VÍZ Egy különleges folyadék biofizikája Talián Csaba Gábor Biofizika előadások, PTE ÁOK 2010. október 27.
Az Eagle Rock középiskola diákja nyerte el az első díjat az április 26-án megrendezett Idaho Falls középiskolai Tudományos Konferencián. Dolgozatával azt akarta bemutatni, mennyire ráhangolódtak az emberek a tudománnyal való handabandázásra és a környezet lerombolásától való félelemre. Elkészített egy felhívást a "dihidrogén monoxid" vegyület betiltására, és ezt követően megvizsgálta, mennyire tudja meggyőzni az embereket, hogy aláírásukkal támogassák. A betiltás támogatására a következő okokat hozta fel: 1. a vegyület erőteljes izzadást és hányást képes okozni 2. a savas esők egyik fő komponense 3. gáznemű halmazállapotban égési sérüléseket okozhat 4. nagy mennyiségű belélegzése fulladást okoz 5. hozzájárul a természet eróziójához 6. erősen csökkenti az autófékek hatékonyságát 7. kimutatták rákos daganatokban. A diák 50 embert kért fel a betiltást sürgető felhívás aláírására. Negyvenhárom (43) aláírta. Hat (6) azt mondta, még gondolkodik. Egy (1) tudta mindössze, hogy a vízről van szó...
Az egyetlen stabil, nagy mennyiségben előforduló folyadék földi körülmények között Az egyetlen anyag, amely háromféle halmazállapotban fordul elő a Földön Szervetlen, de az élethez nélkülözhetetlen Csendes-óceán 51.6% Atlanti-óceán 23.6% Indiai-óceán 21.2% 90% Antarktisz üvegtest Élőlény száraz magvak Víztartalom 25-30% Kor magzat Férfi 90% Nő 90% agy szív izom baktériumok 75% 10-18 59% 57% bőr krumpli paradicsom medúza 80% 95% 98% 18-40 40-60 60 felett 61% 55% 52% 51% 47% 46% zsírszövet csont 0 20 40 60 80 100
magas fizikai paraméterek 72,9 fajhő (kj/kg ºC) 4,18 felületi feszültség (mj/m 2 ) 1,74 2,16 2,39 2,41 27,1 28,5 23,7 22,4 22,7 0,94 olvadáshő (kj/kg) 334 párolgáshő (kj/kg) 2256 74,9 127 82,1 107 83,7 247 396 525 906 1110 : kloroform : benzol : aceton : etanol : metanol : víz
Halmazállapot-változások Anomális sűrűséghőmérséklet függés CH 4 CH 4 OH H 2 S ρ (g/cm 3 ) 1.00 HF NH 3 H 2 O T (ºC) 4 T ( C) -200-100 0 100
Milyen színű a víz? Fényszórás (az égbolt szintén kék) Oldott anyagok (Cu2+) A fény fokozott elnyelése az IR régióban a vörös szín komplementere a kék
A vízmolekulának három alapvető rezgési módja van. Két O-H feszülési rezgés,amelykb. 3500 cm 1 hullámhossznál, és egy H-O-H hajlító rezgés, amely kb. 1640 cm 1. hullámhossznál történik. Az ezeknek a rezgéseknek tulajdonítható abszorpció a spektrum infravörös tartományában. A látható spektrumban tapasztalható elnyelés főleg az O-H kötésfeszülési rezgés negyedik harmonikus rezgésének (harmadik felharmonikus) köszönhető. 4 3500=14000; 14000 cm 1 nagyjából 715 nm hullámhossznak felel meg. A tényleges abszorpciós maximum 698 nm-nél található. Mivel az abszorpció intenzitása minden egyes felharmonikussal jelentősen csökken, a harmadik felharmonikus elnyelése igen csekély, ezért legalább 1 m vízréteg szükséges, hogy a kék szín egyértelműen látható legyen.
A vízmolekula szerkezete Egyik legkisebb molekula: alig nagyobb, mint egy atom Tetraéder szerkezet izolált molekulában: 104.45 Oxigén: 2s 2 p 4 sp3 hibridizáció (Hibridizáció: azonos főkvantumszámú, de különböző szimmetriájú állapotok kombinációja) 109.47 0.96-0.99 Å (jég - vízgőz) van der Waals sugár: ~ 3.2 Å nem gömb alakú nem-kötő elektronpárok
H-kötések Kémiai kötés, amely, egy nagy elektronegativitású, kisméretű és nemkötő elektronpárral rendelkező atom (pl. oxigén) nem kötő elektronpárja és egy kisebb elektronegativitású atom (like hidrogén) között jön létre. A víz tökéletes párosítás: O erősen elektronegatív. O két nemkötő vegyérték-elektronnal rendelkezik. mindkét elektron részt vesz egy hidrogénnel alkotott kötésben. ~10X gyengébb, mint a kovalens kötés(de erősebb, mint más másodrendű kötések). A folyékony víz majdnem annyi H-kötést tartalmaz, mint a jég. A kötések dinamikusan változnak, folyamatosan felbomlanak és újraalakulnak (0 C hőmérsékleten átlagosan 10 10 alkalommal másodpercenként). A jégben statikus H-kötés rendszer alakul ki. A hidrogénkötések kialakulása kooperatív hatás, mivel egy H-kötés létrejötte segíti továbbiak képződését (a kis kötési energia ellenére a H-kötéseket tartalmazó rendszerek rendkívül stabilak). Még100 Chőmérsékleten is 1,2 H-kötés jut egy vízmolekulára átlagosan.
A víz H-kötés rendszere 9 módosulat Közönséges jég: hexagonális szerkezet Koordinációs szám: 4 (minden molekula 4 másikat koordinál) Interstitium: elférne benne egy vízmolekula Víz dimér: H-kötés a proton és nem-kötő elektronpár között Clusterekből hálózat: 280 molekulából ikozaéder szerkezet
Magas fajhő(c P ésc V ) Avíz melegítésekor a közölt energia egy része a hidrogén kötések deformálására és elszakítására fordítódik. Az abszorbeált energiának a hidrogén kötések megváltoztatására fordított része nem emeli a vízmolekulák kinetikai energiáját, azaz a víz hőmérsékletét. C v m ΔT = E kin + E H-kötések felbontása Magas olvadáspont A közönséges jégben minden vízmolekula négy hidrokötésben vesz rész (kettőben mint donor, kettőben mint acceptor) A hidrogén kötések jelentős része a vizben is megmarad, a víz rendezettsége viszonylag keveset változik: A S S entrópia változv ltozás s kicsi.
Nyomás (Pa) Sűrűséganomália A viz sűrűsége 3.984 C-on a legmagasabb Térfogat csökkenése: A hidrogénkötések fellazulásával strukturális változás következik be: egy hexagonális "térelem" belsejébe elfér egy vízmolekula. Térfogat növekedése: A hőmérséklet növekedésével a termikus mozgás nő, ez térfogat növekedést eredményez. A víz fázisdiagrammja Folyadék Jég Normál légköri nyomás Gőz 0ºC 100ºC Hőmérséklet (K) Hármaspont: 0,076ºC, 610 Pa
Hidratáció Erős kémiai kötések megbontására képes (sók oldása) Az oldatban a víz szerkezete megváltozik, tulajdonságai lényegesen különbözhetnek a tiszta víz tulajdonságaitól. Az oldott ionok hidrát-burokkal rendelkeznek. A töltéssel rendelkezőbiológiai molekulák, tápanyagok nagy része oldódik vízben, de pl. gélszerűstruktúrát hoz létre Kötött víz a makromolekulák, membránok felszínén, fontos a szerkezetfenntartás és/vagy a működés szempontjából nagy dipólmomentum: jó oldószer, elektrolit oldatok + Sűrűség anomália, magas olvadás/fagyáshő: a tengerek és tavakvize felülről fagy be, és nem fagy be teljesen, így biztosítja az élet fennmaradását. Nagy hőkapacitás: segíti az állandóhőmérséklet fenntartását, az élőszervezetek nem könnyen hűlnek ki, csillapítja a nagy hőváltozásokat. Nagy párolgáshő: az élő szervezetek párolgással könnyen adhatnak le hőt(láz). Reakció közeg, diszperziós közeg (vér), valamint reakciók résztvevője is. Élettér.
Köszönöm a figyelmet!