vand - Molekylets fysiske egenskaber og kredsløb

Vand. Udsnit af et magnetisk kort (magnetiske anomalier) over havbunden omkring midtoceanryggen syd for Island og en skematisk snittegning af oceanbundsskorpen. De sorte bånd illustrerer områder i oceanbundsskorpen, der er normalt polariseret, og de hvide bånd områder, der er reverst polariseret. Disse skiftende polariseringer afspejler, at de magnetiske poler med mellemrum bytter plads. Når lava i forbindelse med oceanbundsspredning strømmer op til havbunden, vil jernmineralerne i den varme, flydende bjergart tage retning efter det fremherskende magnetfelt og blive fikseret i forhold hertil, når lavaen størkner; mønstrene er i store træk symmetriske omkring spredningszonen. Normal polarisering svarer til, at nordpolen vendte som i dag, da lavaen størknede, mens revers polarisering skyldes en omvending af polerne. I lavaen kan man således registrere tidligere tiders magnetisme (palæomagnetisme) og hastigheden af oceanbundsspredningen.

Martin Bassett.

Licens: Begrænset anvendelse

Vand. 1 Vandmolekylets opbygning. Da oxygen (O, vist med blåt) er mere elektronegativt end hydrogen (H, vist med rødt), vil der i gennemsnit være en lille negativ ladning omkring O og en positiv omkring de to H. Det gør, at to vandmolekyler tiltrækkes af hinanden og kan indgå i en hydrogenbinding. 2 To øjebliksbilleder af strukturen i vand ved stuetemperatur. Strukturen veksler til stadighed, men minder lokalt om is' struktur, hvor vandmolekylerne er arrangeret i en tetraedrisk konfiguration. De stiplede linjer markerer hydrogenbindinger. 3 Strukturen i sædvanlig is (is I). Krystalstrukturen er heksagonal, men orienteringen af vandmolekylerne inden for hver enhedscelle kan være uordnet som vist med molekylerne markeret A, B og C.

John Fowlie.

Licens: Begrænset anvendelse

Vand. Fasediagrammet for vand. Øverst ses placeringen af væskefasen og de forskellige former for is. Nederst et detailudsnit (bemærk den ændrede trykskala), hvor de tre faser damp, væske og is (is I) ses. Tripelpunktet, hvor damp, væske og is er i ligevægt, er indtegnet sammen med det kritiske punkt, der markerer det sted, hvor væske og damp ikke længere kan skelnes.

John Fowlie.

Licens: Begrænset anvendelse

Vand er et simpelt opbygget molekyle der består af to brintatomer og ét iltatom. Vand findes overalt i universet, og 71% af Jordens overfalde er dækket af vand. Vand er en forudsætning for alt liv på Jorden.

Faktaboks

Også kendt som: Kemisk formel: H₂O

Vandmolekylet har en række usædvanlige fysiske og kemiske egenskaber, der er baggrunden for stoffets nøglerolle for de basale kemiske livsprocesser og for en række fysiske processer i vor omverden, bl.a. atmosfæriske forhold, som er med til at gøre Jorden beboelig for en lang række organismer.

Vand findes overalt i Universet, fx i interstellart stof. I vores eget solsystem findes vand i større mængder, bl.a. som vanddamp i Venus' atmosfære, som is i dybe kratere på Månen, som et ishav på Jupiters måne Europas overflade, måske med flydende vand nederst, samt på Mars. Da vand på flydende form er en forudsætning for alt liv på Jorden, spiller påvisningen af flydende vand andre steder i Solsystemet eller Universet en central rolle i bedømmelsen af mulighederne for ekstraterrestrisk liv.

Jorden kaldes også den blå planet, da 71 % af overfladen er dækket af hav, som indeholder langt det meste af vores vandresurser i form af salt havvand (se hav (havvand)); i alt ca. 1400 mio. km³ vand. Kun 3 % af Jordens vand er ferskvand, hvoraf ³/₄ er bundet i gletsjere og indlandsis (se is), og af det tilgængelige ferskvand findes store mængder som grundvand, mens 20 % af alt søvand findes i Bajkalsøen. En ukendt mængde er bundet i mineraler (se hydrater) enten fast eller som mere eller mindre tilgængeligt krystalvand.

Udforskningshistorie

I den klassiske elementlære var vand et af de fire basale, udelelige elementer (sammen med ild, luft og jord), hvoraf alt var dannet. Med udviklingen af den moderne naturvidenskab siden 1600-t. blev dette synspunkt stadig sværere at forsvare, men levede bl.a. videre som troen på, at vand ved tilførsel af ild (inddampning) blev til elementet jord.

Denne moderne form for elementlære blev endeligt tilbagevist i 1770 af den franske kemiker A.L. Lavoisier, som desuden i 1783 — nogle få år efter den engelske kemiker og fysiker Henry Cavendish — opdagede vands kemisk sammensatte natur som en forbindelse mellem ilt og brint; vand kan spaltes til brint og ilt, og ved forbrænding af brintgas i forbindelse med ilt dannes vand, hvorfor Lavoisier gav brint grundstofnavnet hydrogen 'vanddanner'.

Vandets natur

I dette afsnit behandles vandets rent fysiske egenskaber.

Fysik og kemi

Vand, også kaldet dihydrogenoxid eller oxan, har den kemiske formel H₂O og er en farve- og lugtløs væske. Vand er den eneste naturligt forekommende forbindelse, der inden for de temperaturer, der normalt forekommer på Jorden, samtidig kan findes i de tre tilstandsformer: fast form (is), væske og gas (vanddamp). I tripelpunktet ved 0,006 atm er alle tre tilstandsformer (faser) i ligevægt med hinanden.

Frysepunktet for vand var tidligere pr. definition 0,00 °C, og kogepunktet 100,00 °C ved 1 atm. I dag er vands frysepunkt 0,00 °C, og kogepunktet 99,974 °C ifølge den vedtagne standard i ITS90. Den absolutte temperaturskala er defineret ved, at temperaturen for vands tripelpunkt er sat til 273,16 K (0,01 °C). Vands densitet er størst (1,0000 g/cm³) ved 3,98 °C; både over og under denne temperatur er densiteten mindre, og i fast form er densiteten så lav, at is flyder på vand.

Naturligt forekommende vand indeholder også den tunge hydrogenisotop deuterium (D, ²H); D₂O kaldes tungt vand, og almindeligt vand indeholder 0,015 %.

I kemisk henseende er vand ret modstandsdygtigt, fx over for temperaturpåvirkning. Af 1 g vanddamp ved 1500 °C og 1 atm i et lukket rum vil kun 0,002 g være sønderdelt, hovedsagelig til hydrogen og oxygen. Dog sønderdeles vand ved stuetemperatur let af alkalimetallerne og de alkaliske jordartsmetaller.

Opløsninger og destillation

Vand er et vigtigt og alsidigt opløsningsmiddel, som kan opløse flere kemiske forbindelser end nogen anden væske. Et stort antal kemiske forbindelser såsom syrer og baser, fx rengøringsmidler, forhandles som vandige opløsninger. Næsten alt naturligt forekommende flydende vand indeholder opløste substanser; det er således i kemisk forstand forurenet.

Rent vand leder den elektriske strøm dårligt. Det dissocieres ganske vist i hydrogenioner og hydroxidioner efter ligningen: H₂O ⇄ H⁺ + OH^-, men kun omkring ét molekyle af 556 mio. undergår dissociation. Opløsninger af stærke syrer og salte er derimod stærkt dissocierede i ioner og leder den elektriske strøm godt. I rent vand er koncentrationen af H⁺-ioner 10^-7 mol/l (pH er 7), men vand, der er i kontakt med atmosfæren, indeholder bl.a. opløst oxygen, nitrogen og carbondioxid (CO₂). Pga. indholdet af CO₂ har selv rent vand ofte en pH-værdi på ca. 5, dvs. er svagt surt.

Naturligt forekommende vand kan renses for opløst materiale ved frysning, da is kun optager meget små mængder af opløste stoffer; havis indeholder således mindre salt end det havvand, det er dannet af. Ved delvis frysning af vand fulgt af smeltning fås meget rent vand. Atmosfæren kan indeholde 0,04-4 vol.% vanddamp, idet det mulige indhold stiger med temperaturen. Ved afkøling til under dugpunktet af luft med et højt indhold af vanddamp udskilles vand som regn eller sne, og i egne med lille luftforurening er nedbøren af høj renhedsgrad. Dog viser undersøgelser af borekerner af den grønlandske indlandsis, at sne bærer målelige mængder af faste og luftformige stoffer med sig. Det har gjort det muligt at datere fx klimaændringer gennem hundredtusinder af år, se GRIP.

Ved destillation, dvs. kontrolleret fordampning efterfulgt af kontrolleret afkøling, vindes vand, der kun er forurenet af de stoffer, som kan opløses fra apparaturet. Metaller som tin, sølv, guld og platin er praktisk taget uopløselige i vand, og noget tilsvarende gælder højmolekylære stoffer som fx polyethylen og Teflon®.

Vægt og energi

Vand har spillet en stor rolle som standardsubstans for andre vigtige fysiske måleenheder end temperaturen. Vægten af standardkilogramloddet er meget nær vægten af 1 l vand ved 3,98 °C. Den tidligere benyttede enhed for varme, kalorie (cal), var defineret som den varmemængde, der kan opvarme 1 g vand fra 14,5 °C til 15,5 °C.

Jordens vand

Man ved ikke, hvornår det tidligste frie vand optrådte på Jorden. De første sikre spor af et hav findes i de ca. 3,8 mia. år gamle Isua-bjergarter ved Nuuk i Vestgrønland. Disse rummer båndede jernmalme og lavaer med pudestrukturer, der begge kun dannes under vand; båndede jernmalme bliver kemisk udfældet på bunden af havet, og pudelavaer dannes, når lava flyder ud under vand. Mellem Jordens dannelse for ca. 4,6 mia. år siden og Isua-bjergarternes dannelse 800 mio. år senere må vandet være kommet til Jorden.

Vort solsystem er dannet ud fra en sky af støv, meteoritter og gasser. Ud fra denne kondenseredes Solen og planeterne. Det støv og de meteoritter, der samlede sig på vores plads i Solsystemet, smeltede pga. gravitationen (tyngdekraften), og Jorden blev en glødende kugle af smeltet materiale. I den smeltede Jord blev tunge elementer koncentreret i kernen, mens de lettere elementer koncentreredes i de ydre dele. De fleste gasser samt vanddamp slap ud til overfladen og skabte den tidlige atmosfære.

Ifølge én hypotese kondenseredes vanddampen i Jordens atmosfære under Jordens afkøling, hvorved de første oceaner dannedes, og vandet må således være kommet til Jorden, samtidig med at den blev dannet; enten indesluttet i meteoritter eller siddende på de partikler, der samledes på vores plads i verdensrummet. Et problem med denne hypotese er, at i de indre dele af skyen, lige der hvor Jorden engang skulle være, var temperaturen så høj, at vanddamp ikke kunne kondenseres, og at den derfor heller ikke kunne sidde fast på støv og meteoritter.

Ifølge en konkurrerende hypotese blæste solvinden netop derfor vandet længere ud i Solsystemet til de områder, hvor de store planeter Jupiter og Saturn nu befinder sig. Her var der så koldt, at dampen kondenseredes til is, og her dannedes kæmpestore isklumper iblandet støv. Da skyen blev afkølet, cirkulerede disse kæmpeisklumper som kometer rundt i Solsystemet. Flertallet ramte med tiden planeterne og kunne derigennem bringe endog meget store mængder vand til de indre planeter som Jorden og Mars. Ved sammenstødene smeltede isen, og der dannedes vanddamp, som senere kondenseredes.

Visse forskere hælder til den idé, at kometerne ud over vandet, som er betingelsen for liv, også bragte byggesten til livet i form af organiske stoffer, som er vidt udbredte i verdensrummet. Nogle går så langt, at de postulerer, at selv levende organismer kan føres rundt i Universet med kometer og andre små himmellegemer.

Vand på Mars. Marsmissioner siden slutningen af 1990'erne har endegyldigt bevist, at der har været frit vand på vores naboplanet. Hidtil har man ment, at dette frie vand er forsvundet igen, måske fordampet som følge af kolossale energiudladninger ved sammenstød med himmellegemer som kometer og asteroider. Undersøgelser foretaget af Mars-rumsonden Curiosity tyder på, at der kan være flydende vand på planeten.

Vandkredsløbet

Vandets kredsløb, det hydrologiske kredsløb, foregår langt overvejende som en vekslen mellem flydende vand og damp, mens Jordens ismasser primært fungerer som et vandreservoir med ringe udveksling.

Kredsløbet drives af solenergi, som fordamper vand til damp, og gravitationen, som tvinger vand fra de højereliggende landområder til havet. Langt den meste vanddamp dannes over havet, men kun en forsvindende lille andel af havenes vandmængder, ca. 0,008% af næsten 1400 mio. km³, fordamper årlig. Størstedelen af vanddampen falder igen som nedbør i havet; kun omkring 10% føres ind over land, hvor det falder som nedbør sammen med vanddamp fra landjord og ferske vande; i alt en årlig mængde på omkring 111.000 km³, hvilket svarer til en gennemsnitlig nedbør på 1100 mm pr. år. Atmosfærens vanddamp spiller en vigtig rolle for Jordens klima i form af skydannelser og som den vigtigste drivhusgas, og udskiftningen sker i gennemsnit i løbet af ti dage.

I størstedelen af Jordens landområder er nedbøren større end fordampningen (positiv vandbalance), og globalt er landjordens vandoverskud på ca. 40.000 km³ årlig, hvoraf hovedparten siver ned til grundvandet. Udskiftningen af grundvandet foregår relativt langsomt, i gennemsnit i løbet af 4600 år; det danske drikkevand stammer langt overvejende fra 30-100 år gammel nedbør.

Vand i havis er bundet, indtil isen atter smelter, måske efter nogle måneder eller få år, mens vand bundet i indlandsis er ude af kredsløb i tusinder af år.

Læs mere i Den Store Danske

Kommentarer

Kommentarer til artiklen bliver synlige for alle. Undlad at skrive følsomme oplysninger, for eksempel sundhedsoplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer, når de kan.

Du skal være logget ind for at kommentere.