Vatn

Denne artikkelen handlar om det kjemiske stoffet. For den geografiske formasjonen, sjå innsjø.

Generelt
Namn	Vatn
Kjemisk formel	H2O
Utsjånad	Fargelaus væske
Diagram over eit vassmolekyl med dimensjonar
Fysiske eigenskapar
Molekylvekt	18,01528 u
Smeltepunkt	273,15 K (0°C)
Kokepunkt	373,15 K (100°C)
Kritisk temperatur	674 K
Kritisk trykk	22,1 ×106 Pa
Tettleik	1,0 ×10³ kg/m³
Termokjemiske eigenskapar
ΔfH0gass	-241,83 kJ/mol
ΔfH0væske	-285,83 kJ/mol
ΔfH0fast	-291,83 kJ/mol
S0gass, 1 bar	188,84 J/mol·K
S0væske, 1 bar	69,95 J/mol·K
S0fast	41 J/mol·K
Tryggleik
Inntak	Vatn er livsnødvendig, men overdrive inntak kan gje hovudpine, forvirring og kramper – og kan vera dødeleg ved stort inntak etter forutgåande dehydrering.
Innånding	Vassdamp er ugiftig og uskadeleg så framt han ikkje er for varm. Kvelning i vatn kallast drukning.
Hud	Langvarig nedsenking i vatn kan føre til avskalling av hud.
Auge	Ferskvatn og sterkt saltvatn kan vera ubehageleg for augene, men er ufarleg over korte tidsrom. Svakt saltvatn – kring 1 % (10 g/l) – tilsvarar kroppsvæske og er mest behageleg for å skylla augene.
SI-einingar er brukt der det er mogleg. Standard temperatur og trykk er brukt unntatt der det er avmerkt.

Vatn er eit kjemisk stoff som finst nesten overalt på jorda og er nødvendig for alt kjent liv. Det finst i flytande form i livsformene på jorda, i vatn, elvar og hav, i dampform i lufta, og i fast form som is eller snø i kalde område. Om lag 70 % av overflata på Jorda er dekt av vatn.

Vassmassar

Ein vassmasse kan vera eit osean, hav, ein innsjø, ei elv, ein bekk, kanal, dam, og så bortetter. Desse har vorte brukte av menneska i uminnelege tider, mellom anna til transport, fiske og jordbruk. Vassmassane er fylde av kraft og næring, men kan òg trua menneska med flaum og flodbølgjer.

Ein reknar med at den totale vassmengda på jorda er ca. 1,36 milliardar km³, det vil seia 1,36 milliardar milliardar m³. Mesteparten av dette finst i havet, ca. 97,2 %. Resten er ferskvatn. 77 % av ferskvatnet ligg i frosen tilstand som brear og innlandsis, 22% under bakkenivå som grunnvatn, og berre 0,8% (0,2 promille av alt vatn) i vassdrag, elvar og (inn)sjøar. Berre 0,001 % av vatnet svever som vassdamp i atmosfæren.

Flytande vatn er ein føresetnad for alt kjent liv, frå bakteriar til blåkval. Sidan flytande vatn berre finst mellom frysepunktet 0 °C og kokepunktet 100 °C, må middeltemperaturen på ein planet eller delar av planeten vera mellom 0 °C og 100 °C for å stette liv, og temperaturen må ikkje vera utanfor desse grensene i lange periodar.

Is

Is er vatn (H₂O) i fast tilstand. Vatn blir is, ein seier at det frys, når det har temperatur under 0° celsius ved normalt atmosfæretrykk. Når vatn går over til is, vert det frigjort varme og motsett, noko som gjer at temperaturen i ei blanding av is og vatn alltid vil vera null grader, til den berre inneheld vatn eller berre is. Frose vatn har lågare tettleik enn vatn i flytande form, ein kjemisk eigenskap som er svært uvanleg. Det gjer at is berre vert danna på yta av vassmassar, noko som har ein fundamental påverknad på klimaet på planetar som jorda. (Meir om dette under «tettleik» nedanfor.)

Kjemi

Kjemisk oppbygging

Den kjemiske sambindinga vatn er eit polart molekyl. Det er flytande under standard temperatur og trykk (0°C, 1 atm [101,325 kPa]). Den kjemiske formelen er H₂O, som vil seia at eit vassmolekyl er bygd opp av to hydrogen-atom og eit oksygen-atom.

Vatn i fast form er kjent som is; i gassform som damp. Dei vanlege temperatureiningane Celsius og Kelvin er definert ut frå trippelpunktet til vatn ved 273,16 K (0.01 °C) og 611,2 Pa (0,006 atm. Under desse høva er fast, flytande og gassforma vatn i jamvekt.

water molecule 3D animation

Vatn viser ganske merkeleg åtferd, som å kunna finnast som glasaktig is, ei ikkje-krystallinsk fast form av vatn. Ved temperaturar over 647 K og trykk over 22,064 MPa, vil vatn gå over i ein superkritisk tilstand, der væskeliknande grupper flyt inni ein gassliknande fase. Dette førekjem sjeldan i naturen.

Tettleik

Flytande vatn har høgast tettleik ved 3,98°C. Dette har ein interessant konsekvens for livet i vatnet om vinteren. Vatn som blir avkjølt ved overflata blir tyngre og søkk. Det fører til konveksjonsstraumar som kjøler ned heile vatnet. Når overflata blir kjølt under 4 °C blir ho derimot lettare, konveksjonsstraumane stoggar, og er det kaldt nok, frys overflata til is som verkar som eit isolerande lag som kan seinka vidare nedkjøling og botnfrysing. Dermed kan fisk og andre organismar leva vidare i vatnet som held ca. 4 °C på botnen. (Grunt vatn vil likevel botnfrysa ved sterk kulde.)

Når vatn frys til is aukar volumet med om lag 10 %. Ei fylgje av at vatn utvidar seg når det frys, er at is smeltar om han blir utsett for høgt nok trykk.

Polaritet

Vassmolekylet H₂O er vinkla, med oksygen i spissen og hydrogenatom ytst. Fordi oksygen har høgre elektronegativitet enn hydrogen, har oksygenatomet si side delvis negativ ladning i høve til hydrogensida.

Vatn er difor ein dipol som kan danna ein spesiell type binding, ei hydrogenbinding, med seg sjølv eller med andre polare molekyl. Dette er ei svak binding, men ettersom svært mange molekyl dannar henne gjer ho vatnet nokre svært viktige eigenskapar. Det er mellom anna mykje vanskelegare å varma opp enn tilsvarande molekyl; vatn har eit høgt kokepunkt og ein høg varmekapasitet. Det er òg hydrogenbindinga som gjer at vatn utvidar seg når det frys.

Les meir under hydrogenbinding

Kohesjon og overflatespenning

Dei sterke hydrogenbindingane gjev vatnet høg kohesjon og dermed overflatespenning. Dette er tydeleg om ein har vatn på ei overflate som er upolar eller ikkje løyseleg i vatn. Vatnet held seg samla i dropar. Denne evna er viktig når planter fraktar vatn gjennom stengelen; dei sterke intramolekylære kreftene held vatnet samla og bidreg til hårrørskreftene. Andre væsker vil ha ein mykje større tendens til å danna luftlommer eller vakuum og dermed stansa væsketilførsla.

Vatn som løysemiddel

Vatn er òg eit godt løysemiddel på grunn av polariteten sin. Eigenskapane som løysemiddel er livsviktige i biologi, av di mange biokjemiske reaksjonar skjer berre i vasshaldige løysingar (t.d. reaksjonar i celleslimet og blodet). I tillegg blir vatn brukt til å frakta biologiske molekyl.

Salt løyser seg lett i vatn

Når ei ionisk eller polar forbinding kjem i kontakt med vatn blir ho omringa av vassmolekyl. Sidan vassmolekyla er relativt små kan dei heilt omringa eit oppløyst molekyl. Den delvis negativt ladde sida (oksygenet) av vassmolekyla blir trekt til dei positivt ladde delane av det som er oppløyst, og motsett for den positive sida (hydrogenet).

Generelt løyser ioniske og polare substansar som syrer, alkoholar, sukker og salt seg lett med vann, medan ikkje-polare substansar som feitt og olje ikkje gjer det.

Ikkje-polare molekyl held seg saman i vatn av di det er energetisk meir gunstig for vassmolekyla å hydrogenbinda seg med kvarandre enn å gå inn i van der Waals-bindingar med ikkje-polare molekyl.

Eit døme på ei ionisk løysing er saltvatn. Saltet vil dele seg opp i Na⁺ kation og Cl^– anion. Kvart ion vil bli omringa av vassmolekyl. Iona blir då lett frakta ut av krystallgitter sitt og inn i løysinga.

Eit døme på ei ikkje-ionisk løysing er sukkervatn. Dipolane til vatn vil hydrogenbinda seg til dei polare områda på sukkermolekylet og frakta det ut i løysinga.

Konduktivitet og elektrolyse

Reint vatn er faktisk ein isolator, noko som betyr at det ikkje leiar elektrisitet godt. Vatn har stor evne til å løyse andre stoff, særleg salt, og slike løysingar kan vera gode elektriske leiarar.

Vatn kan delast opp i hydrogen og oksygen ved å la ein elektrisk straum gå gjennom det. Denne prosessen kallast elektrolyse. Vassmolekyl skil seg naturleg til H⁺ og OH^– ion som blir trekte mot anoden og katoden. Ved katoden vil to H⁺ ion ta opp elektron og danna H₂ gass. Ved anoden går fire OH^– ion saman og dannar O₂ gass og avgir fire elektron. Gassane som blir danna, boblar opp til overflata og kan samlast.

Vanleg vatn (hydrogen-oksid) let seg lettare spalta med elektrolyse enn tungtvatn (deuterium-oksid), og ved elektrolyse av vatn kan ein difor auka konsentrasjonen av tungtvatn langt over den naturlege delen på ca. 1/6000. Dette er likevel svært energikrevjande og kostbart, og er ikkje vanleg praksis.

Når ein finn vatn på månen og andre planetar, er det teoretisk mogleg gjennom soldrieen elektrolyse å spalta dette til hydrogen og oksygen som kan brukast som drivstoff til romskip og som surstoff til mannskap og drivhus.

Reaktivitet og pH

Kjemisk er vatn amfotært ved at det kan oppføra seg som både syre og base; det kan både oppgi og motta hydrogenion (H⁺). Namnet hydroksisyre blir nokre gonger brukt om vatn når det opptrer som ei syre i ein kjemisk reaksjon.

pH er eit mål på konsentrasjonen av hydrogenion (H⁺) i ei løysing, medan pOH er eit mål på konsentrasjonen av hydroksidion (OH^–). Jo lågare pH, jo høgre er konsentrasjonen av H⁺. I vatn ved romtemperatur er produktet av konsentrasjonane av H⁺ og OH^– alltid 10^-14 (mol/l)² – summen av pH og pOH er 14. Ved pH 7 er konsentrasjonen av H⁺ og OH^– lik, og løysinga er nøytral. Dersom denne likevekta blir forstyrra, blir løysinga sur (lågare pH; meir H⁺) eller basisk (høgre pH; meir OH^–).

Det systematiske syrenamnet for vatn er hydroksisyre, medan det systematiske basenamnet er hydrogenhydroksid. Det bør nemnast at vatn åleine er korkje syre eller base, men kan altså opptre som ei svak syre i nærvær av ein sterk base eller som ein svak base i nærvær av ei sterk syre.

I teorien har reint vatn pH 7, men i praksis er reint vann svært vanskeleg å framstilla. Vatn som er i kontakt med luft over ei viss tid tek raskt opp karbondioksid frå lufta og dannar ei løysing av karbonsyre (kolsyre) med likevekt-pH kring 5,7. Vatnet i springen har gjerne ein pH på om lag 5,5. (Referanse: Kendall J (1916), Journal of the American Chemical Society, 38(11), 2460-2466.)

«Dihydrogenmonoksid»

Kjemikarar omtalar tidvis vatn spøkefullt som dihydrogenmonoksid eller DHMO, molekylet sitt systematisk kovalente namn, særleg i parodiar på kjemisk forsking som krev forbod mot dette «farlege kjemikaliet» . I byen Aliso Viejo i California blei isoporkoppar nær bannlyst då det vart kjent at DHMO var brukt i produksjonen .

Vatn i kulturen

Eit grunnleggjande element

Vatn er eit av dei klassiske fire elementa saman med eld, jord og luft i gresk filosofi og alkymi. Av desse er vatnet kaldt og vått. I kinesisk taoisme er vatn òg blant dei fem elementa, saman med luft, eld, tre og metall. Innan kosmologien har vatn blitt sett på som ylem, eller det grunnleggjande materialet i universet. I teorien om dei fire kroppsvæskene er vatnet forbunde med slim.

Reinsande vatn

Me vaskar oss med vatn for å bli reine, men i mange kulturar har vatn òg fått symbolsk tyding. I desse kan ein bli sjeleleg rein ved hjelp av vatn, ved å vaska seg i det eller såvidt røra ved det. Slikt reinskande vatn er ofte forskjellig frå vanleg vatn. Det kan vera at det må vera «levande», det vil sei vatn som kjem frå regn eller i ei elv, ikkje stilleståande. Vatn kan verta heilag ved å verta signa (sjå vievatn) eller ha kontakt med ein heilag person.

Religionen islam er kjend for strenge krav om vasking, særleg før bøn. Også jødedommen og hinduismen skal ein vaska seg etter visse hendingar, til dømes barnefødsel eller dødsfall. For å verta rekna som kristen bruker dei fleste kristne samfunn ein dåp med vatn, enten full neddykking eller berre ein skvett på hovudet.

Vassrettar og utvikling

I følgje UNESCO sitt internasjonale vassforskingsprogram og rapporten deira World Water Development Report frå 2003 vil verda i løpet av dei neste 20 åra oppleva ein mangel på drikkevatn utan sidestykke i historia. Ein reknar med at mengda av ålment tilgjengeleg, brukbart vatn vil minske med 30 prosent i denne perioden. Årsakene er forureining, global oppvarming og politisk strid.

40 prosent av verdas folk har for lite vatn til eit minimum av hygieniske føremål. Meir enn 2,2 millionar menneske døydde av sjukdomar knytte til inntak av forureina vatn i år 2000.

Rapporten fortel om store globale skilnader i volumet av tilgjengeleg vatn per person, frå 10 000 liter årleg i Kuwait til meir enn 810 000 000 liter årleg i Fransk Guyana. Men rike land som Kuwait kan lettare enn fattige land håndtera eit relativt vassunderskot.

Sjå òg

• Avsalting
• Dehydrering
• Drikkevatn
• Ferskvatn
• Flaum
• Hydrografi
• Hydrologi
• Kunstig vatning
• Meteorologi
• Mineralvatn
• Mpemba-effekt - kan varmt vatn fryse raskare enn kaldt?
• Nedbør
• Regn
• Saltvatn
• Spillvatn
• Tungtvatn
• Tørke
• Vassanlegg
• Vassbehandlingsanlegg
• Vasskraft
• Vievatn

Bakgrunnsstoff

Wikimedia Commons har multimedia som gjeld: Vatn

• Vatnet sin struktur og oppførsel
• Forsking på dihydrogenmonoksid
• World Water Forum
• World Water Assessment Program
• United Nations' World Water Development Report
• SAHRA - Global Water Newswatch