode ni linearna. »Meritve in lastnosti vode dokazujejo, da je molekula vode kotne oblike, na kar vplivata ravno nevezna elektronska para na kisiku« (Devetak idr., 2010).
Slika 7: Slika shematsko prikazuje vpliv naveznega elektronskega para na valenčni kot (kot H-O-H) (Devetak idr., 2010).
Na atomu kisika sta dva nevezna elektronska para, ki v vezi ne sodelujeta. Elektrostatski odboj med veznimi elektronskimi pari je močnejši kot med neveznimi elektronskimi pari, zaradi česar ima molekula valenčni kot 104,5 °.
Slika 8: Slika prikazuje razporeditev elektronske gostote v molekuli vode. Kisik je bolj elektronegativen, vodika pa bolj elektropozitivna. (Devetak idr., 2010).
Slika 6: Slika nam prikazuje kalotni model molekule vode in kroglični model vode. Rdeče obarvan del predstavlja kisik, belo pa dva vodika. Pri krogličnem modelu je kovalentna vez med vodikom in kisikom nakazana s palčko rdeče-bele barve (Devetak idr., 2010).
15
Posledično ima molekula vode dipolni moment. Na eni strani je pozitivni pol (vodikova atoma) in na drugem je negativni pol (kisikov atom). Molekula vode je polarna. Vez med kisikom in vodikom imenujemo kovalentna vez. Oba elementa si zagotovita stabilno elektronsko konfiguracijo. Kisikov atom dobi osem elektronov v zunanji lupini, kar je elektronska konfiguracija žlahtnega plina neona. Vodikova atoma dobita po dva elektrona in elektronsko konfiguracijo helija. Kisik k tvorbi dveh kovalentnih vezi prispeva dva elektrona, ki se povežeta z vsakim od vodika, ki prispevata po en elektron.
Vodo dobimo s kemijsko reakcijo iz elementov vodika in kisika. Za nastanek dveh molekul vode potrebujemo eno molekulo kisika in dve molekuli vodika.
Slika 9: Slika nam prikazuje kemijsko reakcijo nastanka vode. Iz dveh molekul vodika in ene molekule kisika nastaneta dve molekuli vode. (Devetak idr., 2010).
1.2.4 Vodikova vez
Vodikova vez je šibka vez (nekje med 5 in 30 kJ/mol) med dvema molekulama, ki nastane zaradi elektrostatskega privlaka med atomom vodika ene molekule ter elektronegativnim atomom (O,F,N) druge molekule (Wikipedija, https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_bond).
Vodikova vez lahko nastane tudi med deli iste molekule, če je le-ta dovolj velika (intra-molekularna vodikova vez). Med molekulami vode lahko nastane vodikova vez med elektropozitivnim vodikom ene molekule ter elektronegativnim kisikom druge molekule.
Vodikova vez poveže dve molekuli vode med sabo, če je orientacija molekul ustrezna (ustrezna razdalja ter kot).
16
Slika 10: Prikaz vodikove vezi (črtkano) med dvema molekulama vode (Bukovec, N. in Brenčič, J. 2000).
Struktura molekule vode omogoča, da se vsaka molekula lahko poveže s štirimi molekulami vode z vodikovimi vezmi (dva protona in dva nevezna elektronska para). Sposobnost tvorbe vodikovih vezi je vzrok anomalnim fizikalnim lastnostim vode kot so visoko vrelišče, visoko tališče, največja gostota pri 4 °C, velika specifična toplota, dobro topilo, itd. (Lazarini, F. in Brenčič, J. (1992)). Molekule vode so v trdni in tekoči fazi bolj ali manj povezane z vodikovimi vezmi. Urejenost molekul vode se zmanjšuje, ko preidemo iz ledu v vodo, ali iz vode v vodno paro. V ledu je struktura najbolj urejena, kot nam prikazuje slika spodaj. V tekoči vodi je struktura že manj urejena.
Slika 11: V ledu (tip I) so molekule vode povezane s štirimi vodikovimi vezmi (črtkano) (Bukovec, N. in Brenčič, J. 2000).
17