7. ŪDENS – NOZĪMĪGS DABAS MATERIĀLS UN NEPARASTA VIELA
SATURS
7.1. Ūdens – svarīgs dzīvības faktors
7.2. Kā rodas saldūdens?
7.3. Ūdens – neparasts šķidrums no īpašību viedokļa
7.3.1. Augsta viršanas temperatūra (+100oC) un ūdens saglabājas šķidrā stāvoklī
7.3.2. Liela siltumietilpība; jūra stabilizē klimatu
7.3.3. Ledus peld virspusē
7.3.4. Ūdens – universāls šķīdinātājs
7.3.5. Kapilaritāte – ūdens nogādāšana no saknēm līdz lapām
7.4. Kopsavilkums
7.5. Jautājumi un uzdevumi
7.1. Ūdens – svarīgs dzīvības faktors
Dzīvība radās ūdenī. Ūdens ir pats universālākais bioloģiskais šķīdinātājs un visas organismu ķīmiskās reakcijas notiek ūdens šķīdumā. Ar pilnām tiesībām var sacīt, ka dzīvība ir „izšķīdināta” ūdenī. Vairumam organismu ūdens trūkums ir dzīvībai bīstams.
Ūdens ir arī cilvēkiem un citām būtnēm vispierastākais šķidrums. Mēz dzeram to, mazgājamies un peldamies un papildinām ūdens krājumus lietus laikā. Visām dzīvām būtnēm ir vajadzīgs ūdens, kas sastāda 2/3 no cilvēka ķermeņa masas. Katru dienu cilvēkam vajag kopā ar ēdienu uzņemt 2 litrus ūdens. Tas nomaina to ūdens daudzumu, ko cilvēks zaudē urinējot, svīstot un elpojot. Cilvēkiem, kuri cieš badu, ir nepieciešams krietni lielāks ūdens daudzums.
Ziemeļeiropas valstīs un arī Latvijā vidējais ūdens patēriņš mājsaimniecībā ir 180 – 200 l uz vienu cilvēku dienā. Lielākā daļa no šī ūdens tiek izlietota tualetes skalošanai un mazgāšanās nolūkos (7.1. attēls)
7.1. attēls. Vidējais ūdens patēriņš mājsaimniecībā vienai personai
katru dienu Ziemeļeiropas valstīs.
Dažās Āfrikas zemēs vidējais ūdens patēriņš mājsaimniecībā ir mazāks par 10 l dienā.
Daudz ūdens tiek izmantots arī rūpniecībā – galvenokārt dažādos dzesēšanas procesos metalurģijā un ķīmiskā rūpniecībā. Bez tam daudz ūdens vajadzīgs mazgāšanai, skalošanai un šķīdināšanai. Ja visu to saskaita kopā tad vajadzīgs:
– 10 l ūdens, lai ražotu 1 l alus jeb limonādi;
– 200 l ūdens, lai iespiestu 1 avīzi;
– 50 000 l ūdens, lai izgatavotu 1 vieglo automašīnu.
Ļoti daudz ūdens tiek izmantots lauksaimniecībā, sevišķi dienvidu zemēs tuvāk ekvatoram. Lietus tur līst reti un nepieciešama mākslīga lauku apūdeņošana jeb laistīšana. Skandināvijas valstīs un Viduseiropā, kur ūdens resursi ir pietiekoši, augu mākslīgo apūdeņošanu veic izsmidzinot ūdeni plašā joslā (līdz 100 m) atmosfērā. Tas rada lielus zudumus. Daļa no izsmidzinātā ūdens iztvaiko un līdz augu saknēm nenonāk. Dienvidu zemēs, kur ūdens vērtība ir daudz lielāka, ūdens tiek pievadīts augiem pa tievām plastmasas caurulītēm līdz pat saknēm. Tādējādi tiek samazināti ūdens zudumi. Ūdens patēriņu lauksaimniecībā raksturo šādi skaitļi:
• 1 900 l, lai izaudzētu 1 kg rīsu;
• 3 500 l, lai iegūtu 1 kg vistas gaļas;
• 100 000 l, lai iegūtu 1kg liellopu gaļas
Pasaulē vidēji:
• 10 % ūdens izmanto mājsaimniecībā;
• 20 % ūdens izmanto rūpniecībā;
• 70 % ūdens izmanto lauksaimniecībā.
Saldūdens patēriņš dažādās valstīs ir ļoti atšķirīgs, īpaši tas sakāms par lauksaimniecībā izmantojamo ūdeni. Piemēram, rūpnieciski attīstītajā ASV 10 % ūdens izmanto mājsaimniecībā, 40 % – rūpniecībā un 50 % lauksaimniecībā (dienvidu štatos lauki tiek mākslīgi apūdeņoti). Skandināvijas zemēs lauksaimniecībā izmanto tikai 10 % ūdens, bet Āfrikas zemēs lauksaimniecībā izmanto no 70 % (Tanzānija) līdz 95 % (Sudāna) saldūdens.
Pasaulē uz vienu iedzīvotāju kopumā ņemot, tiek izlietots ap 900 litru ūdens dienā. Lielā pasaules daļā tik daudz ūdens nemaz nav pieejams, un tā trūkums ir nopietns šķērslis attīstībai – tas vienlīdz attiecas kā uz bagātajām, tā arī uz nabadzīgajām valstīm. Saldūdens trūkums ir pati nopietnākā problēma, ar kuru šodien saduras cilvēce. Upes dažkārt tek caur vairāku valstu teritorijām, kur tās tiek izmantotas gan ūdens ņemšanai, gan notekūdeņu novadīšanai. Tādā situācijā valstu starpā bieži vien rodas konflikti.
ANO bija pasludinājusi astoņdesmitos gadus par dzeramā ūdens apgādes un notekūdeņu attīrīšanas desmitgadi. Diemžēl šo pasākumu mērķis – nodrošināt visus pasaules iedzīvotājus ar sanitāriem noteikumiem atbilstošu ūdeni – netika sasniegts. Šodien vairāk nekā miljards cilvēku dzīvo neapmierinošos sanitāros apstākļos, kur viņiem nav pieejams pietiekami kvalitatīvs dzeramais ūdens. Nekvalitatīvs ūdens ir cēlonis daudzām epidēmijām.
Laikposmā no 1940. līdz 1960.gadam ūdens patēriņš pasaulē ir dubultojies un laikposmā līdz 2000.gadam tas ir divkāršojies vēlreiz. Prognozētais iedzīvotāju skaita pieaugums izraisīs jaunu divkāršošanos nākamo 30-40 gadu laikā.
Tādējādi ūdens:
– rada apstākļus dzīvības uzturēšanai;
– nosaka vietas uz Zemes, kur var dzīvot cilvēks, kur var audzēt labību un citus pārtikas produktus;
– nosaka klimatiskos apstākļus;
– ir iemesls sliktām kaimiņu attiecībām un kariem.
7.2. KĀ RODAS SALDŪDENS?
Zemeslodes virsmas 2/3 aizņem jūras un okeāni, kas satur sālsūdeni. Saldūdens aizņem tikai 2,5 % no kopējā ūdens daudzuma. Savukārt lielāko saldūdens daļu veido ledāji kalnos un polu apgabalos. Tādējādi cilvēku izmantotie ūdens krājumi sastāda tikai 0,25 % no kopējā ūdens daudzuma. Šis saldūdens atrodas upēs, ezeros, kā arī gruntī.
Atverot dzīvoklī krānu, parasti pa to tek ūdens – saldūdens jeb dzeramais ūdens. Ir divi galvenie saldūdens avoti:
– virsmas ūdens ezeros un upēs;
– ūdens no dziļurbumiem (gruntsūdeņi).
Abi šie avoti veidojas no lietus ūdens. Ir novērtēts, ka katru gadu 380 000 km3 ūdens nolīst lietus jeb sniega veidā. Kad līst, daļa no mitruma iespiežas dziļi zemē un kļūst par gruntsūdeņiem. Pārējie noplūst pa nogāzēm un veido ezerus un upes. Upes savukārt ieplūst jūrās un okeānos.
Ūdens aprites cikls ir parādīts 7.2. attēlā. Saules siltuma ietekmē ūdens okeānā iztvaiko. Ūdens tvaiki atmosfērā veido mākoņus, kas pārvietojas vēja ietekmē. Virs zemes ūdens tvaiki atdziest un kondensējas veidojot lietus pilienus. Lietus rada upes, ezerus un pazemes ūdeņus.
7.2. attēls Ūdens aprites cikls dabā. Vietās, kur vējš un jūras straumes virzās prom no sauszemes, var būt ļoti mazs nokrišņu daudzums pat piekrastē (Atakamas tuksnesī Andu kalnos Čīlē nav lijis 44 gadus)
7.3. ŪDENS – NEPARASTS ŠĶIDRUMS NO ĪPAŠĪBU VIEDOKĻA
Ūdens ir vienīgā viela, kas uz Zemes sastopama trijos agregātstāvokļos – kā šķidrums, cieta viela (ledus, sniegs) un gāze. Tieši tas padara Zemi tik piemērotu dzīvībai. Salīdzinot ūdeni ar visiem citiem šķidrumiem, tā īpašības ir netipiskas. Ja ūdenim nebūtu šādu īpašību, nevarētu pastāvēt neviena no zināmajām dzīvības formām. Pēc pašreizējiem priekšstatiem, lai rastos dzīvība ir nepieciešamas organisko vielu molekulas, enerģija un ūdens. Grūti iztēloties dzīvību bez ūdens, tādēļ kosmosa pētnieki, meklējot dzīvību Visumā, pastāvīgi lūkojas pēc ūdens. Apskatīsim dažas unikālas ūdens īpatnības, kas padara to piemērotu dzīvībai.
7.3.1. Augsta viršanas temperatūra (+100 oC) un ūdens saglabājas šķidrā stāvoklī
Ir zināmi līdzīgas uzbūves ķīmiskie savienojumi, kas tāpat kā H2O veidoti no viena 6. grupas elementa un 2 ūdeņraža atomiem, piem. H2S. Taču sērūdeņraža viršanas temperatūra ir tikai -60oC. Tas nozīmē, ka sērūdeņradis pie vidējām Zemes temperatūrām ir gāzveida stāvoklī un nevar nodrošināt dzīvības procesus. Tikai ūdens ir šķidrs lielākā daļā uz Zemes (izņemot polus).
7.3.2. Liela siltumietilpība; jūra stabilizē klimatu
H2O noteikti ir pasaulē vislabāk zināmā ķīmiskā formula, un ūdens molekula pati par sevi ir ļoti detalizēti izpētīta. Taču unikālās īpašības ūdenim piešķir tieši mijiedarbība, kurā iesaistīts milzīgs skaits šīs vielas molekulu – vienā kubikmetrā to ir 30 miljardi. Tāpēc līdz šim nav izdevies izvirzīt teoriju, kas spētu izskaidrot visas ūdens īpatnības. Tomēr ūdens unikālā statusa cēlonis ir gana skaidrs- tā ir ūdens molekulu spēja veidot ūdeņraža saites ar citām ūdens molekulām.
Ūdens molekulā skābekļa atoms un abi ūdeņraža atomi pamīšus lieto ūdeņraža atoma divus elektronus. Kopīgie elektroni pavada ilgāku laiku riņķojumā ap skābekļa atomu nekā ap ūdeņraža atomiem, tāpēc apkārt skābekļa atomam ir negatīvi lādēts elektronu mākonis, bet apkārt abiem ūdeņraža atomiem – pozitīvi lādēts apgabals. Ūdens molekula ir elektriski neitrāla, bet viens tās gals ir pozitīvi lādēts, savukārt otrs – negatīvi. Citiem vārdiem sakot, ūdens molekula ir polāra. Šo molekulu var iztēloties kā īsu, resnu vīriņu, kura rumpis atbilst skābekļa atomam. Vīriņam ir divas izstieptas rokas, kas atbilst elektronu mākoņiem ap skābekļa atomu, un divas izstieptas kājas, kas atbilst abiem ūdeņraža atomiem. Kad vienkopus atrodas daudzas ūdens molekulas, katra cenšas satvert citas ūdens molekulas. Negatīvi lādētās rokas satver kaimiņu pozitīvi lādētās kājas, un otrādi. Roka, kas pievilkusies pie kājas, veido vienu ūdeņraža saiti, un tieši šīs saites padara ūdeni īpašu citu vielu vidū. (7.3. attēls)
Kā piemēru var minēt ūdens augsto siltumietilpību. Ūdens uzsildīšanai daudz enerģijas vajadzīgs tieši tāpēc, ka vispirms ir jāsarauj ūdeņraža saites un tikai pēc tam siltums var paātrināt molekulu kustību. Tas ļoti atšķiras no nepolāriem šķidrumiem, piemēram, eļļām, kurās starp molekulām nav ūdeņraža saišu un šī iemesla dēļ pavadītais siltums nekavējoties liek molekulām kustēties straujāk.
7.3. attēls. Ūdens molekulārās uzbūves fragments
7.1. tabulā ir parādīta siltumietilpība dažādiem materiāliem pie istabas temperatūras. Ūdens raksturojas ar pašu lielāko siltuma ietilpību.
7.1. tabula. Siltumietilpība pie istabas temperatūras dažādām vielām
Nr.
p. k. Viela Siltumietilpība,
J/kg ∙ K
1. Cu 386
2. Al 900
3. Si 712
4. Na 1228
5. Polistirols 1050
6. H2O 4186
Kādas ir sekas lielajai ūdens siltumietilpībai? Pateicoties lielajai siltumietilpībai, pasaules jūras un okeāni spēj uzkrāt lielu siltuma daudzumu. Tas stabilizē klimatu uz Zemes. Golfa straume ir spējīga atnest milzīgu siltuma daudzumu no Meksikas līča krastiem līdz Norvēģijas ziemeļiem, nodrošinot aiz Polārā loka janvāra vidējo temperatūru +2oC.
7.3.3. Ledus peld virspusē
Cietam stāvoklim parasti ir vislielākais blīvums, jo cietajā stāvoklī atomi nevar pārvietoties. Tie var tikai vibrēt ap līdzsvara stāvokli. Šķidruma raksturīga īpašība ir plūstamība. Tas nozīmē, ka atomi var paiet garām viens otram, un mainīt savu atrašanos telpā. Ir skaidrs, ka šķidrumiem tādēļ vajadzīga lielāka brīvā (no atomiem tukšā) telpa un šķidrumu blīvumam būtu jābūt mazākam kā cietai vielai.
Tomēr ūdenī tas ir pilnīgi pretēji. Aplūkojot ūdeni, kas ieliets glāzē, izrādās, ka tajā ir apgabali, kuros daudzas ūdens molekulas ir saķērušās kopā un kustas vienā ritmā, savukārt citviet šīs molekulas ir brīvas un klaiņo cita citai garām. Var arī teikt, ka viena daļa ūdens ir organizēta un līdzīga ledum kristālos, savukārt pārējā ir haotiska un atgādina gāzi. Sakārtotie un nesakārtotie apvidi ūdenī zibenīgi mainās, nemitīgi veidojoties un sairstot ūdeņraža saitēm.
Tieši ūdeņraža saišu nodrošinātā tālā molekulu mijiedarbība ir tā, kas liek šķidrajam ūdenim apbrīnojami labi turēties kopā – atšķirībā no nepolāriem šķīdumiem, kuros katra molekula mijiedarbojas tikai ar pašiem tuvākajiem kaimiņiem. Ar ledum un gāzei raksturīgo apgabalu mijiedarbību ūdenī skaidrojams arī tas, kāpēc ledus ir vieglāks nekā šķidrs ūdens – atšķirībā no citām vielām, kas visblīvākās ir tieši cietā agregātstāvoklī.
Kas ūdeni atdzesē, piemēram, no istabas temperatūras, sākumā tā blīvums pieaug gluži tāpat kā citām vielām, un ūdens atdziestot kļūst arvien blīvāks un blīvāks. Taču, temperatūrai pazeminoties zem 4oC, ūdens pēkšņi kļūst vieglāks. Tas skaidrojams ar faktu, ka ledum raksturīgo struktūru apgabali, ko veido ūdeņraža saites, pieaug un kļūst dominējoši.
Atgriežoties pie metaforas ar resnajiem vīriņiem, mēs varam iztēloties, ka arvien lielāks skaits vīriņu sadodas izstieptās rokās un cieši turas kopā. Kad temperatūra kļūst zemāka par 0oC, ūdens sasalst ledū un visas ūdeņraža saites, kas ir starp ūdens molekulām, pilnībā izstiepjas, tāpēc ciets ledus aizņem vairāk vietas un sver mazāk nekā šķidrs ūdens (7.4b.attēls).
Šķidrā ūdenī molekulas toties ir visnotaļ cieši sablīvētas, un tas piešķir šai vielai vairākas unikāls īpatnības. Kā piemēru var minēt to, ka ūdeni ir ļoti grūti saspiest, jo starp molekulām tikpat kā nav brīvas vietas un, pakļautas spiedienam, polārās ūdens molekulas atgrūž cita citu. Tāpēc, atšķirībā no visiem citiem šķidrumiem, ūdens spiediena iedarbībā kļūst šķidrāks – ledum raksturīgie apgabali, kuros valda tālejoša kārtība, samazinās, un situācijā, kad jāsarauj mazāks skaits ūdeņraža saišu, ūdens plūst vieglāk (7.4a.attēls).
a)
b)
7.4. attēls Ūdens (a) un ledus (b) struktūra. Ūdens ir īsts molekulu ņudzeklis. Taču ūdenim sasalstot ledū, molekulas cita pēc citas tiek ieslēgtas heksagonālā tīklā, kur centrā veidojas
tukšas vietas. Tādējādi ledus blīvums samazinās.
Kādas ir sekas šai ūdens anomālajai īpašībai? Kad ūdens sasalst tas pārklāj tikai ūdenstilpnes virsu. Ledus ir vieglāks par ūdeni un peld ūdenim pa virsu. Sasalusī ledus kārta aizsargā dziļākos ūdens slāņus no sasalšanas. Tādējādi dzīvās būtnes ūdenī var pārziemot pat Arktikas apstākļos.
Ja ūdens būtu „normāla” viela, tad sasalušie ledus gabali grimtu lejā un tā jūra aizsaltu līdz pašam dibenam, iznīcinot visu ūdenī mītošo dzīvību.
7.3.5. Ūdens – universāls šķīdinātājs
Vēl viena savdabība ir ūdens spēja būt par šķīdinātāju jonu savienojumiem un polārām molekulām. Šī funkcija ir ļoti svarīga dzīvības pastāvēšanā. Ūdens spēj, piemēram, šķīdināt sāļus, kas sastāv no elektriski lādētiem joniem. Ja tie ir pozitīvi lādēti, apkārt tiem veidojas apvalks no 6-12 ūdens molekulām, kas visas ir pavērsušas savas negatīvi lādētās rokas uz pozitīvā jona pusi. Kā polārām molekulām, to rokas tūdaļ pavēršas pret pozitīvajiem apgabaliem, bet kājas – pret negatīvajiem. Sakārtoto ūdens molekulu apvalks norobežo izšķīdinātās vielas no pārējā ūdens. (7.5. attēls). Var sacīt, ka ūdens pilnīgi satver jonus un citas polārās molekulas, tāpēc tas un tādi ūdeni saturošie šķidrumi kā asinis ir ideāli piemēroti organisma darbībai nepieciešamo vielu – sāļu, cukuru un hormonu – transportētāji.
7.2. tabula Vielas masas (gramos), kas šķīst 100 g.
ūdens pie istabas temperatūras
Nr. p.k. Viela Masa, g
1. NaCl 36
2. Cukurs 204
3. Alkohols ∞
4. Skābeklis 0,004
5. CO2 0,014
7.5. attēls Ūdens molekulas šķīdina NaCl kristālu. Neskatoties uz to, ka saites enerģija
jonu kristālam ir daudz lielāka, kā saites enerģija ūdenim, šķīšanas process notiek
7.3.5. Kapilaritāte – ūdens nogādāšana no saknēm līdz lapām
Kad Jūrmalas priede uzņem ūdeni ar saknēm un novada līdz augšējiem zariem un lapām 50 m augstumā, tā izmanto starp ūdens molekulām esošās ūdeņraža saites. Ūdenim iztvaikojot no lapām, koka augšdaļā pazeminās spiediens, tāpēc ūdens no saknēm tiek sūkts augšup pa koka tievajiem vadaudiem. Tomēr, lai šis mehānisms darbotos, ir nepieciešams, lai ūdens katrā trahejā veidotu nepārtrauktu šķidruma pavedienu visā koka garumā. Ir diezgan grūti iztēloties, ka tievs, 50 m garš ūdens pavediens turas kopā, kaut arī tiek vilkts, taču ūdeņraža saites, piešķir tam izcilu noturību pret stiepi. Ūdens pavediens tievā stabiņā teorētiski var sasniegt pat 3 km garumu, iekams pārtrūkst gravitācijas spēka ietekmē.
Ūdens molekulām ir spēcīgu izteiktas 3 īpašības – kohēzija, adhēzija un kapilaritāte. Kohēzija: pateicoties ūdeņraža saitei, ūdens molekulas savstarpēji turas kopā. Adhēzija: ūdens molekulas pievelkas pie citām molekulām, kas veido kapilāra sienas. Kapilaritāte: pārvietošanās pa šauro kapilāru uz augšu, izmantojot adhēziju ar kapilāra sienām un atbalstu uz citām ūdens molekulām, kas atrodas zemāk (kohēziju) (7.6. attēls)
7.6. attēls. Ūdens molekulu pārvietošanās pa kapilāru
7.4. KOPSAVILKUMS
1. Lai rastos dzīvība ir nepieciešams:
• organisko vielu molekulas;
• enerģija;
• ūdens
2. Ūdenī lieto mājsaimniecībā (10 %), rūpniecībā (20 %) un lauksaimniecībā (70 %).
3. Saldūdens uz zemeslodes trūkst, sevišķi valstīs, kas atrodas ekvatora tuvumā.
4. Ūdenim ir unikālas īpašības, kas atšķir to no visiem citiem materiāliem:
• eksistē vienlaicīgi visos trijos agregātstāvokļos;
• rekordaugsta siltumietilpība (4 186 J/kg • K), kas stabilizē klimatu uz Zemes;
• sasalstot izplešas kā rezultātā ūdenstilpnes nesasalst līdz dibenam un ūdenī saglabājas dzīvība;
• universāls šķīdinātājs: spēj saraut jonu saiti, piemēram, NaCl kristālā. Asinis, kas ir ūdens šķidrums, nodrošina sāļu, cukura, hormonu transportu organismā;
• izcila kapilaritāte, kas palīdz nogādāt šķidrumu no saknēm līdz lapām.