víz - egy "különleges" anyag
(jég, jéghegy, édesvíz, desztillált víz, vízkörforgás, vadózus vizek, juvenilis vizek)

Bár földünk kétharmadát víz (H₂O) borítja, testünknek is körülbelül kétharmada víz, tehát szinte mindenütt jelen van környezetünkben (a képen például mindenféle halmazállapotában megtalálható), mégis egy igazán különleges anyagról van szó.

Fizikai és kémiai viselkedésében egyaránt vannak "szokatlan" tulajdonságok.

Fizikai tulajdonságai

Van egy olyan különleges fizikai tulajdonsága, aminek talán az élet is köszönhető. A legtöbb anyag minél hidegebb annál kisebb a térfogata. A hidrogénkötés miatt a víz 4°C-on a legsűrübb, ha ennél melegebb, vagy ennél hidegebb egyaránt nő a térfogata. Ezért nem fagynak be fenékig a tavak, ennek következtében a befagyott tavakban sem pusztulnak el a halak, és ezért repeszti szét a jég az edényeket és a sziklákat is.

Sűrűsége
A víz sűrűsége 4°C-on maximális, 20 °C-on 998,2 kg/m3.
Amikor a víz megfagy, a hidrogénkötések főszereplésével egy tetraéderes szerkezet alakul ki, amelyben a térkihasználás elég rossz, így nagy hézagok, üregek vannak benne (lásd a jég kristályszerkezetét lentebb a molekulaképen). Ez okozza azt, hogy a jég sűrűsége kisebb, mint a vízé és fagyáskor a többi anyagtól eltérően a víz térfogata megnő (mintegy 9%-kal). Ezért úszik a jég a vizen - ahogyan a képen látható jéghegy.
A jég 9 féle módosulatban kristályosodik ki.

Fajhője
A víz nagyon gyakran használt fűtő - és hűtőközeg, mert igen nagy a fajlagos hőkapacitása (fajhője).
A víz fajhője 20 °C-on, c = 4187 J× kg^-1× K^-1.
Hűtőközegként (is) használják a vizet például az erőművekben is.
(A képen a visontai hőerőmű - baloldalt a vízhűtőtornyok.)
A víz a lakások fűtőközege is, hiszen már a rómaiak is használták a padlófűtést, a radiátorban szintén ez biztosítja a téli hónapokban a meleget.
A víz nagy fajhője jelentős szerepet játszik az éghajlat és az időjárás alakulásában.

Párolgáshője
Hasonlóan a fajhőhöz a víz párolgáshője is igen nagy. Ennek oka a víz molekulaszerkezetében keresendő. A hidrogénkötések miatt ugyanis nagyobb energia szükséges a molekulák kilépéséhez a klaszterszerkezetből.
A víz fajlagos párolgáshője 2,25× 10⁶ J/kg.
Az élő szervezetben is fontos szerepet jászik a víz nagy párolgáshője miatt.

Halmazállapotváltozásai
A víz fázisdiagramjáról (ábra) a lehetséges halmazállapotváltozások és a hozzájuk tartozó adatok (nyomás /p/, hőméréklet /T/) is leolvashatók. A halmazállapotváltozások közben a hőmérséklet nem változik.
A víz minden hőmérsékleten párolog valamilyen mértékben, forráskor azonban teljes térfogatában párolog.
A forrás az úgynevezett forrásponton következik be, melynek értéke a nyomástól is függ (lásd a fázisdiagramon).
A víz forráspontja közönséges körülmények között 100,15 °C.
A párolgáshoz energiabefektetésre van szükség, amit a párolgáshő jellemez.
A forráspont a nyomás függvénye. Kisebb nyomáson a víz forráspontja is alacsonyabb. Így, ha pl. a Himaláján főzünk, akkor a víz 100 °C alatt forrásba jön, mondjuk a bableves mégsem fő meg (ahhoz 100 °C kell).
A vízgőz gyakran lecsapódik hideg felületeken vagy kisméretű szilárd részecskéken (pl. köd).
A lecsapódás jelenségén alapszik a desztilláció is, amelynek segítségével vizes oldatokat is szét lehet választani.
A vízben levő hidrogénkötések miatt a jég hézagos szerkezetű, térfogata kb. 9%-kal nagyobb, mint a vízé.
A fagyás hőmérséklete a fagyáspont, mely szintén függ a nyomástól.
A fagyásponthoz hasonlóan az olvadáspont is függ a nyomástól.
A tiszta víz olvadáspontja 0 °C, de ha a víz nem tiszta, akkor ez az érték más.
Ezen alapszik az utak sózása, mert a só a jéggel (hóval) keveredve lecsökkenti annak olvadáspontját (pl. -10 °C-ra), így a hó, jég elolvad.
Természetes körülmények között a víz többnyire a légkörben megtalálható gázhalmazállapotban.
A víz kritikus hőmérséklete 374,2 °C.
Gőzállapotban a molekulák magányosak. Folyadék állapotban azonban néhány vízmolekulából álló csoportok alakulnak ki. A jelenség magyarázata a vízmolekula polaritásában keresendő. A poláris kötésekben levő hidrogén atomok (amelyek részlegesen pozitív töltésűek) és egy szomszédos vízmolekula (negatív töltésű) nemkötő elektronpárja között vonzóerő alakul ki. Ez a molekulák közötti kölcsönhatás, a hidrogénkötés. A hidrogénkötés miatt két szomszédos molekula 1,76 × 10^-10 m távolságra közelíti meg egymást.

Felületi feszültség
Ha egy gombot óvatosan a víz felszínére teszünk, akkor azt tapasztaljuk, hogy az nem süllyed el (a baloldali képen).
Sokszor előfordul, hogy egy pohárba túl sok vizet teszünk, mégsem folyik ki.
Az előbbi jelenségek arra utalnak, hogy a víz felszínén levő réteg különleges tulajdonságokkal rendelkezik. A víz belsejében levő molekulákra minden irányból hatnak erők, a felszínen levő molekulákra a folyadék irányából nagyobb a vonzás, mint a felette levő levegő részéről. Ezért a felületi rétegben minden molekula a folyadék belseje felé szeretne mozdulni. Ennek a felületi rétegnek a vastagsága kb. 10^-9 m és úgy viselkedik, mint egy rugalmas, vékony hártya.

Egyes vízi élőlények a felületi rétegnek köszönhetően képesek a "vizen járni".
Ilyen például a képen látható molnárka.
A felületi feszültségre vonatkozó törvényszerűségek vizsgálatában kiemelkedő munkát végzett az egyik legnagyobb magyar fizikus, Eötvös Loránd.
A mosóvízbe adagolt mosószerek módosítják a víz felületi feszültségét, ezért felületaktív anyagoknak nevezzük ezeket.

Kémiai tulajdonságai

A víz a periódusos rendszer VI. főcsoportjában található oxigén és a legkisebb kémiai elem, a hidrogén vegyülete.
A vízmolekula V-alakú és úgynevezet AX2E2 típusú, amely azt jelenti, hogy egy központi atomhoz (oxigén) két ligandum (hidrogén) és két elektronpár kapcsolódik.
Az oxigén elektronszerkezetét (1s2 2s2 2p4) tekintve a vegyértékhéjon levő 6 elektronból egy-egy kötést létesít egy-egy hidrogénatommal, a maradék 4 pedig két, kötésben részt nem vevő (nemkötő) elektronpárt alkot. A két nemkötő elektronpár két molekulapályát jelent. A vízmolekula szerkezetét a metán (VRML modell) (CH4) tökéletes, tetraéderes (kötésszög kb. 109,5°) szerkezete alapján lehet megérteni. A víz esetén is négy "objektum" kapcsolódik a központi atomhoz, csak ez esetben a négy objektum nem egyforma. A két nemkötő elektronpár (negatív töltése miatt) taszítja egymást és térigénye is igen nagy. Emiatt a metán 109,5°-os kötésszöge 104,5°-ra csökken. A kötések polaritása a vízben két tényezőnek a következménye: az oxigén és a hidrogén elektronegativitása közötti különbség, másrészt a vízmolekula V-alakja. Az oxigén ugyanis jobban vonzza a kötésben levő elektronokat mint a hidrogén, de ha a molekula egyenes lenne, a két oldalra irányuló hatás kioltaná egymást. Ez olyan, mintha két ugyanolyan erős ember húzná egy kötél két végét. Ha a kötél V-alakban meghajlik és úgy húzzák, akkor a két hatás együtt egy elmozdulást eredményez. Ugyanígy a két O-H kötésben levő töltéseltolódás (poláris kötés) polárissá teszi a molekulát is.
Az atomok között poláros kovalens kötések kötéstávolsága pedig 0,96 x 10^-10 m.
A vízmolekula aszimmetrikus, dipólus jellege miatt van egy pozitív és egy negatív vége. Ennek köszönhetően az ionos vegyületeket (pl. a konyhasót - NaCl) rendkívül jól oldja. Ionosan disszociálnak benne bizonyos anyagok. (Az alábbi molekulaképen az "Oldott kloridion" gombra kattintva ez jól látható.)

A víz molekulaképe balra golyó és pálcika jobbra térkitöltéses megjelenítésben. A baloldali megjelenítési formában jól látszik a 104,5°-os vegyértékszög.

A Viz.pdb koordináta fájl térben megjeleníthető a https://sourceforge.net/projects/openrasmol/ címről letölthető molekulamegjelenítő programmal

Fagyott állapotban a víz (jég) kristályos anyag. A baloldali molakulaképen a kristályában elhelyezkedő vízmolakulák láthatók huzalváz megjelenítésben.
Ionos anyagok oldódásakor a vízmolekulák a "megfelelő végükkel" veszik körül az iont - a példában a negatív töltésü klorid iont a "pozitív végükkel". (Jobbra az oldott kloridion térkitöltéses megjelenítésben.)

A Testoste.pdb koordináta fájl térben megjeleníthető a https://sourceforge.net/projects/openrasmol/ címről letölthető molekulamegjelenítő programmal

A víz a kémiai reakciók döntő többségében szerepel.
A hatalmas ipari vízigény jelzi, hogy a termelési folyamatokban is fontos szerepet kap ez a vegyület. A vegyipar, a kohászat, a bányaipar stb. nagy mennyiségű vizet használ fel és sajnos sok esetben jutnak szennyeződések természetes vizeinkbe.
Poláris tulajdonsága miatt a víz a leggyakrabban használt oldószer. Sok esetben jelenik meg reakcióközegként, az iparban éppúgy, mint az élő szervezetben és a víz gyakori résztvevője a kémiai reakcióknak is.

A kémiai folyamatok legnagyobb része vizes közegben zajlik és sok esetben részt is vesz a reakcióban.
Így például a nátrium, higanykatódos eljárással történő előállításakor a NaHg amalgámból vízzel választják le a higanyt.

A növényekben a fotoszintézis során a fény hatására szén-dioxidból és vízből keletkezik a szőlőcukor:

6 CO₂ + 6 H₂O -> C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

A víz nem oldja az apoláros molekulájú vegyületeket. Azonban a háztartásban sok olyan anyaggal találkozhatunk, melynek egyik összetevője a víz és abban vannak eloszlatva más (pl. vízben nem oldódó szerves) anyagok. Az ilyen rendszerek az úgynevezett kolloid rendszerek, ahol a víz az úgynevezett diszperziós közeg. Ilyen rendszer a tej vagy a paradicsomleves is.

A víz biokémiája

A víz az élet nélkülözhetetlen közege. Az összes életfolyamat vizes közegben, oldatban zajlik.
A fehérjéket vízburok veszi körül. Az összes tápanyag, és felhasznált egyéb anyag vizes oldat formában van jelen az élőlényekben. A növények és az állatok nagy része víz. Az emberi szervezetnek is több mint 60%-át teszi ki ez a vegyület.

Hőháztartásunkban nagy párolgáshője (lásd fentebb) miatt kap szerepet, hiszen 1 g víz elpárologtatása bőrünkön keresztül 2 kJ energiát von el. Ezért fázunk, amikor kilépünk a fűrdőkádból.

Nagy fajhője miatt az élő szervezetben lejátszódó exoterm kémiai reakcióknál megakadályozza a hőmérsékletemelkedést.

Az élő szervezetben a víz minden arcát megmutatja. Reakcióközegként, oldószerként, diszperziós közegként (pl. vér) és a reakciók résztvevőjeként nélkülözhetetlen kelléke számos anyagcserereakciónak, pl. fotoszintézis , légzés.

A víz előfordulása

A világűrben is előfordul a víz, számtalan helyen találtak vízmolekulákat a csillagközi térben, gázfelhőkben. Jég formájában sikerült rábukkanni a Jupiter egyik holdján, az Európán (1997. április), a Merkúron és a Lunar Prospector űrszonda segítségével a Holdon (1998. március) is. Vízjég található az üstökösökön is.

A Föld vízkészlete nagyrészt folyadékállapotban van tengervíz és édesvíz formájában.
Ezekben oldott anyagok (sók) is jelen vannak. Kémiailag tiszta vizet desztillációval lehet előállítani, ezt desztillált víznek nevezzük.

A Földön található vízkészlet endogén eredetű. A jelenleg működő vulkánok gázai és gőzei is nagy mennyiségben tartalmaznak vízgőzt.
A 4,6 milliárd éves Föld korai állapota erőteljesen különbözött a mai állapotoktól. A magas hőmérséklet miatt az őslégkör tartalmazta - gőz állapotban - a Föld vízkészletének döntő hányadát. A folyékony halmazállapotú víz az őslégkörből alakult ki. A hőmérséklet csökkenése miatt megindult lecsapódási folyamat hozta létre az ősóceánt. Később a további hőmérséklet csökkenés hatására egyre több víz került a földfelszínre, kialakultak az óceánok, a tengerek, a folyók és a tavak, melyek egy része a mélybe szivárgott, azaz felszín alatti vizekké változott.

A litoszféra is nagymennyiségű kötött vizet tartalmaz.

A Föld vízkészletének legnagyobb részét az óceánok és tengerek teszik ki, de érdekes hogy második helyen a kőzetekben megkötött vizek állnak, amelyek csak a vulkáni tevékenység segítségével szabadulhatnak fel. Jelentős mennyiségű még a szárazföldek és az óceánok felszínén felhalmozódott jég mennyisége is. A kőzetek repedéseiben, a szárazföldeken és a légkörben jelenlévő felszíni vizek mennyisége az előbbiekhez képest szinte elhanyagolható.

A Föld vízkészletének eloszlása

A víz körforgásában résztvevő vizeket vadózus vizeknek nevezzük. Ezek legnagyobbrészt az őslégkörből lecsapódott vizeket jelentik (tengerek, óceánok, a folyók és a tavak). Az endogén folyamatok azonban napjainkban is juttatnak vizet a légkörbe. A vulkáni folyamatok által légkörbe került, mélységi eredetű, a víz körforgásában még nem résztvevő vizeket juvenilis vizeknek nevezzük. A juveniles vizek a vulkáni működésből, a mélyben levő olvadt kőzetanyagból erednek.

A víz körforgása a természetben

Felhasznált irodalom