Vatn er ein kjemisk forbindelse mellom hydrogen og oksygen med strukturformel H2O. Vatn er den mest utbreidde og brukte kjemiske forbindelsen på jorda.

Faktaboks

Norsk namn
vatn, vann
Engelsk namn
water
Også kjend som

vass- (i sammensette ord), latin: aqua

Etymologi
norrønt vatn, av germansk *watan-, av indoeuropeisk *wed- ‘vann’
Kjemisk formel

H2O

Stoffklasse
uorganisk molekyl
Smeltepunkt
0 °C
Kokepunkt
100 °C
Tilstand
væske

Vanlegvis blir orda vatn brukt om forbindelsen i flytande form, men her vil vi òg bruke orda vatn om is, snø og vassdamp. Vatn finst som væske (flytande vatn), i fast form (is) eller som gass (vassdamp). Vassmolekyla er stadig i rørsle, og vatnet skiftar form etter kor rask rørsle molekyla har. Når vatn blir varma opp, blir det tilført energi, noko som set vassmolekyla i rørsle, og hydrogenbindingane blir brotne. Vatnet går då frå væskeform til gassform. Vassdamp er vassmolekyl som smett ut av vatnet og ut i lufta. Når vassdampen blir avkjølt, endrar han seg og blir til flytande væske igjen. Dette heiter at dampen kondenserer.

Mange av dei kjemiske reaksjonane som går føre seg på jorda og i oss menneske og alt anna levande, involverer vatn eller går føre seg løyst i vatn. Sjå vatn – fysiologi.

Vatn har òg hatt stor betydning for historien og har ulik tyding i ulike kulturar og religionar. Sjå vatn – religion.

Førekomst

Hauststorm på Sørlandet

Havbølgjer som slår inn mot land. Det er meir hav enn land på Jorda.

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.

Universet

Vassmolekyl har òg vorte påvist i det interstellare rommet og i atmosfæren til Mars og Jupiter (sjå astrokjemi). Køyretøy som er sende til Mars har funne spor etter rennande vatn på planeten.

Vasskretsløpet

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.

Kretsløp for vatnet.

/Store norske leksikon.

Vassmolekylet

Strukturformel vann
Strukturformel for vatn.
Strukturformel vann
Av .
Molekylmodell vann
Molekylmodell av vatn.
Molekylmodell vann
Av .
Lisens: CC BY SA 4.0

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.

Struktur

Strukturen til is

Vassmolekyla endrar form til is når temperaturen er 0 °C eller lågare. Vassmolekyla rører då lite på seg, og dei dannar krystallar. Hydrogenbindingane skaper sekskanta strukturar, som kan gi mange unike og vakre iskrystallar. Is har lågare tettleik enn vatn i væskeform, i motsetnad til dei fleste andre stoff. Isen ligg oppå vatnet fordi is er lettare enn flytande vatn.

Vassmolekylet har to ledige elektronpar på oksygenatomet. Fordi oksygenet er meir elektronegativt enn hydrogenet, vil oksygenatomet vere negativt lada og hydrogenatoma positivt lada. Mellom to vassmolekyl kan det derfor oppstå ei hydrogenbinding. Det kan forklare at i is er kvart vassmolekyl omgitt av fire andre vassmolekyl: to som donor og to som akseptor av ei hydrogenbinding.

Oksygenatoma i is har dei same posisjonane som karbonatoma i diamant. Strukturen er uordna, slik at i ein strukturregel av is finn ein to halve hydrogenatom på sambindingslinja mellom to oksygenatom attmed kvarandre. Dette passar med den restentropien som er bestemd eksperimentelt for is og føresagt av Linus Pauling.

Sidan H–O–H-vinkelen er 104,5°, medan vinkelen mellom hydrogenbindingane er 109,5°, passar ikkje vassmolekylet heilt inn. Det kan forklare kvifor det er funne 17 ulike former for is, avhengig av kva trykket og temperaturen for isen er. Den forma for is som blir danna ved vanleg trykk og vanlege temperaturar, blir kalla heksagonal is.

Eit klatrat der vatn er vertsmolekyl, har ein struktur som er ulik frå nokon av dei ulike formene for is.

Det er òg framstilt frose amorft vatn. Dette blir brukt i kryoelektronmikroskopi.

Strukturen til snøfnugg

Snø
Snøkrystallar er vatn i fast form.
Av .
Lisens: CC BY 2.0

Enkle snøfnugg er enkeltkrystallar av is (sjå snøkrystallar). Dei blir danna høgt oppe i atmosfæren når vatn kondenserer på små partiklar. Krystalla har mange former. Forma er bestemt av trykket og temperaturen dei vart danna ved, og av temperatur og vassdamptrykket på vegen ned mot bakken.

Kunstig snø blir laga i snøkanonar. Denne snøen har andre eigenskapar enn naturleg snø. Den er hardare og meir kompakt enn naturleg snø, og kan òg brukast som bygningsmateriale.

Tilsetjing av fiber til isen gjer han sterkare. Dette vart foreslått av Herman Mark under andre verdskrigen, og brukt til å konstruere landingsstriper på vatn. Blandinga av is og fibrar blir kalla pykrete.

Strukturen til flytande vatn

Plask

Nærbilete av plasket der ein vassdrope har treft vassflata.

Strukturen til flytande vatn er mindre kjend enn strukturen av dei ulike typane av is. Det kjem av at ein har mange fleire og meir nøyaktige metodar for å bestemme korleis atoma er plassert i ein krystall enn i ei væske. Dessutan endrar strukturen i ei væske seg heile tida. Bindingar mellom molekyla blir stadig brotne, H+-atoma hoppar frå molekyl til nabomolekyl, og vassmolekyla diffunderer frå stad til stad. Sidan vatn har høgare tettleik enn is, er det rimeleg å tru at når isen smeltar, blir strukturen broten delvis ned, slik at vassmolekyla blir pakka tettare saman, medan det framleis er hydrogenbindingar mellom vassmolekyla.

Over 0 °C blir strukturen broten meir opp, og tettleiken til vatnet aukar opp til 4 °C. Deretter vil minkar tettleiken når temperatur aukar, slik han vanlegvis gjer for alle stoff.

Det er hydrogenbindingane som gjer at smelte- og kokepunktet for is/vatn er mykje høgare enn dei andre sambindingane \(\ce{H2X}\), der X er eit grunnstoff i gruppe 16 i periodesystemet: svovel, selen og tellur. Utan hydrogenbindingar ville is smelte ved cirka –100 °C og koke ved cirka –80 °C.

Strukturen til vassdamp

I vassdamp er vassmolekyla frie. Det er berre ved temperatur nær kokepunktet, og når molekyla støyter saman, at krefter mellom molekyla vil gjere seg gjeldande. Sjå van der Waals tilstandslikning.

Vatn som løysemiddel

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.

Fysiske eigenskapar til vatn som væske

Fasediagram

Fasediagram for vatn. Is, vatn og vassdamp er i likevekt i trippelpunktet C.

Av /Store norske leksikon ※.

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.

Kjemiske eigenskapar

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] = Kw = 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).

Danning og reaksjonar

Vatn blir danna ved forbrenning av stoff som inneheld hydrogen, ved knallgassreaksjonen, ved sveising og ved mange andre kjemiske reaksjonar.

Trass i at vatn er svært stabilt, deltek det i ei lang rekkje kjemiske reaksjonar. Med oksidasjonsmiddel, til dømes klor, får ein utvikling av oksygengass \(\ce{O2}\):

\[\ce{6H2O(l) + 2Cl2(g) \leftrightarrow 4H3O+(aq) + 4Cl- (aq) + O2(g)}\]

Med reduksjonsmiddel, til dømes natrium, blir det utvikla hydrogengass \(\ce{H2}\):

\[\ce{2H2O(l) + 2Na(s) -> 2Na+(aq) + 2OH- (aq) + H2(g)}\]

Vatn reagerer med mange oksid. Alt etter typen oksid blir løysinga sur eller basisk. Reaksjon med kalsiumoksid gir basisk kalsiumhydroksid \(\ce{OH^-}\):

\[\ce{CaO(s) + H2O(l) -> Ca^{2+}(aq) + 2OH- (aq)}\]

Med fosfor(V)oksid blir det danna fosforsyre:

\[\ce{P2O5(aq) + 3H2O(l) -> 2H3PO4(aq)}\]

Metningstrykk ved nokre temperaturar

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.

Temperatur 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

Historikk

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 \(\ce{H2O}\).

Les meir i Store norske leksikon

Litteratur

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

Faktaboks

vatn
Systematisk namn
gjeldende IUPAC-navn: vatn, vann

Kommentarar

Kommentarar til artikkelen blir synleg for alle. Ikkje skriv inn sensitive opplysningar, for eksempel helseopplysningar. Fagansvarleg eller redaktør svarar når dei kan. Det kan ta tid før du får svar.

Du må være logga inn for å kommentere.

eller registrer deg