Vatten

 

När du druckit ett glas saft en varm sommardag har du säkert sett att isbitar flyter i saften. På samma sätt lägger sig isen ovanpå det flytande vattnet i en sjö på vintern. Det beror på att is väger mindre än flytande vatten. Medan 1 liter iskallt vatten väger precis 1,000 kg, väger 1 liter is bara 0,917 kg vid 0 °C. Is har alltså lägre densitet än flytande vatten. Densiteten anger hur mycket en viss volym av ett ämne väger. Densiteten för is 0,917 kg/liter medan den är 1,000 kg/liter för flytande vatten. Is och flytande vatten är exempel på två olika aggregationstillstånd. Ofta kallar man de olika aggregationstillstånden för faser. Det är väldigt ovanligt att den fasta fasen av ett ämne har lägre densitet än den flytande fasen. För de allra flesta ämnen är det tvärtom eftersom molekylerna rör sig mycket mer i den flytande fasen än i den fasta. Molekyler som rör sig tar oftast lite större plats. Vatten är alltså ett undantag. I flytande vatten tar molekylerna mindre plats än i is. Vatten har många ovanliga egenskaper. Många menar att dessa egenskaper är en förutsättning för att liv kan uppstå och finnas.

 

På jorden finns vatten naturligt i tre olika aggregationstillstånd

 

Vår planet kallas ofta den blå planeten. Eftersom jordytan till 71 % är täckt med vatten skimrar planeten i en blå färg då den belyses av solen. Vid bägge polerna, i Arktis och Antarktis, finns stora mängder fruset vatten. I Arktis, på norra halvklotet, flyter all is på havsytan, utom den is som är inlandsis på Grönland. I Antarktis, på södra halvklotet, är det mesta av isen lagrad i en enorm ismassa som aldrig smälter. Detta kallas för en glaciär. Det finns också mindre glaciärer på hög höjd i till exempel Alperna och i Himalaya. Men detta är inte allt vatten på jorden. Även luften, som också kallas atmosfären, innehåller vatten i form av vattenånga. Det är alltså vatten i gasfas.

 

Processen då en gas övergår till vätska kallas kondensation. Då vattenånga i atmosfären kondenserar bildas flytande små vattendroppar som syns som en fin dimma - moln. Om det dessutom är tillräckligt kallt fryser vattnet och bildar snö eller hagel. Du kan ibland se hur det bildas kondens på ett kallt fönster.

Vid normalt tryck fryser vatten vid 0 °C och kokar vid 100 °C. Vi säger att is är den stabila fasen av vatten under 0 °C och vattenånga är den stabila fasen av vatten över 100 °C. Trots att is är den stabila fasen vid låga temperaturer går det ibland att kyla vatten till temperaturer under 0 °C utan att det fryser. Vi säger då att det flytande vattnet är underkylt.

 

Att underkyla en vätska är ganska svårt. Vätskan behöver vara fri från smutspartiklar och förvaras i en behållare med slät yta. Minsta störning eller orenhet gör att vattnet fryser. De flesta regndroppar är oftast mycket rena. De kan därför underkylas då det är kallt. Då de underkylda dropparna träffar en kall och ojämn vägbana fryser de omedelbart och bildar en ishinna på vägen. Då blir det mycket halt.

 

På liknande sätt kan ånga vara övermättad. Med det menas att koncentrationen av vattenånga är så hög att den egentligen borde kondensera till vätska. Minsta störning gör då att ångan kondenserar. Du har faktiskt sett detta många gånger då du tittat upp mot himlen och sett ett flygplan åka förbi. En dag med hög luftfuktighet gör störningen från planets motorer att vattenångan i atmosfären kondenserar efter flygplanet. De vita strimmor du ser är alltså inte avgaser eller mystiska kemikalier. Det är  moln som bildats av det vatten som redan finns i atmosfären.

Vattenmolekyler hålls ihop med vätebindningar

I is sitter varje vattenmolekyl bunden till fyra andra vattenmolekyler i en bestämd struktur. Vattenmolekylen är oladdad men eftersom syreatomen gärna drar till sig elektroner kommer det att uppstå en liten positiv laddning på var och en av väteatomerna och en liten negativ laddning på syreatomen. Det kallas att vattenmolekylen är polär. Den har ändar eller poler med olika laddning. Eftersom positiva laddningar dras till negativa kommer en väteatom på en av de närmaste vattenmolekylerna att vridas så att den pekar mot syreatomen. Då uppstår en så kallad vätebindning som är ganska stark.

 

Var och en av vattenmolekylerna hålls på plats av vätebindningarna i isen. Det gör att det är ganska mycket plats mellan varje vattenmolekyl. Då värme tillförs, till exempel genom att du värmer vattnet i en kastrull, kan vätebindningar brytas. Isen smälter och vi får flytande vatten. I flytande vatten är ungefär en fjärdedel av vätebindningarna brutna och varje vattenmolekyl rör sig hela tiden. De snurrar, flyttar sig och skapar svaga bindningar till andra vattenmolekyler. Varje vätebindning mellan två vattenmolekyler existerar i genomsnitt ungefär en miljondel av en miljondels sekund. Sedan bryts den och vattenmolekylen binder till en annan. Strukturen i flytande vatten är inte alls lika välordnad som i is. Det gör att molekylerna kan komma något närmare varandra. Det är detta som gör att flytande vatten har högre densitet än is.

 

För att ändra aggregationstillstånd och temperatur måste energi tillföras eller bortföras

 

Så länge det finns is kvar är temperaturen 0 °C i vattnet. Om vi fortsätter att värma efter det att all is smält och blivit flytande kommer temperaturen i vattnet att börja stiga. Jämfört med många andra vätskor krävs ganska mycket värme för att öka temperaturen i vatten. Vi säger att vatten har en hög värmekapacitet, det vill säga förmåga att lagra värme. När vi värmer upp vattnet kommer den tillförda värmen användas för att bryta ytterligare vätebindningar. När temperaturen når vattnets kokpunkt, 100 °C, finns ungefär hälften av vätebindningarna kvar. När vattnet slutligen kokar bryts även dessa.

Vatten har mycket högre smältpunkt och kokpunkt än andra ämnen med liknande molekylstorlek. Anledningen är att vattenmolekylernas starka vätebindningar håller ihop vattnet. Det går åt mycket energi för att bryta bindningarna och det är först när temperaturen är tillräckligt hög som vattenmolekylerna har tillräckligt stor energi för att kunna bryta sig loss och gå över i gasfas. Etan (C2H6) som inte har några vätebindningar kokar vid –89 °C.

Att vatten behöver energi för att avdunsta märker vi när vi kliver upp ur badet. Om vi inte snabbt torkar oss, kommer vi börja frysa då det vatten som finns på huden avdunstar. En vuxen person har en kroppsyta på knappt 2 m2. Om personen är täckt med ett 0,2 mm tjockt lager av vatten blir det totalt fyra deciliter vatten som behöver avdunsta. Som vi såg tidigare krävs det mycket energi att bryta vätebindningarna mellan vattenmolekylerna. Denna värme tas från kroppen. Vi blir kallare och börjar frysa. Faktum är att vi fryser mer om vi badar en dag med låg luftfuktighet eftersom vattnet då har en större tendens att avdunsta.

Luftfuktighet brukar anges som ett procenttal. Om den relativa luftfuktigheten är 50 % betyder det att luften innehåller hälften av den vattenånga som ryms innan den börjar kondensera till vätska. I ett rum med 100 % luftfuktighet bildas det vattendroppar på rummets väggar. För att åstadkomma 100 % luftfuktighet i en behållare kan vi ställa in ett glas med vatten i behållaren och vänta tills inget mer vatten avdunstar ur glaset. På kemispråk kallas detta att det är jämvikt mellan det flytande vatten som är kvar i glaset och den vattenånga som finns i luften. Vi säger att luften är mättad med vattenånga. Den maximala luftfuktigheten är beroende av temperaturen. Vid 100 °C kan en kubikmeter med luft innehålla ungefär 600 gram vattenånga. Vid rumstemperatur strax under 18 gram och vid 0 ˚C endast 3,5 gram. Det gör att luftfuktigheten alltid är högre i varma klimat.

Vatten löser polära ämnen

 

Vattenmolekylen är mycket polär. Det gör att andra polära molekyler attraheras av vattenmolekylen. Små polära molekyler löser sig därför bra i vatten. Ett exempel på en sådan molekyl är etanol (C2H5OH). Vi kan blanda hur mycket etanol som helst i vatten utan att vätskan delar sig i två delar. Andra ämnen, till exempel fett löser sig inte alls i vatten.

Ytspänning ger runda vattendroppar och såpbubblor

Om du är försiktig kan du lägga en nål eller ett gem på en vattenyta. Detta trots att metaller har högre densitet än vatten. Det beror på att vatten har en ovanligt hög ytspänning. Ytspänning uppkommer eftersom vattnet vill hålla ihop sina molekyler. Det gör att vattnet minimerar sin yta mot andra ämnen.

 

Ytspänning har väldigt stor betydelse i naturen. Det är ytspänningen som gör att vattendroppar som faller är nästan helt runda. Ett klot har så liten yta som möjligt i förhållande till volymen. När du blåser upp en såpbubbla blir den också rund av samma anledning. Ytspänning kan du också se på många växtblad eftersom de har en opolär yta. Då en vattendroppe lägger sig på ett blad kommer droppens yta mot bladet att minimeras och droppen flyter inte ut. Det är en skyddsmekanism från växten som minskar risken att smuts från vattnet avsätts på bladet.

 

När du lyckats få en nål att flyta på vattenytan kan du lätt få den att sjunka genom att försiktigt droppa diskmedel i vattnet. Diskmedlet sänker ytspänningen.

 

 

Quiz - Vatten

Vad händer då ett ämne kondenseras?

Var uppstår vätebindningar?

Vilket begrepp anger ett ämnes förmåga att lagra värme?

Vilket begrepp anger hur mycket en viss volym av ett ämne väger?

Vilken är anledningen till att det krävs många varma dagar på våren för att temperaturen i hav och sjöar ska öka?

Vad kallas processen när ett ämne i vätskeform övergår till fast form?

Vad kallas processen då ett ämne i vätskeform övergår till gasform?

Varför löser sig etanol så bra i vatten?

Vad kallas processen när ett ämne i fast form övergår till vätskeform?

Varför är såpbubblor runda?

Uppgifter - Vatten

Förklara och beskriv
  1. Vad innebär begreppet densitet?

  2. Beskriv de olika aggregationstillstånden och de fasövergångar som sker mellan dem. 

  3. Vad innebär den “stabila fasen”?

  4. Beskriv vad som menas med underkylt regn.

  5. Vad menas med övermättad ånga?

  6. Vad menas med att vattenmolekylen är polär?

  7. Beskriv hur vattenmolekylerna sitter i is och i flytande vatten.

  8. Det finns många olika slags kemiska bindningar. Beskriv vad vätebindning och kovalent bindning är och hur de uppstår.

  9. Förklara varför etan har kokpunkten -89 °C medan vatten har en kokpunkt på 100 °C.

  10. Tänk dig en blåsig men varm sommardag. Det är 25 °C i luften och 20 °C i vattnet. Trots att luften är varmare än vattnet känns det varmare att vara kvar i vattnet än att gå upp på land. Förklara varför det känns så.

  11. Förklara vad som menas med jämvikt på kemispråk.

  12. Förklara fenomenet ytspänning.

Argumentera och resonera
  1. Titta på filmen som visar molekylerna i vatten i flytande form. Fundera över hur molekylerna rör sig. Kan du se vätebindningarna som skapas och bryts?

  2. Hur tror du livet på jorden skulle påverkas om vattenmolekylen inte var polär?

  3. Titta på filmen om ytspänning. Nålen ligger först på ytspänningen vid vattenytan och sjunker då diskmedel tillsätts. Vad skulle hända om du direkt efter försöket la ner en ny nål på vattenytan? Förklara hur du tänker.

  4. Tänk dig att du lägger en isbit i ett glas med matolja.
    a) Kommer isbiten flyta eller sjunka?
    b) Vad tror du händer med vattendropparna från den smältande isbiten? Motivera ditt svar.

  5. Vilka naturvetenskapliga argument finns för och emot dessa påståenden:
    a) Tack vare närheten till havet så är det ofta varmare vid kusten än längre inåt landet på hösten. Och ofta lite kallare längs kusten än inåt landet på våren.
    b) Om is hade haft lägre densitet än flytande vatten så skulle det inte funnits något liv på jorden.
    c) Uppe på Mount Everest kokar vatten vid ca 70 °C.

Ta reda på
  1. Skräddare är en insekt som kan gå på vatten. Ta reda på hur detta går till.

  2. Finns det finns några andra ämnen där den fasta fasen har lägre densitet än den flytande?

  3. Lägg en isbit i ett glas med matolja. Undersök vad som händer med vattendropparna från den smältande isbiten.

  4. Hur stor är egentligen en kubikmeter? Visa!