2.14: Stany wody

Woda występuje w jednym z trzech klasycznych stanów: stałym (lód), ciekłym (woda) i gazowym (para wodna lub para wodna). Stan wody zależy od i) sił międzycząsteczkowych, które przyciągają cząsteczki do siebie oraz ii) energii kinetycznej prowadzącej do ruchów, które je rozdzielają.

Woda zamarza, gdy siły międzycząsteczkowe są większe niż energia kinetyczna. W przeciwieństwie do większości innych substancji, woda w stanie stałym ma mniejszą gęstość niż w stanie ciekłym. Dzieje się tak, ponieważ każda cząsteczka wody może tworzyć wiązania wodorowe z czterema cząsteczkami, tworząc strukturę czworościenną. Ta właściwość umożliwia unoszenie się lodu na wodzie w stanie ciekłym. Bez pływającego lodu zbiorniki wodne zamarzłyby od dołu do góry, zabijając organizmy wodne.

Kiedy energia kinetyczna jest przyłożona do lodu w postaci ciepła, lód topi się, tworząc ciekłą wodę. W tym stanie wiązania wodorowe między cząsteczkami wody nieustannie pękają i tworzą się na nowo. Kiedy lód się topi, temperatura wody utrzymuje się na poziomie punktu topnienia, aż cała woda stanie się płynna. Dopiero wtedy temperatura wody wzrośnie.

Gdy energia kinetyczna przekracza siły międzycząsteczkowe, woda zamienia się w parę. Proces wytwarzania pary z ciekłej wody nazywa się parowaniem. Wzrost energii kinetycznej może wystąpić w próbce, jak podczas wrzenia, lub na powierzchni, gdy woda odparowuje. Sublimacja to proces, w którym gaz powstaje bezpośrednio z ciała stałego, bez konieczności przejścia przez fazę ciekłą. To przejście zależy od niskiego ciśnienia atmosferycznego, zwiększając działanie energii kinetycznej.

Kiedy energia kinetyczna maleje, para może przejść w ciecz w procesie zwanym kondensacją lub bezpośrednio w ciało stałe w procesie zwanym osadzaniem. Kondensacja powoduje deszcz i osadzanie się śniegu.

W poszukiwaniu innych planet biokompatybilnych obecność wody jest kluczową cechą, zwłaszcza w postaci płynnej, ponieważ życie na Ziemi rozpoczęło się w wodzie. Enceladus to pokryty lodem księżyc Saturna, którego południowy biegun ma smugi wody lub gejzery. Początkowo wywołało to wiele dyskusji na temat tego, czy Enceladus ma pod lodem wodę w stanie ciekłym, ponieważ stwierdzono, że pióropusze zawierają zarówno parę, jak i lód. Jednakże orbita Księżyca wokół Saturna i inne wskazówki sugerują obecność ogromnego ciekłego oceanu w Enceladusie, co czyni go potencjalnie gościnnym dla życia.

Woda może istnieć w każdym z trzech klasycznych stanów skupienia – stałym, ciekłym lub gazowym.

Stan zależy od sił międzycząsteczkowych, które przyciągają do siebie cząsteczki oraz temperatury, która mierzy średnią energię kinetyczną cząsteczki.

Obniżenie temperatury zmniejsza energię kinetyczną. W temperaturze 0 °C wiązania wodorowe powodują, że cząsteczki pakują się razem w strukturę sieciową, umożliwiając niewielki ruch i tworząc stały lód.

Podniesienie temperatury zwiększa energię kinetyczną, zrywając wiązania wodorowe i inne siły międzycząsteczkowe. W temperaturze 100 °C cząsteczki stają się daleko od siebie, tak że siły te są rozrywane, a cząsteczki mogą swobodnie poruszać się z dużą prędkością, tworząc parę wodną.

Gdy temperatura spada, para wodna zmienia się z powrotem z postaci gazowej w ciekłą w procesie zwanym kondensacją.

Para wodna może również przekształcić się bezpośrednio w ciało stałe w procesie zwanym osadzaniem, w którym powstają płatki śniegu.

Odwrotny proces, sublimacja, zachodzi, gdy lód bezpośrednio odparowuje, jak w przypadku liofilizacji wielu produktów spożywczych w próżni.