Fizyka morza

1. Fizyka morza Woda jako ośrodek fizyczny, jej struktura molekularna i wynikające z takiej struktury właściwości fizyczne A. Krężel, fizyka morza - wykład 4

2. Woda jako ośrodek fizyczny • Woda morska jest mieszaniną składającą się w 96.5% z wody jako związku chemicznego H2O oraz w 3.5% z innych składników takich jak: rozpuszczone sole, gazy i substancje organiczne, a także zawieszone w niej cząstki organiczne i nieorganiczne • Czysta woda w porównaniu z innymi podobnymi związkami (np. związkami pierwiastków grupy VI układu okresowego z wodorem) charakteryzuje się szeregiem wyjątkowych właściwości A. Krężel, fizyka morza - wykład 4

3. Budowa atomu • Według teorii Nilsa Bohra rozwiniętej przez Sommerfelda atom składa się z jądra i orbitali atomowych. Kształt i typ orbitali nie są dowolne. Są one określone przez tzw. liczby kwantowe: • główna liczba kwantowa - n - wskazuje, na której powłoce znajduje się elektron; im dalej od jądra tym większa energia kinetyczna elektronu • poboczna liczba kwantowa - l - określa orbitalny moment pędu i kształt orbitala (umownie oznaczana literami: s, p, d, f) • magnetyczna liczba kwantowa - ml - kwantowanie przestrzenne orbitalnego momentu pędu (decyduje czy orbital jest px, py czy pz) • spinowa liczba kwantowa - ms - uwzględnia ustawienie spinu elektronu względem jego momentu orbitalnego • Reguła zakazu Pauliego: w atomie nie może być dwóch takich elektronów, które miałyby tę samą czwórkę liczb kwantowych. • Okresy w okresowym układzie pierwiastków odpowiadają zapełnieniu przez elektrony kolejnych powłok, a chemiczne pokrewieństwo pierwiastków z tej samej grupy wynika z rozkładu elektronów na zewnętrznej powłoce. • Atomy wykazują skłonność do przybierania na zewnętrznych powłokach elektronowych konfiguracji identycznych jakie mają sąsiednie atomy gazów szlachetnych, takich jak hel (2), neon (8) czy argon (8). A. Krężel, fizyka morza - wykład 4

4. Budowa cząsteczki wody • Na podstawie badań z zakresu mechaniki kwantowej ustalono, że w przypadku cząsteczki wody: • wodór dąży do uzupełnienia swojej powłoki elektronowej [1s] o 1 elektron • tlen ([1s]2, [2s]2,[2pz]2, [2px], [2py]) dąży do uzupełnienia swojej zewnętrznej powłoki elektronowej ([2s]2,[2pz]2, [2px], [2py]) o dwa elektrony (do ośmiu) • W rezultacie następuje wymieszanie orbitali (hybrydyzacja) typu s oraz p i cząsteczka uzyskuje kształt schematycznie przedstawiony na rysunkach obok A. Krężel, fizyka morza - wykład 4

5. Budowa cząsteczki wody Istota zmian polega na: • znacznym zwiększeniu chmur elektronów px i py stanowiących teraz wiązania OH, • przesunięciu tych chmur w stosunku do jądra tlenu w stronę jąder wodoru • ustaleniu się kąta pomiędzy nimi na skutek odpychania elektrostatycznego na 104°31' i odległości pomiędzy jądrami tlenu i wodoru na 0.096 nm • powstaniu silnych ujemnych chmur elektronowych (2 razy po 2 elektrony) wychylonych “w bok” (jedna powstała z orbitala (2pz)2, a druga (2s)2 atomu tlenu) A. Krężel, fizyka morza - wykład 4

6. Moment dipolowy A. Krężel, fizyka morza - wykład 4

7. Konsekwencje budowy cząsteczki wody są bardzo duże i dotyczą m.in.: • zachowania się w różnych stanach skupienia • właściwości fizycznych • możliwości oddziaływania na inne związki chemiczne A. Krężel, fizyka morza - wykład 4

8. Wiązanie wodorowe połączenie dwóch cząsteczek H2O za pomocą jednego ze spolaryzowanych atomów wodoru Atom wodoru zdolny jest do tworzenia takiego wiązania, ponieważ ma małe rozmiary (promień ok. 0,03 nm) i małą chmurę elektronową otaczającą jądro (1 elektron w atomie), tak że proton H+ może zbliżyć się dostatecznie blisko do ujemnej chmury ładunku elektronów tlenu. W odległości wzajemnej jąder tlenu wynoszącej ok. 0.298 nm następuje (podobnie jak w opisanym wcześniej wiązaniu OH) równowaga sił przyciągania się ładunków różnoimiennych i odpychania ładunków równoimiennych obu cząsteczek. Przy dalszym zbliżeniu się tych cząsteczek do siebie siły odpychania przeważają nad siłami przyciągania; przy oddalaniu zaś przeważają siły przyciągania. Obie cząsteczki połączone wiązaniem wodorowym oscylują zatem wokół położenia równowagi sił wzajemnego przyciągania i odpychania elektrostatycznego (jakby związane sprężyną). Tworzą one parę cząsteczek zwaną dimerem, zawierającym w sumie 20 elektronów i odpowiednią liczbę dodatnich ładunków jąder atomowych, rozmieszczonych tak względem siebie by w polu sił wzajemnego oddziaływania osiągać minimum energii potencjalnej.Energia wiąza­nia wodorowego wynosi ok. 18840 J mol-1 wobec 2500 J mol-1w przypadku „zwykłych” wiązań Van der Waalsa.

9. Wiązanie wodorowe Zdolność cząsteczek wody do łączenia się na różne sposoby w dimery i polimery za pomocą wiązań wodorowych wynika zatem z ich struktury, a szczególnie z konfiguracji elektronów w cząsteczce H2O. Z tej zdolności łączenia się cząsteczek wody w polimery, czyli duże grupy cząsteczek (H2O)n lub w regularną sieć krystaliczną lodu wynika z kolei wiele ważnych w przyrodzie (anomalnych) właściwości wody, a wśród nich • wysokie temperatury topnienia i wrzenia, • wyjątkowo duże ciepło właściwe, • maksimum gęstości przy 4°C. A. Krężel, fizyka morza - wykład 4

10. Teoria Franka i Wena • istnienie wiązania wodorowego pomiędzy parą atomów tlenu powoduje takie przesunięcie ładunków, że każdy z tych atomów ma tendencję do łączenia się wiązaniem wodorowym z następnym sąsiednim atomem, przez co powstaje cały kompleks połączeń, czyli grupa cząsteczek; • zerwanie się jednego wiązania w takiej grupie wywołuje tendencję całej grupy do rozpadu; szacuje się czas trwania takiej grupy zaledwie na 10-10-10-11s; jest to czas 100 do l000 razy dłuższy od okresu drgań cząsteczek H2O; • powstające w ten sposób grupy zawierają w korzystnych warunkach termicznych średnio po 57 cząsteczek H2O każda; spośród wszystkich cząsteczek 70% wchodzi w skład grup, w tym 23% powiązane jest we wnętrzu grupy czterema wiązaniami wodorowymi każda, jak w siatce lodu, zaś pozostałe 47% doczepione jest jednym, dwoma lub trzema wiązaniami wodorowymi na granicach grup; • istnienie grup jest odczuwalne: • przy oddziaływaniu wody z falą elektromagnetyczną, • przy oddziaływaniu wody z falą akustyczną, • przy podgrzewaniu wody, • przy ściskaniu statycznym, • dla procesów na powierzchni (wielkość napięcia powierzchniowego) A. Krężel, fizyka morza - wykład 4

11. Struktura wody w różnych stanach skupienia Struktura wody w różnych stanach skupienia. W - energia ruchu cząstek, WH - energia wiązań wodorowych A. Krężel, fizyka morza - wykład 4

12. Pojemność cieplna • Z teorii molekularnej gazów Maxwella-Boltzmanna wynika, że na każdy stopień swobody ruchu cząstek gazu przypada energia mechaniczna równa: • Cząsteczka wody jeśli jest “trójwymiarowa”, powinna posiadać 6 stopni swobody, 3 dla ruchu postępowego w przestrzeni i 3 dla ruchu obrotowego. Oznacza to, że całkowita energia jej swobodnego ruchu wynosi 3kT, a jednego mola 3kTN, gdzie N - liczba Avogadro = 6.02217·1023 mol-1. Ciepło właściwe gazu przy stałej objętości: A. Krężel, fizyka morza - wykład 4

13. Pojemność cieplna A. Krężel, fizyka morza - wykład 4

14. Anomalna rozszerzalność wody -3 Gęstość [kg m ] Na objętość jednostki masy H2O mają wpływ dwa konkurencyjne procesy: • zwiększanie na skutek wzrostu energii kinetycznej cząsteczek pod wpływem dostarczania energii (podgrzewania) • zmniejszanie na skutek rozpadu zasocjowanych grup cząsteczek, które po częściowym rozpadzie są w stanie lepiej się “upakować” Temperatura °C A. Krężel, fizyka morza - wykład 4

15. Właściwości fizyczne wody A. Krężel, fizyka morza - wykład 4