Γιατί το νερό εξατμίζεται σε θερμοκρασία δωματίου;

Το νερό εξατμίζεται σε θερμοκρασία δωματίου, επειδή τα μόρια στην κορυφή του υγρού έχουν λιγότερη διαμοριακή έλξη από εκείνα του όγκου. Όταν το ανώτερο στρώμα εκτίθεται στο ηλιακό φως, ορισμένα μόρια αποκτούν αρκετή κινητική ενέργεια για να διαφύγουν στην ατμόσφαιρα. Η υγρασία επηρεάζει επίσης το πόσο εύκολα μπορεί να εξατμιστεί το νερό. Εάν ο αέρας είναι ήδη κορεσμένος με υδρατμούς, η εξάτμιση θα σταματήσει.

Μας έχουν μάθει στο σχολείο ότι όταν το νερό βράζει, αλλάζει φάση από υγρό σε ατμό. Για να προκληθεί αυτή η αλλαγή, απαιτείται υψηλή θερμοκρασία, που ονομάζεται σημείο βρασμού. Για το νερό, το σημείο αυτό είναι 100oC. Ωστόσο, θυμηθείτε ότι όταν βρέχει, οι λακκούβες εξατμίζονται όταν ο ουρανός είναι καθαρός, ειδικά όταν βγαίνει ο ήλιος. Στην εξάτμιση, η φάση του νερού αλλάζει επίσης από υγρή σε ατμό και αυτό συμβαίνει σε θερμοκρασίες που δεν είναι πουθενά κοντά στους 100oC.

Λοιπόν… γιατί συμβαίνει αυτό;

Η απάντηση βρίσκεται στις φυσικές και χημικές ιδιότητες των μορίων του νερού και στους δεσμούς που σχηματίζονται μεταξύ αυτών των μορίων (διαμοριακούς δεσμούς).

Χημικές ιδιότητες των μορίων νερού

Ένα μόριο νερού αποτελείται από δύο άτομα υδρογόνου συνδεδεμένα με ένα άτομο οξυγόνου. Οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων Ο και Η σχηματίζονται από την κοινή χρήση ηλεκτρονίων. Αυτοί οι δεσμοί ονομάζονται ομοιοπολικοί δεσμοί. Κάθε στοιχείο τείνει να φτάσει στην ενεργειακά χαμηλότερη κατάσταση (δηλαδή την πιο σταθερή κατάσταση) χάνοντας ή κερδίζοντας ηλεκτρόνια για να φτάσει στην πλησιέστερη διαμόρφωση ευγενών αερίων.

Το οξυγόνο περιέχει έξι ηλεκτρόνια στο εξωτερικό περίβλημα και απαιτεί δύο ηλεκτρόνια για να συμπληρώσει την οκτάδα και να εισέλθει στη διαμόρφωση του ευγενούς αερίου Νέον. Το υδρογόνο έχει ένα ηλεκτρόνιο στο εξωτερικό του περίβλημα και, κερδίζοντας ένα ηλεκτρόνιο, μπορεί να αποκτήσει τη διαμόρφωση του ευγενούς αερίου Ήλιου. Έτσι, ένα άτομο οξυγόνου μοιράζεται δύο ηλεκτρόνια και δύο άτομα υδρογόνου μοιράζονται ένα ηλεκτρόνιο το καθένα για να σχηματίσουν ένα μόριο νερού, δηλ., H2O.

Ένα μόριο νερού έχει ελαφρώς λυγισμένο σχήμα λόγω των ηλεκτρονίων στο άτομο του οξυγόνου. Αυτό συμβάλλει στον διαμοριακό δεσμό υδρογόνου.

Το οξυγόνο έχει υψηλή τάση να έλκει ηλεκτρόνια προς τον εαυτό του. Αυτή η ιδιότητα ονομάζεται ηλεκτραρνητικότητα . Λόγω της υψηλής ηλεκτραρνητικότητας, τα ηλεκτρόνια περνούν περισσότερο χρόνο κοντά στο Ο, και ένα μερικό αρνητικό φορτίο αναπτύσσεται στο Ο. Ομοίως, ένα μερικό θετικό φορτίο αναπτύσσεται στο Η. Η γεωμετρία ενός μορίου νερού είναι τέτοια που υπάρχει διαχωρισμός θετικών (κοντά σε δύο Η άτομα) και αρνητικά φορτία (στο Ο).

Όταν δύο μόρια νερού βρίσκονται το ένα κοντά στο άλλο, το μερικώς αρνητικό Ο ενός μορίου τείνει να έλκει το μερικώς θετικό άτομο Η του άλλου μορίου, με αποτέλεσμα έναν ασθενή δεσμό, που ονομάζεται Δεσμός Υδρογόνου. Αυτός ο δεσμός υπάρχει μεταξύ δύο διαφορετικών μορίων (διαμοριακός δεσμός). Δεδομένου ότι ένας δεσμός υδρογόνου είναι αδύναμος, απαιτείται λιγότερη ενέργεια για να σπάσει, γι' αυτό το νερό παραμένει υγρό σε θερμοκρασία δωματίου.

Θερμοκρασία και Μοριακή Ενέργεια

Η θερμοκρασία είναι ένα μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας που κατέχει ένα μόριο. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο μεγαλύτερη είναι η μέση ενέργεια και τόσο πιο εύκολο είναι για τα μόρια να ξεπεράσουν τη διαμοριακή έλξη και να κινηθούν πιο ελεύθερα. Για να αλλάξει ένα υγρό φάση σε ατμό, πρέπει να ξεπεραστούν δύο δυνάμεις.

Η αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει την ενέργεια των μορίων σε σταθερή πίεση, φέρνοντάς τα πιο κοντά στη φάση ατμού. (Φωτογραφία:udaix/Shutterstock)

Το πρώτο είναι η διαμοριακή έλξη από κοντινά μόρια, που ονομάζονται συνεκτικές δυνάμεις. Το δεύτερο είναι η πίεση προς τα κάτω που ασκεί η ατμόσφαιρα. Όταν ένα υγρό αλλάζει φάση σε ατμό, τα μόριά του έχουν αποκτήσει αρκετή κινητική ενέργεια για να υπερνικήσουν όλες τις διαμοριακές δυνάμεις και επίσης να ξεπεράσουν την καθοδική πίεση που ασκεί η ατμόσφαιρα γύρω του.

Υγρασία

Η ποσότητα των υδρατμών που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα ονομάζεται υγρασία. Σε οποιαδήποτε δεδομένη θερμοκρασία, η ατμόσφαιρα μπορεί να συγκρατήσει μόνο μια σταθερή ποσότητα υδρατμών. Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία, τόσο μεγαλύτερη είναι η ποσότητα των υδρατμών που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα. Η συγκέντρωση των υδρατμών στην ατμόσφαιρα έχει ένα ανώτερο όριο, πέρα ​​από το οποίο δεν μπορεί να συγκρατηθεί υδρατμός.

Εξάτμιση σε θερμοκρασία δωματίου

Ας υποθέσουμε ότι το νερό απλώνεται αραιά σε ένα τραπέζι. Τα μόρια είναι διατεταγμένα σε στρώματα. Τα μόρια στο ανώτατο στρώμα υφίστανται ελκυστικές διαμοριακές δυνάμεις μόνο από τον πυθμένα και τις πλευρές, ενώ τα μόρια εντός του υγρού όγκου βιώνουν διαμοριακή έλξη από όλες τις κατευθύνσεις. Έτσι, τα μόρια στην κορυφή υφίστανται λιγότερες καθαρές διαμοριακές δυνάμεις από εκείνα που βρίσκονται εντός του όγκου. Καθώς αυτές οι διαμοριακές δυνάμεις (Δεσμοί Υδρογόνου) είναι αδύναμες, όταν το ανώτερο στρώμα εκτίθεται στο ηλιακό φως, ορισμένα μόρια αποκτούν αρκετή κινητική ενέργεια για να διαφύγουν στην ατμόσφαιρα σε θερμοκρασία δωματίου.

Στην εξάτμιση, σε αντίθεση με το βρασμό, μόνο μερικά μόρια στην επιφάνεια διαθέτουν αρκετή ενέργεια για να εισέλθουν στη φάση ατμού. (Φωτογραφία:VectorMine/Shutterstock)

Επιπλέον, όσο χαμηλότερη είναι η υγρασία, τόσο πιο εύκολο είναι να εξατμιστεί το υγρό. Καθώς η εξάτμιση συνεχίζεται, η συγκέντρωση των υδρατμών στην ατμόσφαιρα αυξάνεται. Πέρα από ένα κρίσιμο όριο, δεν μπορούν να συγκρατηθούν άλλοι υδρατμοί από την ατμόσφαιρα. Αυτό ονομάζεται κορεσμένη κατάσταση. Εάν δεν έχει επιτευχθεί η κατάσταση κορεσμού, η εξάτμιση συνεχίζεται.

Έτσι, ένας συνδυασμός υγρασίας και υψηλής μοριακής ενέργειας καθιστά δυνατή την εξάτμιση ορισμένων μορίων στην επιφάνεια, ακόμη και σε χαμηλότερες θερμοκρασίες!