Vatn er ei kjemisk sambinding mellom hydrogen og oksygen med strukturformel H2O. Vatn er trivialnavnet. Det systematiske namnet er dihydrogenoksid, men dette blir sjeldan brukt. På latin heiter vatn aqua.
Vatn er den mest utbreidde og brukte kjemiske sambindinga på jorda. Vanlegvis blir orda vatn brukt om sambindinga i flytande form, men her vil vi òg bruke orda vatn om is, snø og vassdamp.
Vatn finst som væske (flytande vatn), i fast form (is) eller som gass (vassdamp). Vassmolekyla er stadig i rørsle, og vatnet skiftar form etter kor rask rørsle molekyla har. Når vatn blir varma opp, blir det tilført energi, noko som set vassmolekyla i rørsle, og hydrogenbindingane blir brotne. Vatnet går då frå væskeform til gassform. Vassdamp er slik vassmolekyl som smett ut av vatnet og ut i lufta. Når vassdampen blir avkjølt, endrar han seg og blir til flytande væske igjen. Sjå kondensere.
Mange av dei kjemiske reaksjonane som går føre seg på jorda og i oss menneske og alt anna levande, involverer vatn eller går føre seg løyst i vatn.
Førekomst
75 prosent av Jordas overflate er dekt av vatn, enten i væskeform eller i fast form som is. Hav utgjer størstedelen av dette arealet. Men også landjorda har store førekomstar av vatn, mellom anna i elvar, innsjøar og isbrear. Jord- og berggrunnen inneheld dessutan grunnvatn, og levande plantar og dyr inneheld mykje vatn. Innhaldet av vassdamp i atmosfæren varierer med temperaturen. I tropane er mengda opp mot tre volumprosent, i polarstrøka berre nokre tidels prosent eller mindre.
Ved temperatur- og trykkforandringar blir gitt vassdamp i atmosfæren i flytande form som regn, eller i fast form som rim, snø eller hagl. Omvendt går det føre seg ei stadig tilbakeføring av vatn til atmosfæren ved fordamping. I motsetning til Jordas forråd av til dømes mineralske råstoff er mengda vatn på Jorda konstant.
Mange mineral er hydrat som inneheld bunde vatn i form av krystallvatn. Eitt døme er gips.
Den totale vassmengda i hav, sjøar, elvar, jord, fjell og atmosfære på jorda er gitt til 1386 millionar km³, og cirka 24 064 millionar km³ er is og snø. Den delen som ligg føre i flytande form (hovudsakleg i hav), blir rekna til å utgjere 1338 millionar km³, som grunnvatn 23 400 km³ og som damp i atmosfæren 12 900 km³.
Vitskapen om førekomsten, krinsløpet og fordelinga til vatnet på landjorda blir kalla hydrologi.
Vassmolekyl har òg vorte påvist i det interstellare rommet og i atmosfæren til Mars og Jupiter (sjå astrokjemi). Køyretøy som er sende til Mars har funne spor etter rennande vatn på planeten.
Vasskrinsløpet
Vatn blir brukt om att og om att, i eit krinsløp som aldri stoppar. Det er sola som får vatnet til å fordampe i frå havet, jorda, innsjøar og plantar. Noko av dampen blir ført vekk i luftstraumar og frakta opp i kaldare luftlag, der dampen kondenserer. Når dampen kondenserer, blir vassdropane større, og vi ser det vi kallar skyer. Skyene frigjer vatn i form av regn eller snø. Mesteparten fell ned att i havet, og noko renn ut i havet att via elvar eller bekker. Eit vassmolekyl bruker i gjennomsnitt 11,4 dagar på rundturen i vasskretsløpet.
Les om vatnet sitt krinsløp i naturen
Vassmolekylet
Vatn har den kjemiske formelen H2O, som viser at vassmolekylet er samansett av to hydrogenatom og eitt oksygenatom. Oksygenatomet har ei svak negativ ladning, medan hydrogenatoma har positiv ladning. Difor blir dei tiltrekte av kvarandre. Vassmolekyla er stadig i rørsle, og vatnet skiftar form etter kor rask rørsle molekyla har. På overflata kan vassmolekyla berre trekkje seg sidelengs eller nedover. Vassmolekyla dannar hydrogenbindingar.
Desse bindingane er så sterke at vatn får spesielle eigenskapar, mellom anna høg overflatespenning. Denne sterke overflatehinna gjer at det kan danne seg vassdropar. Ein annan spesiell eigenskap er vatnet sin høge varmekapasitet, og det trengst mykje energi for å varme opp vatn. Klimaet i havet er derfor ganske stabilt, og utan så mykje vatn på jordkloden hadde klimaendringane gått mykje raskare.
Molekylet er vinkla med H-O-H vinkel på 104,5°, og avstanden O–H er 96 pikometer. På oksygenatomet er det to ledige elektronpar.
Då oksygen er meir elektronegativt enn hydrogen, er vassmolekylet eit polart molekyl med eit dipolmoment på 6,17 · 10−30 Cm. Vatn er derfor eit utmerkt løysemiddel for polare sambindingar. Dette forklarer òg kvifor vatn så ofte er ligand i komplekssambindingar, og kvifor det så ofte inngår som krystallvatn i faste stoff.
Trippelpunktet til vatnet blir brukt til å definere temperaturskalaen: temperaturen er sett lik 273,16 K = 0,01 °C. Dette er meir nøyaktig enn den tidlegare definisjonen, der smeltepunktet for is var sett til 0 °C og kokepunktet til 100 °C.
Det er fleire isotopar av hydrogen og oksygen, og alle finst i vatn. Den mest vanlege er 1H216O. Vatn som hovudsakleg består av 2H216O (ofte skriven D2O) blir kalla tungtvatn.
Strukturen av is
Vassmolekyla endrar form til is når temperaturen er 0 °C eller lågare. Vassmolekyla har då lite rørsle, og dei krystalliserer. Hydrogenbindingane skaper ein sekskanta strukturar, som kan gi mange unike og vakre iskrystallar. Fast form (is) har lågare tettleik enn vatn i væskeform, i motsetnad til dei fleste andre stoff. Isen ligg oppå vatnet fordi is er lettare enn flytande vatn.
Vassmolekylet har to ledige elektronpar på oksygenatomet. Då O er meir elektronegativt enn H, vil O-atomet vere negativt lada og H-atoma positivt lada. Mellom to vassmolekyl vil det derfor kunne dannast ei hydrogenbinding: O–H…O. Det kan forklare at i is er kvart vassmolekyl omgitt av fire andre vassmolekyl: to som donor og to som akseptor av ei hydrogenbinding.
O-atoma i is har dei same posisjonane som karbonatoma i diamant. Strukturen er uordna, slik at i ein strukturregel av is finn ein to halve H-atom på sambindingslinja mellom to nabooksygenatom. Dette passar med den restentropien som er bestemd eksperimentelt for is og føresagt av Linus Pauling.
Då H-O-H-vinkelen er 104,5°, medan vinkelen mellom hydrogenbindingane er 109,5°, passar ikkje vassmolekylet heilt inn. Det kan forklare kvifor det er funne 17 ulike former for is, avhengig av kva trykket og temperaturen for isen er. Den forma for is som blir danna ved vanleg trykk og temperaturar blir kalla heksagonal is.
Eit klatrat der vatn er vertsmolekyl, har ein struktur som er ulik frå nokon av dei ulike formene for is.
Det er òg framstilt frose amorft vatn. Dette blir brukt i kryoelektronmikroskopi.
Snøfnugg
Enkle snøfnugg er éinkrystallar av is (sjå snøkrystallar). Dei blir danna høgt oppe i atmosfæren når vatn kondenserer på små partiklar. Krystalla har mange former og forma er bestemt av trykket og temperaturen dei vart danna ved, og temperatur og vassdamptrykket på vegen deira ned mot bakken.
Snøkrystallar har vore studerte av mange forskarar og er omtalt i Bibelen. Olaus Magnus publiserte dei første bileta av snøkrystall i 1555. Sidan har han vorte følgd av mange, og iskrystall kan i dag dyrkast i eit laboratorium.
Kunstig snø blir laga i snøkanonar. Denne snøen har andre eigenskapar enn naturleg snø. På engelsk har han derfor fått eit eige namn: snice. Den er hardare og meir kompakt enn naturleg snø, og kan òg brukast som bygningsmateriale.
Tilsetjing av fiber til isen gjer den sterkare. Dette vart foreslått av Herman Mark under andre verdskrigen, og brukt til å konstruere landingsstriper på vatn. Blandinga av is og fibrar blir kalla pykrete.
Strukturen av flytande vatn
Strukturen av flytande vatn er mindre kjend enn strukturen av dei ulike modifikasjonane av is. Det kjem av at ein har mange fleire og meir nøyaktige metodar for å bestemme korleis atoma er plassert i ein krystall enn i ei væske. Dessutan er strukturen i ei væske dynamisk. Bindingar mellom molekyla blir stadig brotne, H+-atoma hoppar frå molekyl til nabomolekyl, og vassmolekyla diffunderer frå stad til stad. Då vatn har høgare tettleik enn is, er det rimeleg å tru at når isen smeltar, blir strukturen broten delvis ned slik at vassmolekyla blir pakka tettare saman, medan det framleis er hydrogenbindingar mellom vassmolekyla.
Over 0 °C blir strukturen broten meir opp, og tettleiken til vatnet aukar opp til 4 °C. Deretter vil den normale ekspansjonen, som kjem av aukande rørsler i og mellom molekyla, dominere, og tettleiken minkar med veksande temperatur, slik han vanlegvis gjer for alle stoff.
Det er hydrogenbindingane som gjer at smelte- og kokepunktet for is/vatn er mykje høgare enn dei andre sambindingane H2X der X er eit grunnstoff i gruppe 16 i periodesystemet: svovel, selen og tellur. Utan hydrogenbindingar ville is smelte ved cirka –100 °C og koke ved cirka –80 °C.
Strukturen av vassdamp
I vassdamp er vassmolekyla frie. Det er berre ved temperatur nær kokepunktet, og når molekyla støyter saman, at krefter mellom molekyla vil gjere seg gjeldande. Sjå van der Waals tilstandslikning.
Vatn som løysemiddel
Vatn er eit utmerkt løysemiddel for polare stoff som saltar. I laboratorium og til medisinsk bruk er det nødvendig å reinse vatnet. Det kan gjerast ved destillasjon. Då slepp gassar som er løyste i vatnet unna, medan salta blir tilbake. For å få fullstendig reint vatn, krevst gjenteken destillasjon i apparat av kvartsglas eller edelmetall, der den mellomliggjande, reinaste fraksjonen blir fanga opp i eit forlag av edelmetall.
Vatn kan òg reinsast ved hjelp av ein ionebytter.
Eit mål for vatnets renhetsgrad er leidningsevna, som minkar med veksande reinleik. Fullstendig reint vatn har ved romtemperatur ein konduktivitet på 10−6 S/m (siemens per meter). Det minste sporet av salt eller karbondioksid frå lufta aukar leidningsevna til vatnet betrakteleg. Sjå òg hardt vatn.
Fysiske eigenskapar til vatn som væske
Reint vatn er ved romtemperatur ein klar, gjennomsiktig væske utan lukt og smak. I tynne sjikt er den fargelaus, i tjukkare sjikt blåleg.
Vatn har ei rekkje oppsiktsvekkjande eigenskapar som gjer at det i mange samanhengar inntek ei særstilling blant hydrogensambindingane til ikkje-metalla. Relasjonen mellom tettleiken og temperaturen er mellom anna årsaka til at djupe innsjøar ikkje frys så lett om vinteren. Ved avkjøling til 4 °C vil det stadig tyngre vatnet søkke til botnen, medan lettare og varmare vatn vil stige til overflata. Dette held fram inntil alt vatnet er avkjølt til 4 °C. Ved ytterlegare avkjøling vil vatnet bli lettare igjen og derfor halde seg på overflata, der det til slutt frys til is. Sidan is har mindre tettleik enn vatn, vil isen halde fram på overflata og verke isolerande, slik at kulda langsamt vil trenge ned mot større djup.
Tettleiksforskjellen mellom vatn og is er årsaken til at isfjell flyt med tolv prosent av fjellet synleg.
Volumutvidinga når vatn frys til is er ni prosent, og dette fører til at vassleidningar og flasker fylt med vatn blir sprengde sund ved frysing. Utvidinga fører òg til at vatn som trengjer inn i fjellsprekkar, sprengjer fjellmassar frå kvarandre når det frys.
Kjemiske eigenskapar til vatn
Vatn er ei svært bestandig kjemisk sambinding, med stor negativ dannelsesentalpi. Den kjemiske bindinga mellom hydrogen og oksygen i vassmolekylet er sterk, og blir berre brote ved tilførsel av forholdsvis store energimengder.
Sjølv i reint vatn er det nokon oksoniumioner og hydroksylioner:
2H2O(l) ↔ H3O+(aq) + OH–(aq)
(Her er brukt det latinske namnet på vatn, aqua forkorta aq, for å angi at iona er løyste i vatn. I H2O(l) står l for liquid.)
Vatnet sitt ioneprodukt er:
[H3O+].[OH−] = Kw = 1,0. 10−14 (mol/l)²
ved 25 °C.
I reint vatn er konsentrasjonen av oksoniumioner og hydroksidioner like store og ved 25 °C er begge 10−7 mol per liter.
Følgeleg er: pH = –log[H3O+] = 7,0
Løysinga er sur når pH < 7 og basisk når pH > 7 (sjå pH og syrer).
Danning, reaksjonar
Vatn blir danna ved forbrenningar av stoff som inneheld hydrogen, ved knallgassreaksjonen (sjå knallgass), ved sveising og ved mange andre kjemiske reaksjonar.
Trass i den store stabiliteten sin, deltek vatn i ei lang rekkje kjemiske reaksjonar. Med oksidasjonsmiddel, til dømes klor, får ein utvikling av oksygengass:
6H2O(l) + 2Cl2(g) ↔ 4H3O+(aq) + 4Cl-(aq) + O2(g)
Med reduksjonsmiddel, til dømes natrium, blir det utvikla hydrogengass:
2H2O(l) + 2Na(s) → 2Na+(aq) + 2OH-(aq) + H2(g)
Vatn reagerer med mange oksid. Alt etter typen oksid blir løysinga sur eller basisk. Reaksjon med kalsiumoksid gir basisk kalsiumhydroksid:
CaO(s) + H2O(l) → Ca2+(aq) + 2OH-(aq)
Med fosfor(V)oksid blir det danna fosforsyre:
P2O5 (aq) + 3H2O(l) → 2H3PO4(aq)
Metningstrykk ved visse temperaturar
| Metningstrykk (kPa) | |
|---|---|
| 0 °C | 0,61 |
| 10 °C | 1,227 |
| 20 °C | 2,338 |
| 25 °C | 3,167 |
| 50 °C | 12,330 |
| 75 °C | 38,50 |
| 100 °C | 101 |
| 150 °C | 476 |
| 200 °C | 1554 |
Historie
Frå oldtida og fram til slutten av 1700-talet vart vatn vurdert som eitt av dei fire element (sjå alkymi).
Men på slutten av 1700-talet vart eit element eller grunnstoff definert som eit stoff som ikkje lèt seg spalte i andre stoff. Fleire forskarar viste at vatn kunne spaltast i hydrogen- og oksygengass. Dessutan reagerer hydrogengass og oksygengass og gir vatn. Dermed var det vist at vatn ikkje er eit grunnstoff, men ei kjemisk sambinding. Sjølv om fleire forskarar bidrog til denne nye kunnskapen, er det Antoine Laurent Lavoisier som har fått størstedelen av æra.
Lavoisier skreiv ingen kjemiske formlar. Den første som skreiv ein formel for vatn var John Dalton. Han skreiv strukturformelen for vatn som HO i 1810. Først på midten av 1800-talet vart kjemikarar samde om at strukturformelen for vatn er H2O.
Les meir i Store norske leksikon
- Om vannforbruk, se vassforsyning og vassressursar
- Om vannavløp, se kloakkanlegg
- Om vann i tro og kultur, se vatn – religion og vievatn
Litteratur
- Ivar Olovsson: Snow, Ice and Other Wonders of Water. A tribute to the Hydrogen Bond. World Scientific (2016). Ny, utvidet utgave (2018): Wonders of Water. The Hydrogen Bond in Action. Samme forlag.