Dr. Lakatos Gyula - Dr. Hannu Mölsä - Dr. Szilágyi Ferenc


A víz speciális tulajdonságai

 

A víz általános jelenléte biztosítja, hogy minden környezeti jelenségben szerepet játszik. Például nélkülözhetetlen szerepe van az éghajlat szabályozásában, a tápanyagok körforgásában, biokémiai reakciókban és az időjárásban. Más hasonló molekula alakú és tömegű keverékekhez képest a víz rendhagyó viselkedést mutat. Ha a víz úgy viselkedne normál hőmérsékleti viszonyok között, mint a H2S, NH4+, vagy a HF, akkor csak gőz formájában lenne jelen. Ez az egyike annak a két szervetlen folyadéknak (együtt a higannyal), amely adott hőmérsékleti és nyomásviszonyok között a Földön folyékony formában van jelen.

A víz egyedülálló tulajdonsága a molekuláris struktúrájából adódik. Az oxigénnek nagy az elektronnegatívitása. A víz részecskéiben a külső magburkon vegyértékelektronok és a hozzá kapcsolódó két hidrogénatom található. A kovalens kémiai kötésben az elektronok aszimmetrikusan helyezkednek el az erősen negatív oxigénatom irányában. Ebből az következik, hogy csekély negatív töltés van az oxigénatomon, és csekély pozitív a hidrogénatomokon. A vízmolekulában lévő aszimmetrikus töltés lehetővé teszi az oxigénmolekula számára, hogy hidrogénkötéseket alakítson ki egy szomszédos molekula ellentétes töltésű hidrogénjével.

Egy molekulán belüli O-H kötés iránya majdnem pontosan egybeesik a másik molekula O-H kötésével. Így a kötést létesítő H-atom az O-atom felé mutat. A valódi folyadékban a molekulák szabadon mozognak. Ez nem áll arra a vízre, amely véletlenszerűen kapcsolódott hidrogén-kötések folytonos hálózatából áll. Ez a folyadék kristályos állapotából adódik. A kovalens kötések túl erősek ahhoz, hogy a hidrogénkötések jelentősen deformálnák. Amikor a víz halmazállapota átalakul jégből folyékonnyá, és utána gőzzé, a hidrogénkötések eltorzulnak, vagy megszakadnak. A folyékony víz kristályos mátrixa nem statikus, folytonosan bekövetkezik a topológiai megújulása. A molekuláris kovalens kötések állandóan görbülnek és fordulnak. A H-kötések viszont folytonosan változtatják kapcsolódási helyüket a folyadék kristály mátrixban. Ez a komplex kötődés tartja a vízmolekulákat együtt folyadékként, még magasabb hőmérsékleten is. Szemben a H2S, HF vagy NH3-val, amelyek közül mindegyik gáz halmazállapotú szobahőmérsékleten.

A víz speciális tulajdonságai tehát a következők:

  • A moláris tömeg alapján várhatónál magasabb olvadás- és forráspont.

  • Viszonylag magas gőznyomás mind szilárd, mind folyékony állapotban (ami lehetővé teszi, hogy a Földön mindhárom, folyékony, szilárd és gázfázisban is jelen legyen).

  • Magas olvadás- és párolgáshő.

  • Nagy specifikus hő kapacitás.

  • Alacsony hővezető-képesség.

  • Kisebb sűrűség szilárd, mint folyékony halmazállapotban (majdnem az összes más anyag sűrűbb lesz, ha megszilárdul).

  • Kiváló oldószer, különösen egyszeresen töltött ionokból álló ionrácsokat és nitrogén-, illetve oxigénatomot tartalmazó szerves anyagokat old jól.

  • Nagy dielektromos állandó.

  • Nagy felületi feszültség.

  • Kapilláris hatás.

A hidrogénhíd kötés a legerősebb másodrendű kémiai kötés, ereje mintegy 10 %-a a kovalens kötésnek. Ez a molekulákat összetartó kötés a felelős a víz sok egyedi tulajdonságért, mint amilyen a magas olvadás- és forráspont, a nagy felületi feszültség, kapilláris hatás, nagy fajhő, stb. A hidrogénkötés az oka továbbá annak, hogy a víz maximális sűrűsége 4 °C-on van a fagyáspont helyett, ahogy az a folyadékok többségénél általános. Ha egyszer egy tó vize eléri a 4 °C-ot, a felszínen a további hűlés kisebb tömegű vizet, végül jeget hoz létre, a melegebb, sűrűbb víz a mélyben marad. A kialakult jég szigeteli a folyékony vizet, és megóvja a mélyebb tavakat a fenékig fagyástól. Kevés élőlény képes a túlélésre a tömör jégben.

A víz sűrűség-hőmérséklet kapcsolata abból a tulajdonságából adódik, hogy nem amorf folyadék. Molekuláris struktúrája olyan, amely megengedi az elektrosztatikus vonzást és kapcsolódást a különálló molekulák között, laza szerkezetet adva a folyadéknak. Ez a szerkezet többnyire a jég változatos kristályformáiban nyilvánul meg, mely sokkal kevésbé sűrű, mint a folyékony víz, és melyben a molekulák jól elkülönülnek. Mikor a jég olvad, a kristályszerveződés egy része megmarad, de fokozatosan leépül, ahogy a hőmérséklet emelkedik. A molekulák így belezuhannak azokba a terekbe, amelyek elkülönítették őket a jég kristályszerkezetében. Egy adott térfogatba több zsúfolódik, és a sűrűségnek e folyamat miatt tovább kellene emelkednie. Az emelkedő hőmérséklet egyidejűleg növeli a molekulák mozgási energiáit az egymástól való elmozdulásukat okozva. Ez a sűrűség csökkenésének irányába fog hatni.

A jég olvadásakor két folyamat működik: az egyik emeli, a másik csökkenti a sűrűséget. Úgy tűnik, hogy az első folyamat érvényesül 3.94 °C-ig, amikor a víz eléri a maximális sűrűséget, és a második lépésként már a sűrűség fokozatosan csökken. A folyékony vízben szintén a molekula-együttesek szolgálnak a víz viszonylag magas viszkozitásának és fajhőjének az alapjául. Sokkal több energia kell a molekulák elkülönítéséhez, mint amennyi az oxigénhez kapcsolódó elemek, mint pl. a kén és a szelén hidratációjához szükséges.

A víz magas fajhője csak kismértékű hőmérséklet emelkedésekor már nagy mennyiségű hő elnyelését biztosítja. Ez képessé teszi a vízi élőlényeket még az igen erős egyenlítői napsugárzás túlélésére is, mely a tó hőmérsékletében csak kis mértékű emelkedést eredményez. A párolgás és a hőáramlás szintén csökkentik a felszíni felmelegedést. Melegebb vízben a sűrűség gyorsan változik a hőmérsékleti váltásokkal, míg hideg vízben a hőmérséklet eltolódásokkal a sűrűségváltozás kisebb. A mélység szerinti sűrűségváltozások a felelősek a rétegzett felépítésű tavak jelentős ellenállásáért a szél keverő hatásával szemben. A víz viszkozitása az áramlásokban fontos szerepet játszik a halak és a rovarlárvák alakjának meghatározásában.

A vízterek a környező szárazföldre jelentős hatást gyakorolnak. A hatás kiterjedése függ a tó méretétől. Mivel a víz nagy mennyiségű hőt tárol egységnyi térfogatra, a nagy térfogatú víz képes befolyásolni a klímát. Például a Nagy Tavak megvédik a környező gyümölcsöskerteket a tavaszi fagytól. A svéd Lappföldön az Északi sarkkörtől északra sokkal enyhébb klíma van, mint Alaszkában hasonló szélességi körön. Ennek oka a trópusi Golf-áramlat, amely melegíti a nyugati Brit és Skandináv partokat.

A meleg és a hideg víz sűrűségének különbsége felelős a víztömeg keveredésekor jelentkező nagy ellenállásért. A vízsűrűség különbségének aránya nem konstans a hőmérséklet változásával. A sűrűség sokkal gyorsabban csökken magasabb hőmérsékleten. A víz sűrűségét a hőmérsékleten kívül más faktorok is befolyásolják. Az oldott sók növelik a sűrűséget, és stabilitást biztosítanak a rétegzett tavaknak. A sók által előidézett sűrűség szerepe dominál a hőmérséklet okozta hatások felett a folyótorkolatokban és az óceánokban. A tiszta víz sűrűsége 4 °C-on 1,000 g/cm3, a tengervíz 35 g/l sótartalomnál 1,028 cm3. Ez a tengervíz maximális sűrűségénél beálló hőmérsékletet lecsökkenti -3,5 °C-ra. Az oldat fagyáspontja fordítottan arányos a sótartalommal.

A víz más, a limnológiában fontos tulajdonságai a viszkozitás és a felületi feszültség. A viszkozitás - a folyadék folyásakor keletkező ellenállás nagysága - ellenállást fejt ki a szervezetek mozgására, és így teszi lehetővé a plankton lassú süllyedését. A viszkozitás sokkal nagyobb alacsonyabb hőmérsékletű víz esetében ( 2. táblázat).

1. táblázat
A viszkozitás változása a víz hőmérsékletével

 

Hőmérséklet (°C)

Viszkozitás (cP)

0

1,79

5

1,52

10

1,31

15

1,14

20

1,00

25

0,89

30

0,80

35

0,72

40

0,65

A felületi feszültséget - mint a viszkozitást - a folyadék kristályrácsában lévő hidrogénkötések kohéziója okozza. Bizonyos állatok és növények a helyzetüket a vízben a felületi feszültség révén tartják fenn. Akárcsak a víz felszínén mozgó vízipoloskák (Gerridae). Az oldott sók amellett, hogy növelik a víz sűrűségét és viszkozitását, növelik a felületi feszültséget is. Ezzel ellentétben a szerves tenzidek ill. detergensek - vízinövények és állatok által termelt habos és nyálkás közeg - csökkentik a felületi feszültséget. A habos képződményekkel együtt jár egy kis vízmozgás, mint pl. a Langmuir spirál esetében, amelyeket gyakran természetes felületi detergensek okoznak. A természetes habot gyakran összetévesztik a tisztítószer-szennyezők hatására kialakuló habbal.

Megfigyelve a fizikai és kémiai tulajdonságokat, kijelenthetjük, hogy a következő négy jellemzőnek van a legáltalánosabb hatása a vízi élőlényekre, és amelyek a fő különbség a víz és az élet másik közege, a levegő között:

  • A víz sűrűsége:

    A levegővel körülvett szervezetek - a közeg kis sűrűsége miatt - saját súlyukat megfelelően kifejlődött védő és tartó struktúrák segítségével tartják meg, vízi élőlényeknek nincs szükségük hasonlóra, így vázuk gyengén fejlett, vagy hiányzik. Másrészt a vízben a helyváltoztatás sokkal több energiát igényel, hiszen le kell győzni a víz sűrűségéből és viszkozitásából adódó hidrodinamikai ellenállást. Ezért az aktívan úszó állatoknak nagyon jól fejlett izomzatuk van. Szárazföldi körülmények között a növények szesszilisek, és az állatok képesek a helyüket változtatni. Mindkettőhöz valamilyen alzat szükséges. A vízi élőlények nagyobb része alzat nélkül a vízben lebeg. Mivel ezek a lények és a szilárd táplálékrészecskék hosszú ideig lebegnek a vízben, és odasodródhatnak fogyasztóikhoz, sok vízi állat rögzült életmódot folytat.

     

  • Oldott ion-tartalom:

    A vízi szervezetek szövet- és sejtnedvei sokkal töményebb elektrolit oldatokból állnak, mint a környező édesvíz, és az összetételük is eltér. Mivel a közeghez képest hipertóniásak, és ionösszetételük többé-kevésbé állandó, az édesvízben élő szervezetek élete nagyban függ az ozmoregulációtól, azaz a víz- és ionforgalomtól, a testnedvek ionösszetételének optimalizálásától. E folyamat miatt ezek a szervezetek ionszegény vizeletet ürítenek, mivel képesek sót visszatartani szekréciós szerveikkel. A víz beáramlását vízálló membránok kialakításával gátolják meg. A táplálékból felvett ionok mellett képesek bizonyos ionokat felvenni a környező vízből a koncentráció gradiens ellenében, valószínűleg energiafelhasználás útján.

     

  • Oldószerhatás:

    A víz e tulajdonságának köszönhetően a tápanyagok, szekretált metabolitok és az elpusztult szervezetek oldott részei elérhetőek maradnak a környezetben a fogyasztók számára. Az erős oldó hatás miatt a növények teljes testükön át felvehetik a tápanyagokat: a víz, mint az élet közege egyszersmind tápláló oldat is. Ez az oka, hogy a növényi és állati asszimiláció nem különül el olyan élesen, mint szárazföldi körülmények között. A táplálék-tápanyag (szerves-szervetlen) kettősét tudatosan kell kettéválasztani, elsősorban bizonyos gyakorlati célok (trofitás, szaprobitás) érdekében.

     

  • Gázok oldása:

    A levegőben a biológiai folyamatok két legfontosabb gáza, az oxigén és a szén-dioxid, közvetlenül és elegendő mennyiségben van jelen. Az oldott oxigén- és szén-dioxid-tartalom nem tartozik eleve a vízhez, de tartalmazza ezeket a gázokat, mivel jó oldószer. Néha azonban túl sokat, vagy túl keveset tartalmaz, biológiai okok miatt. Ellentétben a szárazfölddel, az oldott oxigén jelenléte vagy hiánya, és mennyisége különösen nagy elméleti és gyakorlati jelentőségű a vízben, mert a vízi élőhelyek benépesülését gyakran meghatározza vagy megakadályozza az oxigénellátás, mint környezeti tényező. Az erős oldó hatásnak köszönhető az is, hogy a vészjelző, csalogató, és más, nagy távolságban is ható anyagok fontos szerepet játszanak a vízi életben.

     

  • A mély vizek függőleges rétegződése:

    A hidrosztatikus nyomás, hőmérséklet, fény és egyéb jellemzők függőleges gradiensei a mély tavak közösségeiben és környezeti tényezőiben rétegek kialakulásához vezetnek. Ezért a szervezetek mélységgel összefüggő eloszlása nem egyenletes, és mikor többé-kevésbé szabályosan változtatják a helyüket, ezt a mozgást vertikális vándorlásnak hívjuk. A folyók és más áramló vizek rétegződése ritka jelenség, míg a sekély vizekben, amelyek felkavarodhatnak, csak átmeneti (múlékony) rétegződés figyelhető meg (Sebestyén 1963), kivéve a fénybehatolás szerinti rétegződést.

 

forrás: http://www.kornyezetunk.hu