Vann er den mest utbredte og brukte kjemiske forbindelse på jorden. Vanligvis brukes ordet vann om forbindelsen i flytende form, men her vil vi bruke ordet vann også om is og snø, som er frosset vann, og om vanndamp som er vann som gass.
Vann er en kjemisk forbindelse mellom hydrogen og oksygen med strukturformel H2O. Vann er trivialnavnet. Det systematiske navnet er dihydrogenoksid, men det navnet brukes sjelden. Molekylet er vinklet med H-O-H vinkel på 104,5o og avstanden O–H er 96 pm (se figuren i margen). På oksygenatomet er det to ledige elektronpar (se figuren i margen).
Da oksygen er mer elektronegativt enn hydrogen er vannmolekylet et polart molekyl med et dipolmoment på 6,17 · 10−30 Cm. Vann er derfor et utmerket løsemiddel for polare forbindelser. Det forklarer også hvorfor vann så ofte er ligand i kompleksforbindelser, og hvorfor det så ofte inngår som krystallvann i faste stoffer.
Mange av de kjemiske reaksjoner som foregår på jorden og i oss mennesker og alt annet levende, involverer vann eller foregår løst i vann.
Vannets trippelpunkt brukes til å definere temperaturskalaen: temperaturen er satt lik 273,16 K = 0,01 oC. Dette er mer nøyaktig enn den tidligere definisjonen hvor smeltepunktet for is var satt til 0 oC og kokepunktet til 100 oC.
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). Men på slutten av 1700-tallet ble et element/et grunnstoff definert som et stoff som ikke lar seg spalte i andre stoffer. Flere forskere viste at vann kunne spaltes i hydrogen- og oksygengass. Dessuten reagerer hydrogengass og oksygengass og gir vann. Dermed var det vist at vann ikke er et grunnstoff, men en kjemisk forbindelse. Selv om flere forskere bidro til denne nye kunnskapen er det Antoine Laurent Lavoisier som har fått største delen av æren.
Lavoisier skrev ingen kjemiske formler. Den første som skrev en formel for vann var John Dalton. Han skrev strukturformelen for vann som HO i 1810. Først på midten av 1800-tallet ble kjemikere enig om at strukturformelen for vann er H2O.
Forekomst
75 % av Jordens overflate er dekket av vann, i væskeform eller i fast form som is. Men også landjorden har store forekomster av vann, blant annet i elver, innsjøer og isbreer. Jord- og berggrunnen inneholder dessuten grunnvann og levende planter og dyr inneholder mye 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 (se nedenfor) eller hagl. Omvendt foregår det en stadig tilbakeføring av vann til atmosfæren ved fordampning. I motsetning til Jordens forråd av f.eks. mineralske råstoffer er mengden vann på Jorden konstant.
Mange mineraler er hydrater som inneholder bundet vann i form av krystallvann (f. eks. gips).
Den totale vannmengden i hav, sjøer, elver, jord, fjell og atmosfære på jorden er angitt til 1 386 mill. km3, hvorav ca. 24,064 mill. km3 er is og snø. Den delen som foreligger i flytende form (hovedsakelig i hav), antas å utgjøre 1 338 mill. km3, som grunnvann 23,400 km3 og som damp i atmosfæren 12 900 km3.
Vannmolekyler er også blitt påvist i det interstellare rom og i atmosfæren til Mars og Jupiter (se Astrokjemi). Kjøretøyer som er sendt til Mars, har funnet spor etter rennende vann på planeten.
Strukturen av is
Vannmolekylet har to ledige elektronpar på oksygenatomet (se elektronprikkformelen for vann i figuren i margen ovenfor). Da O er mer elektronegativt enn H vil O-atomet være negativt ladd og H-atomene positivt ladd. Mellom to vannmolekyler vil det derfor kunne dannes en hydrogenbinding: O–H…O. Det kan forklare at i is er hvert vannmolekyl omgitt av fire andre vannmolekyler: to som donor og to som akseptor av en hydrogenbinding (se figuren i margen). O-atomene i is har de samme posisjonene som karbonatomene i diamant.
Da H-O-H vinkelen er 104,5o mens vinkelen mellom hydrogenbindingene er 109,5o passer ikke vannmolekylet helt inn. Det kan forklare hvorfor det er funnet 17 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.
Snøkrystaller
Snøkrystaller dannes høyt oppe i atmosfæren når vann kondenserer på små partikler. Krystallene har mange former og formen avhenger av trykket og temperaturen de ble dannet ved og temperatur og vanndamptrykket på deres vei ned mot bakken. Snøkrystaller har vært studert av mange forskere og er omtalt bibelen. Olaus Magnus publiserte de første bildene av snøkrystaller i 1555. Siden har han blitt fulgt av mange, og iskrystaller kan i dag gros i et laboratorium. Du kan finne mange bilder av iskrystaller på Internett (se etter snow crystals).
Kunstig snø lages i snøkanoner. Den snøen har andre egenskaper enn naturlig snø. På engelsk har den derfor fått et eget navn: snice. Den er hardere og mer kompakt enn naturlig snø og kan også brukes som bygningsmateriale. Tilsetting av fibre til isen gjør den sterkere.
Strukturen av vann
Strukturen av vann er mindre godt kjent enn strukturen av de forskjellige modifikasjonene av is. Det skyldes at vi har mange flere, og nøyaktigere metoder, for å bestemme hvordan atomene er plassert i en krystall enn i en væske. Dessuten i en væske er strukturen dynamisk. Bindinger mellom molekylene brytes stadig, H+ atomene hopper fra vannmolekyl til nabomolekyl, og vannmolekylene diffunderer fra sted til sted. Da vann har høyere tetthet enn is er det rimelig å tro at når isen smelter, brytes strukturen delvis ned slik at vannmolekylene blir pakket tettere sammen, mens det fortsatt er hydrogenbindinger mellom vannmolekylene. Over 0 °C brytes strukturen mer opp, og vannets tetthet øker opp til 4 °C. Deretter vil den normale ekspansjon, som skyldes molekylenes økende bevegelser, dominere, og tettheten 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 (se figur i margen). Uten hydrogenbindinger ville is smelte ved ca. -100 oC og koke ved ca. -80 oC. (Figuren viser også at det er hydrogenbindinger mellom HF-molekylene og NH3-molekylene, men ikke mellom CH4-molekylene.)
Strukturen av vanndamp
I vanndamp er vannmolekylene frie og bare ved temperatur nær kokepunktet og når molekylene støter sammen vil krefter mellom molekylene gjøre seg gjeldende se van der Waals.
Vann som løsemiddel
Vann er et utmerket løsemiddel for polare stoffer som salter. I laboratorier og til medisinsk bruk er det nødvendig å rense vannet. Det kan gjøres ved destillasjon. Da unnviker gasser som er løst i vannet, mens saltene blir tilbake. 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.
Vann kan også renses ved hjelp av en ionebytter.
Et mål for vannets renhetsgrad er ledningsevnen som avtar med voksende renhet. Fullstendig rent vann har ved romtemperatur en konduktivitet på 10−6 S/m. Det minste spor av salter eller karbondioksid fra luften øker vannets ledningsevne betraktelig.
Fysiske egenskaper til vann som væske
Rent vann er ved romtemperatur en klar, gjennomsiktig væske uten lukt og smak, i tynne sjikt fargeløst, i tykkere sjikt blålig.
Vann har en rekke bemerkelsesverdige egenskaper som gjør at det i mange henseender inntar en særstilling blant ikke-metallenes hydrogenforbindelser. Temperaturavhengigheten av tettheten 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. Siden is har mindre tetthet enn vann, vil isen forbli på overflaten, og virke isolerende slik at kulden langsomt vil trenge ned mot større dyp.
Tetthetsforskjellen mellom vann og is er årsaken til at isfjell flyter med 12 % av fjellet synlig.
Volumutvidelsen når vann fryser til is er 9 %, og dette fører til 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.
Kjemiske egenskaper til vann
Vann er en meget bestandig kjemisk forbindelse, med stor negativ dannelsesentalpi. Den kjemiske bindingen mellom hydrogen og oksygen i vannmolekylet er sterk og brytes bare ved tilførsel av forholdsvis store energimengder.
Selv i rent vann er det noen oksoniumioner og hydroksylioner:
2H2O(l) ↔ H3O+(q) + OH-(aq)
Vannets ioneprodukt er [H3O+].[OH−] = Kw = 1,0. 10−14 (mol/L)2 ved 25 o
I rent vann er konsentrasjonen av oksoniumioener og hydroksidioner like store dvs. at ved ved 25 °C er begge 10−7 mol/l. Følgelig er:
pH = -log[H3O+] = 7,0
Løsningen er sur når pH < 7 og basisk når pH > 7 (se pH og syrer).
Dannelse, reaksjoner
Vann dannes ved forbrenninger av stoffer som inneholder hydrogen, ved knallgassreaksjonen (se knallgass), ved 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) + 4Cl-(aq) + O2(g)
og med reduksjonsmidler, f.eks. natrium, utvikling av hydrogengass:
2H2O(l) + 2Na(s) → 2Na+(aq) + 2OH-(aq) + H2(g)
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 |
Litteratur
Ivar Olovsson: Snow, Ice and other Wonders of Water. A tribute to the Hydrogen Bond. World Scientific (2016).
Les mer i Store norske leksikon
- Vann − fysiologisk betydning
- Om vannforbruk, se vannforsyning og vannressurser.
- Om vannavløp, se kloakkanlegg.
- Om vann i tro og kultur, se livets vann og vievann.