Vann er den mest utbredte og brukte kjemiske forbindelse på jorden. Vanligvis brukes ordet vann om forbindelsen i flytende form, men her vil bruke ordet vann også om is, som er frosset vann, og om vanndamp som er vann som en gass.
Vann er en kjemisk forbindelse mellom hydrogen og oksygen med strukturformel H2O. Vann er trivialnavnet. Det systematiske navnet er dihydrogenoksid. Molekylet er vinklet med H-O-H vinkel på 104,5o. Da oksygen er mer elektronegativt enn hydrogen er vannmolekylet et polart molekyl.
Vann er derfor et utmerket løsemiddel for polare forbindelser. Mange av de kjemiske reaksjoner som foregår på jorden og i oss mennesker og alt annet levende, involverer vann eller foregår løst i vann.
Det er flere isotoper av hydrogen og oksygen og alle finnes i vann. Den mest alminnelige er 1H216O. Vann som består hovedsakelig av 2H216O (ofte skrevet D2O) kalles tungtvann.
Vitenskapen om vannets forekomst, kretsløp og fordeling på landjorden kalles hydrologi så hvis du vil vite mer om det slå opp der. Hvis du vil vite mer om vann i havet se hav.
Historie
Fra oldtiden og frem til slutten av 1700-tallet ble vann betraktet som ett av de fire elementer (se alkymi). H. Cavendish og A. L. Lavoisier fant at vann består av hydrogen og oksygen i 1784. John Dalton skrev strukturformelen for vann som HO i 1810, men først på midten av 1800-tallet ble kjemikere enig om at strukturformelen for vann er H2O.
Forekomst
Hele 3/4 av Jordens overflate er dekket av vann, i væskeform eller i fast form som is. Men også den resterende firedel har store forekomster av vann, blant annet i elver, innsjøer og isbreer. Jord- og berggrunnen inneholder dessuten grunnvann og levende planter og dyr inneholder store mengder vann. Innholdet av vanndamp i atmosfæren varierer med temperaturen. I tropene er mengden opp mot 3 volumprosent, i polarstrøkene bare noen tidels prosent eller mindre. Ved temperatur- og trykkforandringer avgis vanndamp i atmosfæren i flytende form som regn, eller i fast form som rim, snø eller hagl. Omvendt foregår det en stadig tilbakeføring av vann til atmosfæren ved fordampning. I motsetning til Jordens forråd av f.eks. mineralske råstoffer blir mengden vann bare uvesentlig forandret ved det forbruk som finner sted. Tallrike mineraler inneholder kjemisk bundet vann i form av krystallvann eller hydratvann. Den totale vannmengden i hav, sjøer, elver, jord, fjell og atmosfære blir angitt til 1650 mill. km3, hvorav ca. 257 mill. km3 er kjemisk bundet. Den delen som foreligger i flytende form (hovedsakelig i hav), antas å utgjøre 1370 mill. km3, som is antas å foreligge 16,8 mill. km3 og som damp i atmosfæren 13 000 km3. – Vanndamp er også blitt påvist i det interstellare rom og i atmosfæren til Mars og Jupiter. Ulike kjøretøyer som er sendt til Mars, har funnet spor etter rennende vann på planeten.
Ferskvann
Av det vann som forekommer i naturen, er regnvann relativt renest, fordi det alt har gjennomgått en naturlig destillasjonsprosess. Det inneholder imidlertid støvpartikler, en del salter (hovedsakelig ammonium- og natriumsalter) og løste gasser (nitrogen, oksygen og karbondioksid) tatt opp fra luften, iblant også industrielle gasser som svoveldioksid, nitrogenoksider, hydrogensulfid m.fl.
Kildevann
Kildevann, rent elvevann og grunnvann inneholder som regel 0,01– 0,2 vektprosent løste, uorganiske stoffer, hovedsakelig kalsium- og magnesiumsalter. Når inneholdet av disse saltene er lite, kalles vannet bløtt. Er det større mengder, sies vannet å være hardt. Kildevann som inneholder større mengder løste salter og/gassformige stoffer, kalles naturlig mineralvann. Slikt vann tilskrives ofte legende virkning alt etter de stoffer det inneholder, og danner grunnlaget for en rekke kjente kurbad i forskjellige land. Kunstig mineralvann fremstilles i store mengder (se mineralvann).
Havvann
Havvann fra de store åpne hav inneholder gjennomsnittlig ca. 3,5 vektprosent løste salter, hvorav ca. 2,7 vektprosent er natriumklorid. De øvrige salter representerer ca. 50 grunnstoffer, hovedsakelig magnesium, kalsium, kalium, klor, brom, jod, svovel og karbon. Havvannets totale innhold av tunge metaller er av størrelsesorden 108–1010 tonn. Se også hav. Om forekomst av mangan, nikkel, kobolt, kobber og jern på havbunnen, se manganknoller.Se også vannressurser.
Vannets kretsløp i naturen
Det hydrologiske kretsløp, vannets sirkulasjon mellom havene, atmosfæren og Jordens overflate, veksler mellom is, flytende vann og vanndamp. Vannet er i stadig bevegelse, fra havene til luften ved fordampning, og tilbake til havene og landjorden som nedbør. Fordampning fra åpne vannflater eller transpirasjon fra vegetasjonen bringer vanndamp opp i luften igjen. Infiltrasjon gjennom jordoverflaten fører vann til den umettede sonen mellom overflaten og grunnvannspeilet, og videre til grunnvannet. Elvene får sitt vann dels ved direkte avløp av regn og smeltet snø og is på jordoverflaten, dels fra grunnvannet hvor det kommer til overflaten i kilder. Grunnvannet gir sitt bidrag til vassdragene også under vannoverflaten, og det drenerer direkte til havene langs kysten.
Vannet kan oppholde seg i lang tid i snødekke, isbreer, innsjøer eller grunnvann, men er hele tiden i bevegelse tilbake til havene. Oppholdstiden i grunnvann og breer kan være årtusener; i atmosfæren derimot (som dråper, ispartikler og vanndamp) er oppholdstiden kort, i gjennomsnitt ca. 10 døgn.
Størstedelen av det vannet som årlig sirkulerer, fordamper fra havene (502 800 km3) og faller som nedbør tilbake på havene (458 000 km3). Differansen løper årlig tilbake til havene fra landjorden, enten i vassdragene (42 700 km3) eller direkte fra grunnvannet langs kysten (2100 km3). (Tallverdiene er overslag.)
Rensing av vann
Til drikkevann er kildevann i alminnelighet best egnet. I mangel av dette bruker man grunnvann eller overflatevann fra innsjøer og elver eller regnvann. Alt etter de forurensninger vannet inneholder og den anvendelse vannet skal ha, blir det underkastet renseprosesser av mekanisk og kjemisk art. Se vannrensing. (Se også drikkevann, hardt vann, vannforurensning.)
Avløpsvann er forurenset vann fra husholdninger og industri. Vann fra fra oppvask, dusj osv. kalles ofte grått vann, mens vann fra toaletter kalles svart vann.
Vann til laboratorieformål
For mange formål, særlig i kjemiske laboratorier og i medisinen, er det nødvendig å rense vannet ved destillasjon. Derved unnviker andre gasser som er løst i vannet, mens saltene blir tilbake som faste stoffer i destillasjonskaret. For å få fullstendig rent vann, kreves gjentatt destillasjon i apparater av kvartsglass eller edelmetaller, der den midlere, reneste fraksjonen fanges opp i et forlag av edelmetall.
Istedenfor å destillere er man i stor utstrekning gått over til å rense vann ved hjelp av ionebyttere. En utmerket indikator for vannets renhetsgrad er dets elektriske ledningsevne som avtar med voksende renhet. Fullstendig rent vann har ved romtemperatur en konduktivitet på 10−6 siemens per meter (S/m). Det minste spor av salter eller karbondioksid fra luften øker vannets ledningsevne betraktelig pga. ionene som forurensningene gir opphav til. Særskilt rent vann til ledningsevnemålinger har f.eks. en konduktivitet på 1 · 10−4 S/m, dvs. 25 ganger mer enn helt rent vann.
Fysiske egenskaper
Rent vann er ved alminnelig temperatur en klar, gjennomsiktig væske uten lukt og smak, i tynne sjikt fargeløst, i tykkere sjikt blålig. Ved 0,101 MPa trykk fryser rent, luftfritt vann ved 0,0024 °C, luftmettet rent vann ved 0 °C. Vannets kokepunkt er definisjonsmessig satt til 100 °C ved 0,101 MPa.
Vann har en rekke bemerkelsesverdige egenskaper som gjør at det i mange henseender inntar en særstilling blant ikke-metallenes hydrogenforbindelser. Vannets densitet har maksimum ved 3,98 °C på 1,00000 g/cm3. Ved 0 °C er densiteten 0,99987 g/cm3, ved 10 °C 0,99973 g/cm3, ved 50 °C 0,98807 og ved 100 °C 0,95838 g/cm3. Temperaturavhengigheten av densiteten er bl.a. årsaken til at dype innsjøer ikke så lett fryser om vinteren. Ved avkjøling til 4 °C vil det stadig tyngre vannet synke til bunns, mens lettere og varmere vann vil stige til overflaten. Dette fortsetter inntil alt vannet er avkjølt til 4 °C. Ved ytterligere avkjøling vil vannet bli lettere igjen og derfor holde seg på overflaten, hvor det til slutt fryser til is. Ved 0 °C er isens densitet 0,916748 g/cm3. Siden isen er lettere enn vann, vil den forbli på overflaten, og virke isolerende slik at kulden langsomt vil trenge ned mot større dyp. Densitetsforskjellen mellom vann og is er videre årsaken til at isfjell flyter med 12 % av fjellet synlig.
Volumutvidelsen når vann størkner er 9 %, og dette bevirker at vannledninger og flasker fylt med vann sprenges i stykker ved frysing. Utvidelsen fører også til at vann som trenger inn i fjellsprekker, sprenger fjellmasser fra hverandre når det fryser.
Siden omvandlingen fra is til vann er forbundet med volumkontraksjon, vil væskefasen stabiliseres ved økt trykk. Smeltepunktet vil dermed avta med voksende trykk, 0,01 °C for hver atmosfæres trykkstigning, og er ved 203 MPa −22 °C.
Sammenlignet med andre lavtsmeltende forbindelser har is ved 0 °C en meget stor smeltevarme, 333,7 J/g. Ved 100 °C har det meget stor fordampningsvarme, 2,257 kJ/g, og også en rekke andre egenskaper er større hos vann enn hos sammenlignbare forbindelser: f.eks. (ved 25 °C): spesifikk varmekapasitet 4,1855 J/(g · K), overflatespenning 7,196 · 10−2 N/m, viskositet 8,904 · 10−4 Pa · s, dielektrisitetskonstant 78,54 m.fl.
Allerede ved lave temperaturer har vann et merkbart damptrykk. Metningstrykket ved noen temperaturer er angitt i tabell. Temperaturene i tabellen gir samtidig opplysning om vannets kokepunkt ved de tilhørende trykk. Vi ser at kokepunktet stiger med voksende trykk. Vannets trippelpunkt, dvs. temperatur-trykkbetingelsene der vann og vanndamp er i likevekt, er 0,01 °C = 273,16 K og 0,610 kPa. Kritisk temperatur for vanndamp er 374,15 °C, kritisk trykk 22,1 MPa.
Vannmolekylets og vannets struktur
Vannmolekylet H2O er vinkelformet. Vinkelen mellom de to O–H-bindingene er 104,5°, og avstanden O–H er 0,096 nm.
Fordi hver O–H-binding er delvis polar, får molekylet et betydelig elektrisk dipolmoment p = 6,17 · 10−30 coulomb · meter (Cm). Disse egenskapene sammen med de dielektriske egenskapene er årsaken til at vann er et meget godt løsemiddel, især for polare stoffer. Også vannmolekylets tilbøyelighet til å være ligand i kompleksioner, til å inngå som krystallvann i hydratiserte, faste stoffer og dannelsen av hydrogenbindinger i is og vann, kan man forklare ved vannets dipolkarakter.
Vannmolekylet har to ledige elektronpar på oksygenatomet (se figur i margen). Da O er mer elektronegativt enn H vil O-atomet være negativt ladd og G-atomene positivt ladd. Mellom to vannmolekyler vil det derfor dannes en hydrogenbinding: O–H…O. Det forklarer at i is er hvert vannmolekyl omgitt av fire andre vannmolekyler: to som donor og to som akseptor, men da H-O-H vinkelen er 104,5o mens vinkelen mellom hydrogenbindingene er 109,5o (tetraedervinkelen) passer ikke vannmolekylet helt inn. Det forklare hvorfor det er funnet 13 forskjellige former for is avhengig av hva trykket og temperaturen for isen er. Den formen av is som dannes ved vanlig trykk og temperaturer kalles heksagonal is.
Strukturen av alle disse formene for is er godt kjent. Strukturen av vann derimot er mindre godt kjent. Da vann har høyere densitet enn is er det rimelig å tro at når isen smelter, brytes strukturen delvis ned slik at vannmolekylene blir pakket tettere sammen, men mange av hydrogenbindingene blir bevart i den omdannede formen. Over 0 °C brytes strukture mer opp, og vannets densitet øker opp til 3,98 °C. Deretter vil den normale ekspansjon, som skyldes molekylenes økende bevegelser, dominere, og densiteten avtar med voksende temperatur slik den vanligvis gjør for alle stoffer.
Det er hydrogenbindingene som gjør at smelte- og kokepunktet for is/vann er meget høyere enn de andre forbindelsene H2X hvor X er et grunnstoff i gruppe 16 i periodesystemet: svovel, selen og tellur. I disse forbindelsene gjør hydrogenbindinger seg lite gjeldende. Dersom hydrogenbindinger ikke hadde foreligget for vann, ville H2O ha vært gass ved alminnelig temperatur, og liv ville ikke ha vært mulig på Jorden. (Se hydrogenbinding.)
Kjemiske egenskaper
Vann er en meget bestandig kjemisk forbindelse, med stor negativ dannelsesentalpi. Den kjemiske bindingen mellom hydrogen og oksygen i vannmolekylet er dermed meget sterk og lar seg bare bryte ved tilførsel av forholdsvis store energimengder.
Rent vann er kjemisk nøytralt. Ved 25 °C er pH = 7, dvs. at de molare konsentrasjoner av oksoniumionene [H3O+] og hydroksidionene [OH−] er begge 10−7 mol/l. Vannets ioneprodukt ved 25 °C er:Kv = [H3O+][OH−] = 10−14
Vann kan reagere både som syre og base (se syrer). I begge tilfeller har vann meget svake protolytiske egenskaper. Ved 25 °C har vann dissosiasjonsgraden α = 1,8 · 10−9, dvs. at bare 1,8 · 10−7 % av vann, eller bare ett av 555 millioner vannmolekyler, er spaltet i oksoniumnetioner og hydroksidioner etter reaksjonsligningen:
2H2O ↔ H3O+ + OH−
Dannelse, reaksjoner
Vann dannes ved forbrenninger av stoffer som inneholder hydrogen, ved knallgassreaksjonen (se knallgass), ved autogen sveising og ved mange andre kjemiske reaksjoner.
Til tross for sin store stabilitet, deltar vann i en lang rekke kjemiske reaksjoner. Med oksidasjonsmidler, f.eks. klor, får man utvikling av oksygengass
6H2O(l) + 2Cl2(g) ↔ 4H3O+(aq) + Cl-(aq) + O2(g)
og med reduksjonsmidler, f.eks. natrium, utvikling av hydrogengass:
2H2O(l) + 2Na(s) → 2Na+(aq) + 2OH-(aq) + H2(g)
Flere vannfrie forbindelser, særlig salter av innskuddsmetallene, reagerer med vann under fargeforandring, f.eks. lyseblått kobolt(II)klorid farger vann rødt fordi det dannes et koboltkompleks med vann som er rødt.
Vann reagerer med mange oksider. Alt etter oksidets art blir løsningen sur eller basisk. Reaksjon med kalsiumoksid gir basisk kalsiumhydroksid:
CaO(s) + H2O(l) → Ca2+(aq) + 2OH-(aq)
mens med fosfor(V)oksid dannes fosforsyre:
P2O5 (aq) + 3H2O(l) → 2H3PO4(aq)
Metningstrykk ved noen temperaturer
| 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 |
Les mer i Store norske leksikon
- Is − vann i fast form
- Vann − fysiologisk betydning
- Om vannforbruk, se vannforsyning og vannressurser.
- Om vannavløp, se kloakkanlegg.
- Om vann i tro og kultur, se livets vann og vievann.