18_10_2005_4408_pr01_VGM.pdf

8/18/2019 18_10_2005_4408_pr01_VGM.pdf

1/4

Podloge za slušanje Kolegija ˝ Voda, gorivo i mazivo˝ 2005/2006 1

1. VODA• Voda – tre!a najjednostavnija molekula uop!e (poslije H2 i CO), najrasprostranjenija tvar na Zemlji te jedina prirodno

postoje!a anorganska teku!ina

• Voda – jedini kemijski spoj koji se u prirodi nalazi u sva tri agregatna stanja – kruto, kapljevito, plinovito

• Voda – iako mala, jednostavna molekula, u stvari je samo na izgled trivijalna.

• Veli"ina moluke H2O skriva kompleksnost strukture na kojoj po"ivaju posve neobi"na svojstva koja idealno služe svakom

obliku životu na Zemlji.

KEMIJSKI SASTAV VODE

Voda ima vrlo jednostavnu kemijsku formulu: H2

O. Molekularna težina iznosi

18, a sastoji se od 11,111% H i 88,889% O.Vrlo bitna je gra#a, odnosno struktura molekule vode, iz koje proizlaze i sva njenasvojstva.

ϑ

O-H udaljenost

kisik

vodik

Tablica 1 Slika 2 Molekula vode Slika 3 Tetraedarska struktura vode

Voda ima 4 približno tetraedarski orijentirana, sp3-hibridizirana elektronska para, dva u kovalentnoj vezi s atomima vodika, te dva

kisikova nevezaju!a para.Zbog velike razlike u koeficijentu elektronegativnosti vodika i kisika, molekula vode je izrazito diplonog karaktera. Molekula

vode je pozitivno nabijena na strani vodika, a negativno na strani kisika. Dipolni moment vode = 6,24⋅10-30 C⋅m ili 1,87 D (Debye

[debaj]), i najve!i je od svih poznatih tvari. On uvjetuje sva njena fizikalna i kemijska svojstva.

Rezultat je asocijacija molekula posredstvom vodikove veze (kapljevito i "vrsto agregatno stanje). Vodikova veza je po karakteru je

90 % ionska, 10 % kovalentna. Udaljenost O-H vodikove veze je oko 1,86 A (23,3 kJ/mol), dok je u kovalnentnoj vezi 0,96 A (470

kJmol)Slika 4 Voda – dipolna molekula Slika 5 Vodikova veza izme! u dvije molekule vode

H H O

H H O H O

H

H OH

O HH

Slika 6 Tetraedarska asocijacija vode Slika 7 Vodikova veza – pentamer vode

Slika 1 Elementni konstituenti vode

O-H

udaljenost

kut θ

plinovita voda 0,95718 A 104,474 °

kapljevita voda 0,991 A

0,970 A

105,5°

106°

kruta voda, led 109,47°

8/18/2019 18_10_2005_4408_pr01_VGM.pdf

2/4


Fizikalna svojstva vode

Ledište 273,15 K; p=101 325 Pa (n.o.)

Vrelište 373,15 K; p=101 325 Pa (n.o.)Kriti!na to!ka, Tk =647,30 K (374,15

oC); pk =22,12 MPa

Specifi!na gusto"a, ρ = f (T)

0,990

0,992

0,994

0,996

0,998

1,000

0 10 20 30 40 50

Temperatura, °C

S p e c . g u s t o ! a , g / m L

Slika 8 Ovisnost spec. gusto"e vode o temperaturi

Utjecaj tlaka na to"ku najviše gusto!e vode: - ρmax pri p = 1 bar i ϑ = 3,.94

oC

- ρmax pri p = 100 bar i ϑ = 2.90oC

- ρmax pri p = 600 bar i ϑ = 0oC

Pove"anje volumena vode kod zagrijavanja:

T1 = 293,15 K, ρ1

T2 = 373,15 K, ρ2

V1 ρ1 = V2 ρ2 V2 = (V1 ρ1 / ρ2 ) ⋅100%

∆V = ((ρ1-ρ2 )/ ρ1 ) ⋅ 100% = ((998,2-953)/ 998,2) ⋅100% = 4,52%

Ovaj prora"un važan je pri prora"unima ekspanzijskih posuda kod centralnog grijanja ili kod rashladnih sustava.

Pove!anje volumena kod smrzavanja:

Gusto!a vode kod 273,15 K iznosi ρ1 = 1000 kg/m3, a gusto!a leda pri istoj temperaturi iznosiρ2=916,8 kg/m

3. Razlika u gusto!ama iznosi

∆ρ = 83,2 kg/m3. Pove!anje volumena prelaskom iz vode u led iznosi ∆V= (83,2/1000) ⋅ 100% = 8,32%.

Za vodu i led vrijedi izraz:

ϑ=0oC, Vv=1 m3/kg

Vv ρv = VL ρL

VL = Vv ρv / ρL = 1 ⋅ 1000/916,8 = 1,09075 m3/kg

Razlika volumena iznosi u navedenom slu"aju ∆V = 1,09075 - 1,0 = 0,09075 m3/kg

što u postocima iznosi 9,07%. To zna"i da se tek ≈ 1/11 leda koji slobodno pluta u vodi nalazi iznad razine vode.

Viskozitet vode

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Temperatura, °C

D i n a m . v i s k o z i t e t , c P

/Pa/

T / K /

610

273,16

TEKU$E

PLINOVITO

KR

UT

O

Slika 9 Ovisnost kinemati# kog viskoziteta o temperaturi Slika 10 Trojna to# ka vode

Trojna to!ka vodeVoda se u sva tri agregatna stanja nalazi kod temperature 273,16 K (0,01oC), i tlaka para 610 Pa .

Elektri!na svojstva Dielektri# na konstanta vode Dk (Dk = 81 kod 20 °C) je vrlo velika, a to zna"i da su privla"ne sile elektri"ki nabijenih "estica u vodi 81 putamanje nego u vakuumu.

Elektri# na vodljivost vode izrazito je ovisna o sadržaju iona u vodi, odnosno koli"ini otopljenih minerala. Pa tako el. vodljivost varira od

minimalnih ∼0,04 µS/cm za potpuno demineraliziranu vodu, preko 200 -400 µS/cm kod pitkih voda, pa sve do 1000 - 3000 µS/cm kod

morske vode.

Površinska napetostMe#u fluidima, vodu karakterizira najve!a površinska napetost, što ima za posljedicu fenomen kapi i kapilarne elevacije.

TransparentnostVoda je transparentna za vidljivo i ultravioletno zra"enje duže valne dužine. Stoga je voda bezbojna, a omogu!en je i proces fotosintezeispod vodene površine.

ϑ [oC] T [K ] ρ [g/mL]

0 273,15 0,998

4 277,15 0,999972

20 293,15 0,9982

50 323,15 0,988

100 373,15 0,9584

led 0 273,15 0,9168

8/18/2019 18_10_2005_4408_pr01_VGM.pdf

3/4


Pri visokim tlakovima (oko 14 000 bara) voda ima posebna svojstva: može služiti u industriji za rezanje gume, plasti"nih materijala,drveta.

Termodinami!ka svojstva vode

1. Latentna toplina otapanja leda iznosi 334,52 kJ/kg.

1 kg leda (T=273,15 K) + 334,52 kJ → 1 kg vode (T=273,15 K)

2. Specifi# ni toplinski kapacitet najve!i od svih poznatih tvari:

c p = cv = f (ϑ) = 4,18684 kJ/kgK

Osjetna toplina vode (Q1 ) iznosi 418,684 kJ/kg ( 0 → 100oC )

led (T=273,15 K) + 418,684 kJ/kg → kapljevita voda (T=373,15 K)Q1 = G⋅ ∆ϑ⋅c p = 1 ⋅ 100 ⋅ 4,18684 = 418,684 kJ/kg

3. Latentna toplina isparavanja vode (r), najve!a je od svih poznatih tvari:

Q2 - unutarnja toplina isparavanja → 2075,41 kJ/kg

Q3 - vanjska toplina isparavanja →169,56 kJ/kg

4. Entalpija vodene pare kod 373,15 K:h”373,15 K = Q1 + Q2 + Q3

= 418,684+2075,41+169,56=2663,654 kJ/kg

Vodena para ima najve!u entalpiju od svih poznatih tvari, odnosno fluida, npr.:Benzin ............................................................. 1250 kJ/kgAmonijak NH3 .................................................. 836 kJ/kg

Freon 12 ............................................................ 850 kJ/kg

Ra"unanje entalpije vodene pare upotrebom Regnault-ovih formula (Rinjol)

h”=A+B⋅(Tklj.-273,16) kJ/kg

h”=2535,13+1,2769⋅(Tklj.-273,16) kJ/kg

Primjeri:a/ T=373,15 K; p=105 Pa

h”=2535,13+1,2769 ⋅ 100=2662,82 kJ/kg,

b/ T=473,15 K; p=16⋅105 Pa=1,6 MPa

h”=2790,51 kJ/kg (iz tablica za vodenu paru h”=2793,04 kJ/kg),

razlika u % iznosi (2793,04-2790,5) /2790,5 ⋅ 100% =0,09% < 0,#%.

Pove"anje volumena vode kod pretvorbe u parua/ T=273,15 K, p=101 325 Pa, n.o., 1 kg vode

M - molarna masa vode: 18,016 g/mol,

Vn - volumen idealnog plina pri normalnim uvjetima: 22,41 l/mol (22,41 kg/kmol)

V p1=(1000 [g] /18,016[g/mol])⋅Vn = 55,501[g-mol] ⋅ 22,41[l/mol]=1243,89 lit

b/ T=373,15 K, p= 101 325 Pa

V p2=1243,89 ⋅ 373/273=1699,53 lit (1730 lit u tablicama)

Vodna para se ponaša kao idealni plin kod visokih temperatura i niskih tlakova.

NEOBI$NA SVOJSTVA VODENeobi!no visok specifi!ni toplinski kapacitet C p = 4,182 Jg

-1K -1, (za usporedbu pentan ima C p = 1.66 J/g-1K -1 pri

20°C),smrzavanjem ili isparavanjem smanjuje se na ½ vrijednosti.Kapljevitu vodu karakterizira visok stupanj povezanosti molekula vode vodikovim vezama. Uslijed toga, kod zagrijavanja vode,dovedena toplina troši se u prvom redu na savijanje te pucanje vodikovih veza, što apsorbira veliki dio energije. Ovaj dio dovedene

energije nije izravno doprinjeo pove!anju kineti"ke energije vode (temperature), pa je stoga potrebna velika koli"ina topline zadizanje temperature vode. Energija kidanja vodikovih veza se predaje pri hla#enju, tako da se voda ponaša kao spremnik topline.

Zna"aj ove karakteristike iznimno je velik na klimatske prilike na Zemlji.

Visoko vrelište (100°C, CHCl3 61°C), visoka toplina isparavanja (40,7 kJ/mol, H2S 18,7 kJ/mol)

Kod kapljevine temperature 100 °C još uvijek je aktivno oko 75% vodikovih veza, što sprje"ava molekule da se oslobode sa vodene površine. Ovo svojstvo se o"ituje i kroz niski tlak para vode. Stoga je potrebno dovesti veliku koli"inu energije da bi se sve vodikoveveze pokidale, tj. da bi se voda prevela u paru gdje su molekule vode efektivno razdvojene. Kod nižih temperatura je uslijed ve!egudjela vodikovih veza toplina isparavanja ve!a – 44,8 kJ/mol kod O°C.

Specifi!na toplina otapanja svega 15% latentne topline isparavanja

Kapljevita voda zadržava visoki stupnj ure#enosti "vrstog stanja i bliža je po svojstvima ledu. Za lom ure#enog sustava kodisparavanja nužna je velika koli"ina energije.Velika površinska napetost (73 mJ/m2, CCl4 27 mJ/m

2 pri 20°C)

Molekule vode se na kontaktnoj površini drže "vrstim vodikovim vezama teže!i minimalnoj površini. Kod nižih temepratura, površinska napetost je ve!a. Visoki viskozitet (0,89 cP, pentan 0,22 cP pri 25°C)

Viskoznost teku!ina opisuje lako!u relativnog kretanja molekula, te ovisi o silama koje djeluju me#u njima. Kohezivnost u vodi jevelika zbog rasprostranjenosti trodimenzionalne povezanosti vodikovim vezama, što se o"ituje i kroz visoku viskoznost vode.

8/18/2019 18_10_2005_4408_pr01_VGM.pdf

4/4


Velika gusto"a, niska kompresibilnost vodeZbog uglavnom kohezivne prirode mreže vodikovih veza koje smanjuju slobodnivolumen, kapljevita voda ima veliku gusto!u. Iz istog razloga stoji i niska kompresibilnost vode. Manja gusto"a krutine,

ledaStruktura leda je takva da ima nizak koeficijent pakiranja (složenosti) gdje su sve molekule vode uklju "ene s 4 ravne tetraedarskiorijentirane vodikove veze. Pri otapanju neke od ovih veza se lome, i struktura se djelomi"no urušava (druge krutine, sli"ne strukture,za molekularna gibanja u teku!oj fazi trebaju više prostora stoga je otapanje obi"no popra!eno ekspanzijom). Ako se sprije"i

pove!anje volumena pri smrzavanju, može se posti!i tlak do 250 bara.

Kemijska svojstva vode

Voda je izvrsno otapalo. Time je omogu!en transport minerala, hranjivih tvari, pa i zaga#iva"a. U vodi se otapa sve, pa "ak i zlato uizuzetno malim koli"inama.

Poznato je O LIGODINAMI $ KO DJELOVANJE materijala (Pt, Cu, Au, Ag, Cu, Zn) posude u kojoj se "uva voda. Vrlo male koli"ine otopljene

tvari (koje se "ak ne mogu dokazati) u vodi imaju odre#eno djelovanje: sterilizacija, purifikacija i sli"no. Tako se, na primjer, odre#enenamirnice kao vino, mlijeko ili voda jako dugo mogu "uvati u zlatnim posudama.- Empirijski poznati još u gr "ko i rimsko doba.

Elektroliti# ka disocijacija vode

H2O ⇔ H+ + OH -

1 g mol → 1 g-ion + 1 g-ion

Kod neutralne vode koncentracije H+ i OH- iona su jednake i iznose:

[H +] = [OH -] = 10-7 g-iona/ kg vode

[H +] ⋅ [OH -] = k w = 10-14 [298 K ]

Sörensen je uveo pojam pH-vrijednosti zbog problema velikih eksponenata:

pH = - log [ H+ ] = - log [10-7 ] = 7

VODA kao OTAPALO Pri otapanju ionskih spojeva, soli u vodi dolazi do elektroliti"ke

disocijacije, odnosno njihova rastavljanjana na pozitivno i negativno

nabijene "estice, ione. Tako npr. natrij-klorid disocira na katione natrija ianione klora:

NaCl → Na+ + Cl-

Nastali ioni se spajaju - udružuju s više ili manje molekula vode. Zbog

dipolnosti molekule vode nastale grupe imaju specifi"nu formu. Pozitivninatrij je okružen molekulama vode koje su negativnim polom orijentirane prema kationu. S druge strane, prema negativnom kloru je molekula vode

orijentirana pozitivnim polom.

Upravo je dipolni karakter uzrok "injenici da voda otapa mnoge ionskespojeve i soli koji se ne otapaju u drugim teku!inama.Topive tvari se prestaju otapati kada se “angažiraju” sve molekule vode.

Kovalentni spojevi- dobro otapanje za kovalentne spojeve koji imaju odre#eni polarni karakter (sadrže skupine – nositelje naboja kao –OH) : saharoza

C12H22O11, etilen-glikol HOCH2CH2OH, etilen C2H5OH- loše otapanje za potpuno nepolarne kovalentne spojeve

Hidroliza soli u vodi (reakcija vode sa solima)

1. Soli slabih baza i jakih kiselina hidrolizom daju kisele otopine.

a) Al2 (SO4)3 + 6 HOH → 2 Al(OH)3 + 3H2SO4 ; pH ≈ 3 b) FeCl3 + 3 HOH → Fe(OH)3 + 3 HCl ; pH ≈ 1

2. Soli jakih baza i slabih kiselina daju lužnate otopine.

Na2CO3 + 2 HOH → 2 NaOH + H2CO3 ; pH=10-13

Proces se odvija pri povišenoj temperaturi u generatoru pare, pri ϑ>100oC. Nastali H2CO3, odnosno CO2 i H2O odlazi s parom.

Ova svojstva otopina važno je poznavati zbog izbora materijala kod ugradnje ure#aja za pripremu otopina pojedinih kemikalija.

0 7 14

neutralno

lužnatokiselo

Documents

18_10_2005_4408_pr01_VGM.pdf