A víz fajhője, párolgáshője és sűrűsége

Képzeld el, hogy egy forró nyári nap van! Mostanáig kint voltál a napon, patakokban folyik rólad az izzadság, ezért bejöttél pihenni egy pohár jéghideg víz társaságában. Lustán figyeled a karodon gyöngyöző izzadságcseppeket, valamint a víz tetején úszkáló jégkockákat. Mivel már sokat tanulmányoztad a víz tulajdonságait, felismered, hogy a karodon lévő verejték és a poharadban úszó jégkockák egyaránt példái a víz lenyűgöző képességének, amellyel hidrogénkötéseket tud létrehozni.

Hogyan működik ez? A vízmolekulák nagyon jól tudnak hidrogénkötéseket kialakítani, amelyek gyenge kapcsolatok a molekulák parciális (részlegesen) pozitív és parciális negatív pólusai között. A hidrogénkötések létesítéséből következik egyrészt a párolgás hatékony hőelvonása (vagyis miért hűt le az izzadás), másrészt a jég kis sűrűsége (vagyis az a jelenség, hogy a jég úszik a vízen).

Most vegyük egy kicsit közelebbről is szemügyre a hidrogénkötések szerepét a halmazállapot-változásban: a víz fagyása és párolgása során.

A víznek különleges kémiai tulajdonságai vannak mindhárom halmazállapotban (szilárd, folyékony és légnemű), s ez annak köszönhető, hogy molekulái hidrogénkötéseket tudnak létesíteni egymással. Mivel az élőlények, az embertől kezdve a baktériumokig nagy mennyiségben tartalmaznak vizet, ezért biológiai szempontból kulcsfontosságú, hogy megértsük a víz három halmazállapotának sajátos kémiai jellemzőit.

Folyékony halmazállapotú vízben a hidrogénkötések folyamatosan keletkeznek és hasadnak fel, ahogy a vízmolekulák elmozdulnak egymás mellett. A kötések felszakadásának oka a vízmolekulák mozgási (kinetikus) energiája, amelyet a rendszer hőmérséklete befolyásol.

A hőmérséklet emelkedésével (például amikor forraljuk a vizet) a vízmolekulák magasabb kinetikus energiája teljesen felbontja a hidrogénkötéseket, így a vízmolekulák ki tudnak lépni a levegőbe. Ez a gáz halmazállapotú anyag az általunk megfigyelhető vízgőz vagy pára.

Másrészről, amikor csökken a hőmérséklet és a víz megfagy, a vízmolekulák kristályrácsba rendeződnek, melyet hidrogénkötések tartanak fenn. Ennek oka az, hogy a rendszer alacsony hőenergiája nem elegendő a hidrogénkötések felszakításához. A kristályos szerkezet miatt a jég kisebb sűrűségű a folyékony víznél.

A szilárd állapotú víz kisebb sűrűsége annak tulajdonítható, hogy fagyáskor a hidrogénkötések irányítottan helyezkednek el. A jégben a vízmolekulák egymástól távolabb kerülnek, mint a folyékony vízben.

Ez azt jelenti, hogy a víz fagyáskor kitágul. Magad is láthattál ilyet, ha tettél már magas víztartalmú ételt (leves, üdítő, stb.) lezárt üvegedényben a fagyasztóba, és az megrepedt vagy szétpukkadt, ahogy a benne lévő folyékony víz megfagyott és kitágult.

A legtöbb folyadék esetén a megszilárdulás – amely akkor történik, mikor a hőmérséklet csökken, és a molekulák kinetikus (mozgási) energiája kisebb lesz – lehetővé teszi, hogy a molekulák egymáshoz közelebb kerüljenek, mint folyékony állapotban. A víz szabálytalanul viselkedik (vagyis kilóg a sorból) azzal, hogy szilárd állapotban kisebb a sűrűsége.

Mivel a jég sűrűsége kisebb, a folyékony víz felszínén úszik, ahogy azt a jéghegyek vagy egy csésze jeges teában lévő jégkockák esetében is látjuk. Tavakban a folyékony víz felszínén szigetelő jégréteg képződik, amely megvédi a tó mélyén lévő állati és növényi életet attól, hogy megfagyjanak.

Miért káros a fagyás az élőlények számára? Ez érthetővé válik, ha visszagondolunk a fagyasztóban lévő megrepedt üdítős üvegre. Amikor a sejt megfagy, a vizet tartalmazó része kitágul, és a sejthártya darabokra szakad (ahogy az üdítős üveg is széttörik).

A folyékony víz hőmérsékletének növelése sok hőt igényel, mert a hő egy része a molekulák közötti hidrogénhidak felbontására fordítódik. Vagyis a víznek nagy a fajlagos hőkapacitása. Ez annak a hőnek a mennyisége, ami ahhoz szükséges, hogy egy gramm anyag hőmérsékletét egy Celsius fokkal megemeljük. Külön neve van annak a hőmennyiségnek, mely 1 g víz hőmérsékletének 1 °C-kal való megemeléséhez szükséges: ez a kalória.

A víz nagy hőkapacitása miatt minimálisra csökkenti a hőmérséklet-ingadozást. A víz fajlagos hőkapacitása például körülbelül ötszöröse a homokénak. Naplemente után a szárazföld gyorsabban hűl le, mint a tenger, a lassan hűlő víz pedig éjjel hőt ad át a közeli szárazföldnek. A melegvérű állatok is vizet használnak arra, hogy a hőt elosszák a testükben: az autók hűtőrendszeréhez hasonlóan a hőt a meleg helyekről hidegebb helyekre szállítják – ezáltal segítik a test egyenletes hőmérsékletének megtartását.

Ahogy a folyékony halmazállapotú víz esetében is sok hőt igényel a hőmérséklet emelése, úgy egy adott mennyiségű víz elpárologtatásához is szokatlanul nagy mennyiségű hőre van szükség, mert fel kell szakítani a hidrogénkötéseket ahhoz, hogy a molekulák gázként eltávozhassanak. Vagyis a víznek magas a párolgáshője, ami az egy gramm folyékony anyag állandó hőmérsékleten történő elpárologtatásához (gáz halmazállapotúvá alakításához) szükséges energiamennyiség.

A víz párolgáshője körülbelül 540 kalória/gramm 100 Celsius fokon, a víz forráspontján. Meg kell jegyeznünk azonban, hogy bizonyos vízmolekulák (amelyeknek történetesen magas a kinetikus, más néven mozgási energiája) ennél alacsonyabb hőmérsékleten is képesek kiszabadulni a víz felszínéről.

Miközben a víz párolog, a párolgási felszín lehűl, ez a párolgás hőelvonó hatása. Ennek oka az, hogy a legmagasabb kinetikus energiájú molekulák lépnek ki először a felszínről a párolgás során (lásd bővebben ezt a videót a párolgás hőelvonó hatásáról). Az ember és más élőlények verejtéke, melynek kb. 99%-a víz, a párolgás révén hűti a testet, így segítve az állandó testhőmérséklet fenntartását.