A víz kémiája
A víz (H2O)1

Színtelen, vastagabb rétegben kékes színű, íztelen, szagtalan folyadék. Az 1 atm nyomáson mért olvadáspontja, valamint forráspontja a Celsius hőmérsékleti skála két alappontja: 0,00°C és 100,00°C. E két érték a csoport többi tagjáéhoz képest lényegesen nagyobb, ami a vízmolekulák közötti hidrogénhídkötéseknek tulajdonítható. Ugyancsak a vízmolekulák a körülményektől – főleg a hőmérséklettől – függő asszociációjával, illetve elrendeződésével magyarázható a víz és a jég számos más, jelleg-zetes tulajdonsága is. Ilyen pl., hogy sűrűségének +4 °C-nál maximuma van, és hogy amikor megfagy, térfogata jelentékenyen megnő.

 

 


A hidrogénhidak, noha viszonylag gyenge kapcsolatot jelentenek, mégis határozott kötésiránnyal párosulnak. A lokális rendezettség mind a cseppfolyós víz, mind a jég esetében tetraéderes. Az oxigénatomok körül négy hidrogénatom helyezkedik el, kettő kovalens kötéssel, kettő pedig hidrogénhídkötéssel kapcsolódik.
A jég nem szoros illeszkedésű rácsban kristályosodik, ez okozza, hogy sűrűsége kisebb, mint a vízé. Amikor a jég megolvad, vagyis a kristályos szerkezet összeomlik, a hidrogénhidak igen nagy számban hasadnak fel. A folyékony vízben, ahol csak lokális a rendezettség, az említett tetraéderek szorosabban tudnak egymáshoz illeszkedni, mint a szabályos kristályban. A cseppfolyós vízben az átmenetileg kialakuló molekulacsoportok szerkezete 4 °C felett más, mint alacsonyabb hőmérsékleten, mivel más a csúcsaikkal érintkező tetraéderek orientációja. Ezzel magyarázható, hogy a víz sűrűségének maximuma nem az olvadáspontján, hanem + 4 °C-n van.

A vízmolekula alakja és méretei

A vízmolekula szerkezete

A víz jellemző adatai

Magyar név

Víz

IUPAC név

Water

Egyéb nevek

dihidrogén-monoxid, hidrogén hidroxid

Képlet

\mathrm{H_2O}\,\!

Moláris tömeg

18,0153 g/mol

Megjelenés

színtelen, szagtalan

CAS-szám

[-]

Tulajdonságok

Sűrűség és halmazállapot

0,998 g/cm3, folyékony

Olvadáspont

0 °C (273,15 K) (32 °F)

Forráspont

100 °C (373,15 K) (212 °F)

Fizikai állandók

Képződéshő

-285,83 kJ/mol

Moláris hőkapacitás

75,28 J/mol

273.16 K (0.01 °C), 611.73 Pa
A cseppfolyós vízben a hidrogénhíd kötések kialakulása lehetővé teszi, hogy az igen kis tömegű és nagy mozgékonyságú proton könnyen átlépjen egyik molekulából a másikba. Ennek azonban az lesz a következménye, hogy az eredetileg azonos molekulákból különböző töltésű ionok képződnek, vagyis kialakul a víz disszociációs egyensúlyának megfelelő helyzet:
H2O + H2O <—> H3O+ + OH-.

A hidroxónium - (H3O+-) ionban van még ugyan egy szabad elektronpár, ez azonban a fellépő elektrosztatikus taszítás miatt további protont már nem tud megkötni.
Az elektromosságot a víz igen rosszul vezeti, mivel csak kevéssé disszociál hidroxónium – és hidroxid ionokra.
Más anyagokéhoz viszonyítva nagy a fajhője, ezért jó fűtő-és hűtőanyag. Párolgáshője is nagy, ezért kondenzáló gőze fűtésre jól használható.
Molekulaszerkezetével magyarázható a hidratálás jelensége, a vízmolekulák dipólus jellege, valamint a víz nagy dielektromos állandója. Ez utóbbi sajátságának tulajdonítható, hogy a benne oldott elektrolitok nagymértékben disszociálnak ionjaikra.
Kémiai szempontból igen állandó vegyület, csak 2000°C feletti hőmérsékleten kezd nagyobb mértékben elemeire bomlani.

A vízmolekula a körülményektől függően lehet:
sav (protondonor): H2O + NH3 —> OH- + NH4+
bázis (protonakceptor): H2O + HCl —> H3O+ + Cl-
ligandum (elektronpárdonor): 6 H2O + Al3+ —> [Al(H2O)6]3+
redukálószer (elektrondonor): 2 H2O +4 Co3+—> 4Co2+ + 4H+ + O2
oxidálószer (elektronakceptor):
 		2 H2O + 2 Cr2+ —> 2 Cr3+ + H2 + 2 OH-.
Vízzel az elemek egy része (nemesgázok, hidrogén, oxigén, nitrogén) nem reagál, csak fizikailag oldódik benne – rendszerint igen rosszul. Az elemek nagy része azonban, megfelelő hőmérsékleten, reakcióba lép a vízzel. A nagy elektronegativitású halogénelemek haloidsavat képeznek vele, miközben közvetlenül vagy közvetve oxigén fejlődik, amely erélyesen oxidál, pl:
F2+ H2O —> H2F2 + ½ O2
Cl2 + H2O —>HCl + HOCl
HOCl —> HCl + ½O2
Ha kisebb elektronegativitású elemek reagálnak vízzel, oxidok, hidroxidok vagy oxosavak képződnek, és hidrogén fejlődik, amely viszont redukáló hatást fejthet ki:

Na + H2O ——> NaOH + ½ H2

600 °C
P4 + 16 H2O —————> 4 H3PO4 +10 H2

700 °C
3 Fe + 4 H2O —————> Fe3O4 + 4 H2

1000 °C
C + H2O—————> CO + H2
A fémek vízzel való reakcióját nagymértékben befolyásolja a fém felületén képződő oxid vagy hidroxid oldhatósága. Ha ugyanis az oldhatatlan, védőrétegként megakadályozhatja a fém további oldódását. Ez a helyzet pl. a magnézium vagy az alumínium esetében. A főleg természetes vizekben oldott oxigén és szén-dioxid a védőrétegek kialakulására lényeges hatással lehet.
A víz a nemfémes elemek oxidjaival savakká, a fém-oxidokkal, ha azokban a fém alacsony oxidációs fokú, bázisokká egyesül. Számos vegyületet hidrolizál, különböző kémiai folyamatokban katalizátorként szerepel.
Igen sok anyagnak jó oldószere. A természetes vizek, amelyek a levegővel érintkezve abból több-kevesebb széndioxid vesznek fel, oldják a tiszta vízben egyébként gyakorlatilag oldhatatlan kalcium- és magnézium-karbonátot is.
CaCO3 + H2O + CO2 —> Ca(HCO3)2
MgCO3 + H2O + CO2 —> Mg(HCO3)2
A hidrogénkarbonátok képződése megfordítható folyamat. Ezért, ha a széndioxid eltávozik az oldatból, a karbonátok kicsapódnak (kazánkő, cseppkő képződése).
A Földön a víz igen elterjedt. A természetes vizek azonban különböző anyagokat tartalmaznak oldott vagy lebegő állapotban, ezért csak megfelelő tisztítási, kezelési műveletek elvégzése után használhatók ivó- vagy ipari vízként.
A víz a növényi, állati és emberi szervezeteknek egyaránt fontos alkotórésze, szabad állapotban vagy kolloidális anyagokhoz kötve egyaránt előfordul bennük.
Élettani szempontból nélkülözhetetlen, mint oldószer, és mint különféle kémiai reakciók közege.
 
1Nyilasi János: Szervetlen kémia