vatn

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 vassdamp avgitt frå 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. Dette kallar ein vatnets kretsløp i naturen.

I motsetnad 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 om lag 1386 millionar km³, og cirka 24 064 millionar km³ er is og snø. Den delen som er flytande (hovudsakleg i hav), er rundt 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.

Vatn blir brukt om att og om att, i eit kretsløp som aldri stoppar. Det er sola som får vatnet til å fordampe 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 blir til 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 kretsløp i naturen

Vatn har den kjemiske formelen \(\ce{H2O}\). Dette viser at vassmolekylet er samansett av to hydrogenatom og eitt oksygenatom. Oksygenatomet har ei svak negativ ladning, medan hydrogenatoma har positiv ladning. Difor blir vassmolekyla 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 at vatnet har høg 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.

Fordi oksygen er meir elektronegativt enn hydrogen, er vassmolekylet eit polart molekyl med eit dipolmoment på 6,17 · 10⁻³⁰ Cm. Vatn er derfor eit særs godt løysemiddel for polare forbindelsar. 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 ved trippelpunktet er sett lik 273,16 kelvin = 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 \(\ce{D2O}\)), det vil seie at hydrogenet er deuterium, blir kalla tungtvatn.

Vatn er eit godt løysemiddel for polare stoff som salt. 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, må vatnet bli destillert fleire gonger i apparat av kvartsglas eller edelmetall, der den mellomliggjande, reinaste fraksjonen blir fanga opp i eit behaldar av edelmetall.

Ein kan òg reinse vatn med ein ionebytter.

Eit mål for kor reint vatnet er er leidningsevna. Leidningsevna til vatn minkar når reinleiken aukar. 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.

Reint vatn er ved romtemperatur ei klår, gjennomsiktig væske utan lukt og smak. I tynne sjikt er vatnet fargelaust, i tjukkare sjikt blåleg.

Vatn har ei rekkje 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. Tolv prosent av eit isfjell er synleg over vassoverflaten.

Når vatn frys til is, aukar volumet med ni prosent. Dette gjer at vassleidningar og flasker fylt med vatn kan bli sprengde i sund ved frysing viss dei er heilt fylte. Utvidinga fører òg til at vatn som trengjer inn i fjellsprekkar, sprengjer fjellmassar frå kvarandre når det frys.

Vatn er ein svært bestandig kjemisk forbindelse, med stor negativ dannelsesentalpi. Den kjemiske bindinga mellom hydrogen og oksygen i vassmolekylet er sterk, og blir berre brote om ein tilset forholdsvis mykje energi.

Sjølv i reint vatn er det nokre oksoniumion og hydroksylion:

\[\ce{2H2O(l) \leftrightarrow H3O+(aq) + OH–(aq)}\]

I reaksjonslikningar nyttar ein det latinske namnet på vatn, aqua (forkorta aq), for å vise at iona er løyste i vatn. I \(\ce{H2O(l)}\) står l for liquid, det vil seie 'flytande'.

Vatnet sitt ioneprodukt ved 25 °C er:

[H₃O⁺].[OH⁻] = K_w = 1,0. 10⁻¹⁴ (mol/l)²

I reint vatn er konsentrasjonen av oksoniumion og hydroksidion like store, og ved 25 °C er båe 10⁻⁷ mol per liter.

Derfor er: pH = –log[H₃O⁺] = 7,0

Løysinga er sur når pH er under 7 og basisk når pH er over 7 (sjå pH og syrer).

Metningstrykk er det trykket ein gass eller damp har når det er jamvekt mellom gassfasen og væskefasen eller den faste fasen. Jamvekt vil seie at det heile tida går like mykje av stoffet over i dampform som attende til væska. Metningstrykket avheng av temperatur.

Frå oldtida og fram til slutten av 1700-talet vart vatn vurdert som eitt av dei fire elementa (sjå alkymi).

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 ein kjemisk forbindelse. 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 \(\ce{HO}\) i 1810. Først på midten av 1800-talet vart kjemikarar samde om at strukturformelen for vatn er \(\ce{H2O}\).

• vann (fysiologi)
• vassforsyning
• vassressursar
• kloakkanlegg
• vatn – religion
• vievatn

• Ivar Olovsson: Wonders of Water. The Hydrogen Bond in Action. World Scientific (2018).