Dr. Lakatos Gyula - Dr. Hannu Mölsä - Dr. Szilágyi Ferenc
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 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 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:
forrás: http://www.kornyezetunk.hu |