A tiszta víz összetétele

A víz egy vegyület, melynek molekuláit két hidrogén, és egy oxigén atom alkotja.

Mivel a természetben a hidrogénnek három (¹H, ²H, ³H), az oxigénnek hat (¹⁴O, ¹⁵O, ¹⁶O, ¹⁷O, ¹⁸O, ¹⁹O) izotópja létezik, elvileg 36 víz molekula szerkezet létezhet, amelyből 9 képez stabil nuklidet. Ezek a természetes vizekben kisebb-nagyobb mennyiségben fordulnak elő. Legnagyobb mennyiségben (99,73 mol %) a ¹H₂¹⁶O fordul elő, a ²H₂¹⁶O (nehézvíz) aránya 2,3· 10^-6 mol %.

Az egyes izotópok fizikai tulajdonságai közül elsősorban az olvadáspontban (H₂O: 0,0 D₂O: 3,82 ^oC), a sűrűségben (H₂O: 998,203 ; D₂O: 1105,34 kg/m³) a maximális sűrűséghez tartozó hőmérsékletben (H₂O: 3,98, D₂O: 11,185 ^oC) térnek el. A kémiai tulajdonságokban nincs lényeges eltérés, csupán a nehézvíz reakciósebessége kisebb, mint a normál vízé.

A különböző eredetű természetes vizek deutérium tartalma 0,0133-0,0185 % között változik. Ez az eltérés lehetőséget ad a víz származásának tanulmányozására.

A felszín alatti vizek esetében a D₂O tartalom a vízmélységgel nő.

A felszíni vizek esetében nagyobb mennyiségben bizonyos tavakban, a Holt-tengerben és nagyobb mélységű óceánokban fordul elő.

A víz és vizes oldatok fizikai tulajdonságai

A víz különböző halmazállapotban fordul elő, melyek átalakulása az alábbi sémával jellemezhető.

jég - víz

víz - vízgőz

A változások bekövetkezéséhez hőfelvétel, illetve leadás szükséges, melyet az olvadás illetve fagyás (333,3 kJ· kg^-1) és a párolgás illetve forrás (2257 kJ· kg^-1) fajlagos latens hőjének nevezünk.

Amikor a folyékony halmazállapotú víz jéggé alakul térfogata megközelítőleg 9,2%-al nő.

Mivel a víz párolog, illetve a jég szublimál, ezért állandóan vízpárával van körülvéve. Zárt térben adott hőmérsékleten és nyomás mellett egy bizonyos idő után egyensúlyi állapot alakul ki, a zárt tér vízpárával telítődik. Minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb a telítettségi páranyomás.

Amikor a telítettségi páranyomás eléri az atmoszferikus nyomást, a víz forrni kezd.

A víz forráspontja 101,325 kPa nyomáson 100 ^oC. A víz sűrűsége O ^oC hőmérséklettől nő és 3,98 ^oC-on eléri maximális értéket (r =1000 kg· m^-3). Ezt követően a forráspontig folyamatosan csökken (100 ^oC-on r =958,4 kg· m^-3)

1. ábra A víz sűrűségének változása a hőmérséklet függvényében

A sűrűség változását a hőmérséklet mellett az oldott anyagok mennyisége is befolyásolja.

A viszkozitás (mind a dinamikai, mind a kinematikai viszkozitás) a hőmérséklet növekedésével csökken, így ha a hőmérséklet 0-ról 100 ^oC-ra nő, a viszkozitás 1/6-al csökken. A viszkozitás változása a lebegő anyagok kiülepedésének ütemét befolyásolja.

A víz fajhője 18 ^oC-on 4189· J· kg^-1· K^-1. E jelentős hőkapacitási érték a tengerek-óceánok klímabefolyásoló hatásában, és a hőelvonásban (hűtés) játszik szerepet.

Lényeges fizikai tulajdonsága a víznek, hogy a nagyobb fajsúlyú testeket magával ragadja (erózió, hordalék-mozgás), a kisebb fajsúlyú testek a felszínén úsznak. Ugyanakkor lényeges fizikai tulajdonsága a víznek, hogy a domborzati viszonyokból adódó helyzeti energia jó hatásfokkal alakítható át más energiává.

A víz illetve vizes oldatok kémiai tulajdonságai

A víz egyik lényeges jellemzője a pH, a hidroxónium ion aktivitás tízes alapú logaritmusának negatív előjellel vett értéke.

A kémiailag tiszta (desztillált) víz pH-ja 25 ^oC-on 7. A pH függ a hőmérséklettől. Minél kisebb a hőmérséklet, annál nagyobb, és minél nagyobb a hőmérséklet, annál kisebb a pH.

Az elektromos vezetőképessége csak a vizes oldatoknak van, melynek mértékegysége a

S· m^-1 illetve µS cm^-1, és értéke a koncentráció függvénye.

1. táblázat A vezetőképességi tényező néhány a vízben általában előforduló ion esetében

Fontos tulajdonsága a víznek az oldóképesség. Csak néhány olyan anyag létezik, amelyik vízben egyáltalán nem oldódik.

A dipol karakteréből adódóan a víz az ionos vegyületeknek jó oldószere.

A diffúzió révén az egyes molekulák vagy ionok az oldás során a vízmolekulák között diszpergálódnak. Minél nagyobb felületen érintkezik az oldandó anyag a vízzel, annál nagyobb az oldódás mértéke. A hőmérséklet növekedésével általában ugyancsak nő az oldódás mértéke, de bizonyos vegyületek esetében (CaSO₄, CaCO₃, MgCO³, Ca(OH)₂, Mg(OH)₂) a hőmérséklet növekedése csökkenti az oldódás mértékét.

2. ábra Oldhatósági görbék

Az oldhatóságot mg/100 g vagy mg•l^-1 mértékegységben adjuk meg.

A folyadékok esetében, - mivel a víz is poláris folyadék - poláris folyadékok (szervetlen savak, bizonyos szerves savak, bizonyos alkoholok) jól oldódnak. A nem poláris szénhidrogének rosszul oldódnak a vízben.

A gázok oldhatóságát adott hőmérsékleten a Henry törvénnyel fejezhetjük ki.

C= k· P

ahol

C – a gáz telítési koncentrációja, mg· l^-1

P – a gáz nyomása a folyadék fellett kP

k – a hőmérséklettől függő arányosító tényező

A törvény kevéssé oldható, és 0,1 MPa nyomáson a vízzel reakcióba nem lépő gázokra érvényes.

A gázok oldhatósága a hőmérséklet emelkedésével csökken, így a gázok a víz melegítésével eltávolíthatók. Néhány gáz oldhatóságát mutatja a 2. táblázat. A 3. ábra az oxigén dessztillált vízben való oldhatóságát mutatja a hőmérséklet függvényében.

2. táblázat Néhány gáz oldhatósága a vízben 101,325 kPa nyomáson

3. ábra. Az oxigén oldhatósága dessztilált vízben a hőmérséklet függvényében

A víz sótartalmának növelésével a gázok oldhatósága ugyancsak csökken.

Különbséget kell tenni a tiszta oxigén és a levegőből származó oxigén oldhatósága között. Így pl. 10 ^oC hőmérsékleten és 0,1 MPa nyomás mellett a tiszta oxigén oldhatósága 54 mg· l^-1

(1. táblázat), míg a levegőből származó oxigéné 11,3 mg· l^-1.

A vízben oldott anyagok mennyiségét tömegkoncentrációban (g· l^-1, mg· l^-1, µg· l^-1, g· m^-3, mg· m^-3) vagy anyagmennyiség koncentrációban (mol· l^-1, mol· m^-3, mmol· m^-3) szokás megadni.

Ez utóbbi átszámítása tömeg koncentrációja a következő összefüggéssel lehetséges,

1 mol · l^-1 B × molekulatömeg B = mgl^-1 B

B – az adott vegyület

Alkalmazzák még az adott vegyület, ion vagy atom mennyiségének kifejezésére a ppm-t (mg· kg^-1), illetve ppb-t (µg· kg^-1). Ha a víz sűrűsége megközelítőleg 1000 kg· m^-3 (felszíni és felszín alatti vizek többsége) akkor a ppm » mg· l^-1-nek, a ppb » µg· l^-1-nek felel meg.

A víz biológiai jelentősége

A víz egyik lényeges biológiai jellemzője, hogy az élőszervezetek felépítésének egyik lényeges alkotóeleme. A fajtól, szervtől, illetve fejlettségi állapottól függően a növényi illetve állati szervezetek 55-90%-át alkotja víz. Így pl. az emberi test embrionális korban 80-90%-ban, idős korban 55-60%-ban tartalmaz vizet.

Fontos a víz anyagcsere folyamatokban szállítóközegként betöltött szerepe. A vízben illetve a víz közvetítésével játszódnak le az életfunkciók biofizikai illetve biokémiai folyamatai.

A növények és az állatok esetében is jelentős a fitomassza előállításában játszott szerepe.

Az 1 kg fitomassza előállításához szükséges víz mennyiségét a transzspiriciós együttható fejezi ki, melynek értéke hazai viszonyok között 250-1000 l· kg^-1 szárazanyag.

Ugyancsak jelentős a víznek az előszervezetek hőmérséklet-szabályozásában betöltött szerepe is.

A víz olyan közeg, amely nagyon sok előszervezet számára életközeg. Így a tengerekben, a szárazföldi álló és folyóvizekben a mikroszervezetektől az emlősökig előszervezetek milliárdjai élnek.

A vizekben élő hasznos mikroorganizmusok (baktériumok, gombák, stb.) életfunkciója révén a napfény illetve a vízben oldott oxigén hatására megy végbe a szennyezett vizek természetes tisztulása, melynek során a szennyező szerves anyagokat szervetlen anyagokra bontják le.

A hasznos mikroorganizmusok mellett az egészségre ártalmas patogén vírusok illetve baktériumok és egyéb szervezetek is előfordulnak.

Az előszervezetek elhalását követő bomlási, rothadási folyamatok eredményeként toxikus anyagok szennyezhetik a vizeket.