|
|
Vand
Vand er et kemisk stof, som er flydende ved stuetemperatur og under standardtryk. Det har den kemiske formel H2O, hvilket betyder, at ét molekyle vand er sammensat af to brintatomer og ét iltatom. Vand findes næsten overalt på jorden, og det er nødvendigt for alle kendte livsformer. Ca. 70% af jordens overflade er dækket af vand.
Oversigt
Vand i fast form kaldes (vand-)is. Vand i gasform hedder (vand-)damp. Temperaturenhederne (tidligere °Celsius, nu Kelvin) er fastlagt ud fra vands TRIPLE PUNKT: 273,16 K (= 0,01 °C) og 611,2 Pa, som er den temperatur og det tryk, hvor vand kan findes i alle tre former også kaldet faserr (is, vand og damp) samtidigt.
Ved temperaturer højere end 647 K og et tryk større end 22.064 Mpa vil en samling vandmolekyler gå over i en superkritisk tilstand, hvor det er muligt at ændre temperatur og tryk, så man går fra væskeformigt til dampformigt vand uden en faseovergang. Det er altså ikke klart hvor grænsen mellem væskeformigt og dampformigt vand går over det kritiske punkt.
Vandflade er en samlet betegnelse af
- eller lignende. Se vandreserve vedrørende ferskvandsforsyning. Se også strand, færge, havn, havneanlæg.
Kemikere omtaler ofte i spøg vand som dihydrogen monoxid eller DHMO (se www.dhmo.org/ ), der er det systematiske navn for dette molekyle i det kemiske fagsprog. Det sker især parodier på kemisk forskning, som kræver denne “dødelige kemiske forbindelse” forbudt. IUPAC-navnet er oxidan, men det bruges sjældent.
Vands dipolære karakter
Et vigtigt træk ved vand er dets polære karakter. Vandmolekylet danner en vinkel med brintatomerne for enden af benene og iltatomet ved vinkelspidsen. Da ilt har en højere elektronegativitet end brint, får iltenden af molekylet en negativ ladning i forhold til brintenden. Et molekyle med sådan en forskel i ladning kaldes en dipol. Den samme forskel gør, at vandmolekylerne tiltrækker hinanden (de forholdsvis positive brintender tiltrækkes af de forholdsvis negative iltender) og andre polære molekyler. Denne tiltrækning er kendt som brintbinding. Vand kan betragtes som et polymer af vandmolekyler.
Den forholdsvis svage tiltrækning (set i forhold til de kovalente bindinger inden i vandmolekylet selv) medfører fysiske egenskaber f.eks. et meget højt kogepunkt, da der kræves en hel del varmenergi for at bryde brintbindingerne mellem molekylerne. Svovl er grundstoffet lige neden under ilt i det periodiske system, men dets tilsvarende forbindelse, svovlbrinte (brintsulfid, H2S), har ikke brintbindinger, og selv om stoffet har dobbelt så høj en molekylvægt som vand, optræder det som gas ved stuetemperatur. Den ekstra binding mellem vandmolekylerne giver desuden vand en høj varmekapacitet.
Derudover giver brintbindingerne vand en usædvanlig reaktion, når det fryser. Væsken bliver - som hos de fleste andre materialer - mere tung med faldende temperatur. Men i modsætning til de fleste andre stoffer medfører brintbindingerne, at molekylerne under den omflytning, der sker for at mindske deres energi ved afkøling tæt på frysepunktet, i stedet danner en struktur, der faktisk er lettere: derfor kan den faste form, is, flyde på vand. Mens de fleste andre stoffer krymper ved overgang til fast form, udvider vand sig, når det størkner. Flydende vand har sin største tæthed (vægt) ved en temperatur på 4 °C. Det har en interessant konsekvens for vandlevende væsner ved vintertide. Vand, som afkøles ved overfladen, bliver tungere og synker ned. Det fremkalder konvektionsstrømme, der afkøler hele vandmassen, men når vandets temperatur kommer under 4 °C, bliver vandet på overfladen lettere og flyder ovenpå som et lag, der til sidst danner is. Da den nedadgående konvektionsstrømning af koldt vand blokeres, når skiftet i vægt finder sted, vil enhver større vandmasse, der fryser til om vinteren, have hovedparten af sit vand i flydende form ved 4 °C neden under isoverfladen.
Dette gør det muligt for fisk og andre dyr at overleve under isen. Det er i øvrigt også ét af de vigtigste eksempler på de fint afpassede fysiske egenskaber, som understøtter liv på Jorden. Det bruges som begrundelse for det antropo-kosmologiske princip.
En yderligere konsekvens er, at is smelter, når den kommer under tilstrækkeligt tryk.
Vand som opløsningsmiddel
Vand er også et godt opløsningsmiddel på grund af dets polaritet. Når en forbindelse i ionform eller polær form blandes med vand, bliver den omgivet af vandmolekyler. Deres relativt ringe størrelse tillader typisk mange vandmolekyler at samle sig om ét molekyle af det opløste stof. De delvis negative dipoler i vandet tiltrækkes af de positivt ladede dele af stoffet og omvendt for de positive dipoler.
I almindelighed kan ioniserede og polære stoffer som f.eks. syrer, alkoholer og salte let opløses i vand, modsat ikke-polære stoffer som fedtstoffer og olier. De ikke-polære molekyler samles i vandet, da det er energimæssigt mere fordelagtigt for vandmolekylerne at bindes til hinanden ved brintbindinger snarere end at danne van der Waals-forbindelser med ikke-polære molekyler.
Et eksempel på et ioniseret stof er bordsalt (natriumklorid, NaCl); stoffet deles i Na+-kationer og Cl--anioner, der begge omgives af vandmolekyler. Derefter kan ionerne let flyttes fra deres krystalgitter ud i opløsningen. Et eksempel på et ikke-ioniseret stof er sukker. Vand-dipolerne knyttes ved hjælp af brintbindinger til dipolære områder af sukkermolekylet og tillader at det føres ud i opløsningen.
Vandets evne til at opløse stoffer er afgørende i biologiske sammenhænge, da mange stofskifteprocesser kun kan foregå i opløsning (f.eks. reaktionerne i cytoplasmaet og i blodet).
Sammenhængsevne og overfladespænding
Brintbindingerne giver vandet en stor sammenhængsevne og derfor også en høj overfladespænding. Dette ses klart, når små mængder vand anbringes på en overflade, der ikke kan opløses, og vandet samler sig i dråber. Denne egenskab er vigtig for vandets transport op gennem vedkarrene i planternes stængler. De stærke bindinger mellem molekylerne holder vandsøjlen sammen og udligner trykforskelle gennem sugekraften, der er fremkaldt af fordampning fra plantens overflade. Andre væsker med en lavere overfladespænding ville have tilbøjelighed til at blive revet fra hinanden, hvad der kunne fremkalde vakuum eller luftlommer og gøre transport i vedkarrene umulig.
Ledeevne
Rent vand er i virkeligheden isolerende, dvs. at det ikke leder elektrisk strøm særligt godt. Da vand er så effektivt et opløsningsmiddel, indeholder det oftest nogle stoffer i opløsning, som regel salte. Hvis vand har den slags urenheder i sig, er det derimod en god leder for elektrisk strøm.
Elektrolyse
Vand skilles i sine to bestanddele, brint og ilt, når en elektrisk strøm passerer gennem det. Processen kaldes elektrolyse. Vandmolekyler dissocierer naturligt i H+- og OH--ioner, der trækkes hen mod henholdsvis katoden og anoden. Ved katoden optager to H+ ioner hver en elektron og danner H2 gas (brint). Ved anoden samles fire OH--ioner og frigiver dels O2 gas (ilt), molekylært vand og fire elektroner. Gasserne bobler op mod overfladen og kan samles op der.
Reaktion
Kemisk set er vand amfoterisk: det er i stand til at virke både som syre og base. Ved et pH på 7 (neutral) er koncentrationen af hydroxyd-ioner (OH-) lig med mængden af hydronium- (H3O+) og brintioner (H+) tilsammen. Hvis denne ligevægt forskydes, bliver vandet surt (højere koncentration af hydronium- og brintioner) eller basisk (højere koncentration af hydroxidioner).
I teorien har rent vand et pH på 7, men i virkeligheden er det svært at skaffe helt rent vand. Når vand har kontakt til luft i bare et kort stykke tid, opløser det CO2 og danner en fortyndet kulsyre. Det medfører en pH-sænkning ned til ca. 5,7.
Vandrensning
Renset vand bruges til mange industrielle formal, men også i husholdningen. Mennesker har brug for vand, som ikke indeholder alt for meget salt eller andre urenheder. De almindeligste urenheder omfatter kemikalier og skadelige bakterier. Nogle slags opløste stoffer er acceptable eller tilmed ønskværdige for fremhævelse af smagen. Vand, som er egnet til drikkebrug, kaldes drikkevand.
Seks gængse metoder til rensning af vand er:
- Filtrering, hvor vandet passerer en si med tilstrækkeligt fin maskestørrelse. Selv om filtrering ikke renser vand, kan det være et nødvendigt første skridt for at undgå, at partikler forhindrer den egentlige rensning.
- Kogning, hvor vandet bringes i kog længe nok til, at mikroorganismer er uskadeliggjort eller dræbt. Kogning kan også udskille ”"hårdhed"” i vandet ved at kalk udfældes som kedelsten. Metoden fjerner dog ikke andre mineralske stoffer fra vandet.
- Filtrering med aktivt kul (se trækul). Det er den mest brugte metode til rensning af vand i husholdninger og akvarier.
- Destillation, hvor vandet bringes i dampform ved kogning, hvorefter dampen fortættes under afkøling. På denne måde kan man levere næsten helt rent vand (99,9%), men enkelte stoffer vil dog følge med vanddampen og fortættes sammen med den. Se alkohol.
- Omvendt osmose er en metode, hvor man udnytter en såkaldt halvgennemtrængelig hinde (semipermeabel membran). Ved normal osmose vil vandet af egen kraft bevæge sig gennem hinden i retning fra den svageste til den stærkeste koncentration af opløste stoffer. Ved omvendt osmose sætter man den forurenede vandmængde under et tryk, der er stærkt nok til at presse vandet i modsat retning. Hinden bruges altså som et filter.
- Demineralisering, som er en proces, hvor vandet passerer et filter med harpiksagtige stoffer, der binder metalioner. På den måde kan man fremstille store mængder af blødt, om end ikke helt rent vand.
Vandspild
Man spilder vand, når man bruger det unødvendigt eller i hvert fald i unødvendige mængder. Det er f.eks. vandspild at lade rent regnvand løbe ud i kloaksystemerne. Det er også spild, når man skyller toilettet ud med mere end den nødvendige mængde vand.
Mytologi
Vand er ét af kelternes tre grundelementer: vand, jord og ild. Det er også ét af de fire klassiske elementer: jord, vand, luft og ild, og det er ét af de fem kinesiske grundelementer: vand, luft, ild, træ og metal.
Vandbehov
UNESCOs World Water Development Report (WWDR 2003) viser, at verden vil stå over for en hidtil uset mangel på drikkevand i løbet af de næste 20 år. Den mængde vand, der er til rådighed for hver enkelt, forudses at ville falde med 30%. Årsagerne er forurening, global opvarmning og politiske hindringer.
40% af verdens indbyggere har allerede i dag utilstrækkelige forsyninger til en minimal hygiejne. Mere end 2,2 millioner mennesker døde i 2000 af sygdomme, der skyldes indtagelse af forurenet drikkevand.
Fast vands (is) massefylde
En af de interessante egenskaber ved vand er at frossent vand (is) har en mindre massefylde end flydende vand. Vand er et af de få stoffer som har denne egenskab.
Det kan vises ved at putte en isterning ned i et glas vand. Her kan man som man sikkert tidligere har set, se at isterningen flyder op til vandoverfladen. Det er mest godt, men også lidt skidt.
Det gode ved isens mindre massefylde (vand udvider sig ved frysning) kombineret med flydende vands største massefylde ved ca. 4°C er, at vanddyr kan overleve om vinteren og ved polarhavene under isen. Isbjerge flyder også lige under vandoverfladen, netop pga. af den lavere massefylde.
Is er faktisk også en god varmeisolator, derfor vil vandet under isen være flydende selv ved streng frost over isen. Dette er også årsagen til at inuitter kan bo i iglooer - den isolerer godt - og faktisk bedre end is, da sneen er fyldt med lufthuller.
Ulempen ved is rumfangsudvidelse er, at vandrør med vand og andre vandbeholdere, springer hvis de udsættes for temperaturer under 0°C. Derfor skal man enten holde temperaturen på lidt over 0°C eller tømme alle rørene for vand.
Se også
Eksterne henvisninger
| Denne artikel var dagens artikel den 13. september 2004.
|
Denne artikel er fra Wikipedia. Læs artiklen hos Wikipedia.
|
|
