Vad är vatten? Vatten är livsviktigt för att det ska finnas liv på jorden. I vatten finns något som kallas molekyler. Dessa molekyler går inte att se med ögat, utan måste ses med mikroskop. Molekylerna liknar en välkänd seriefigur, Musse Pigg. Molekylerna består av två stycken Väte (H) som finns i öronen och en Syre (O) som finns i ansiktet. Det finns alltså två Väte H 2 och en Syre O Vatten på forskarspråk: H 2 + O = H 2 O Ungefär 70 procent av jordytan är täckt med vatten. 97 procent av det är saltvatten och alltså inte drickbart. Två procent är sötvatten som finns som glaciärer. Endast en procent är sötvatten som vi kan dricka. När jorden skapades för nästan fem miljarder år sedan fanns vattnet inuti jorden. Vattnet kom sedan ut genom vulkanutbrott som ånga. Ju kallare jorden blev desto mer omvandlades ånga till flytande vatten som blev hav och sjöar. Ytspänning Skräddaren, är en insekt, som man ibland kan se när den kilar omkring på vattenytan i en sjö. Hur kan det komma sig att den inte sjunker ner i vattnet och drunknar? Vattnet har som ett skinn kring sig som kallas ytspänning. Vattenmolekyler vill vara ifred och inte släppa in luft eller något annat ämne. Ytspänningen finns därför som ett skinn för att skydda mot andra ämnen som kan försöka ta sig ner i vattnet. Ytspänningen kan du känna med handen om du slår lite lätt mot vattenytan. Det kan kännas som en liten vägg och det är denna som gör att insekten skräddare kan springa omkring på vattenytan. Men vi människor skulle inte kunna gå på vatten för vi är för tunga. Skräddaren är lättare än vattnet och det är därför den inte sjunker. Man kan säga att Ytspänningen fungerar som en sköld som molekylerna använder för att skydda sig mot fienderna luften. 1
Om man vill förstöra ytspänningen så kan man använda diskmedel som gör att skinnet försvinner. Vattnets olika former (fast, flytande & gas) De flesta ämnen kan ha olika former. Exempelvis kan vatten vara i fast form (is), flytande form(vatten) eller gasform (ånga). När ett ämne byter form säger man att det genomgår en fasomvandling eller fasövergång. När is övergår till vatten säger man att det smälter, och när vatten övergår till is så säger man att det fryser. När vatten övergår till gas (ånga) så säger man att det förångas (avdunstar) och när vattenånga övergår till vatten säger man att det kondenserar. Vattnets kretslopp Jordens yta består av mer vatten än land. Det finns vatten i sjöar och åar. Det vattnet kallar vi för sötvatten. Det finns även vatten i haven, detta vatten kallar vi för saltvatten, eftersom det innehåller salt. Jordens vattentillgångar är oföränderliga. De kan inte ökas och inte förbrukas. Av jordens vatten finns mer än 90 % i hav. Vattnets kretslopp drivs av solens energi som gör att vattnet avdunstar från jordytan. Havet får hela tiden ta emot vatten från floderna och regn faller över havsytan. Men havet förlorar också vattnet till atmosfären i form av vattenånga som avdunstar från vattenytan. Det avdunstade vattnet hamnar i atmosfären. Högt upp i atmosfären är luften kallare och en del av vattenångan kondenseras (omvandlas) till små vattendroppar. Vattendropparna bildar moln. I form av moln transporteras vattnet med hjälp av vindarna genom atmosfären. 2
Vattnet stannar endast några dagar i atmosfären. Redan efter cirka tio dagar har allt vatten som avdunstat från jordytan fallit ner i form av nederbörd. Det finns olika typer av nederbörd, dessa är: regn, hagel, snö. Sammanfattning av vattnets kretslopp Vattnet går ständigt runt i ett kretslopp. Det varken försvinner eller kommer till något, det betyder att vi nu dricker vattnet som dinosaurierna en gång drack. 3
Vatten som lösningsmedel Vattenmolekylen är polär. Vilket betyder att den har två sidor med olika laddning; en positiv sida där väteatomerna sitter, och en negativt laddad sida där syreatomen sitter. Detta märker man ofta ut med δ+ (svag positiv laddning) och δ (svag negativ laddning). På grund av att vattenmolekylen är polär kan den blandas med andra vätskor som också är polära utan att de skiktar sig. De positiva/negativa delarna på varje molekyl vänds mot varandra, och vätskorna hålls samman. Man brukar säga att lika löser lika när man pratar om lösningsmedel. Vatten är polärt, och löser därför andra polära vätskor och molekyler. Vad ett polärt lösningsmedel däremot inte löser är opolära vätskor, alltså vätskor med molekyler som inte har någon laddad ände. När man blandar en polär vätska (exempelvis vatten) och en opolär vätska (exempelvis matolja) kommer de inte att lösa sig i varandra, och skiktas därför. När vi däremot blandar matolja och bensin (som också är opolärt) så löser sig utmärkt i varandra eftersom båda är opolära. Eftersom vatten är polärt så kan det även lösa upp salter. Vattenmolekylernas positiva sidor läggs mot de negativa sidorna i saltet och drar loss dem från resten av kristallen. Samtidigt dras också en positiv del loss från saltkristallen då vattenmolekylernas negativa delar läggs emot den och drar loss den. De positiva och negativa delarna är sedan uppdelade och omgivna av vattenmolekyler tills man exempelvis dunstar bort vattnet och saltkristaller bildas igen. Det som påverkar hur mycket av ett salt som kan lösas i vatten är värmen, saltets egenskaper, kontaktytan mellan salt och vatten. I varmare vatten rör sig vattenmolekylerna snabbare, och löser därför saltet snabbare. Vatten löser även i viss mängd gaser. Trots att gaser oftast är opolära så är de så små att de tar sig in mellan vattenmolekylerna ändå. Fasövergångar Vatten kan till exempel finnas både som is (fast), en vätska (flytande) och som vattenånga (gas). Vilken av formerna ett ämne är i, beror på dess temperatur och lufttryck. När ett ämne kan övergå från en form till en annan kallas vi förändringen fasövergång. Nu kommer du att lära dig om olika fasövergångar. 1. Smältning från fast till flytande Låt oss säga att vi har en isbit alltså vatten i fastform. I denna form sitter vattenmolekylerna 4
ihop med varandra på bestämda platser i isbiten utan att röra sig så värst mycket. Man kan säga att deras rörelseenergi är låg. Men om vi lägger isbiten i en bägare och värmer den på en värmeplatta kommer vattenmolekylerna att få energi från värmen och därmed börja röra sig lite. Håller vi på tillräckligt länge kommer de att få så pass mycket rörelseenergi att de inte längre kan hålla sig kvar på sina bestämda platser utan i stället börjar röra sig mer huller om buller (även om de fortfarande håller ihop). Det som har hänt är att isbiten har smält och gått över till flytandeform. Det är alltså fortfarande vatten men i en annan form. Som du säkert kan förstå behöver vi tillföra värme för att smälta ett ämne. Temperaturen vid vilken ett ämne smälter kallas smältpunkt. För vatten ligger smältpunkten på 0 C. 2. Kokning från flytande till gas Säg att vi fortsätter att värma vattnet. Till slut har molekylerna fått så mycket rörelseenergi att de inte klarar att hålla ihop över huvud taget utan kommer att lämna bägaren och sprida ut sig i rummet. Det som har hänt är att vattnet har kokat och övergått till gas. Även här behöver vi tillföra värme. Den temperatur vid vilken ett ämne kokar kallas kokpunkt. För vatten ligger den på 100 C. 3. Avdunstning kokning under kokpunkten Om du tänker efter har du säkert märkt att ett ämne kan gå från flytande till gas även vid temperaturer under kokpunkten. Atmosfären innehåller ju alltid mer eller mindre vattenånga, som har avdunstat från jordytan. Trots detta är det mycket sällan temperaturen blir så hög som 100 C under normala förhållanden. Hur kommer då detta sig? Jo, temperaturen i en vätska är ju ett mått på molekylernas genomsnittliga rörelseenergi. Även om denna inte räcker för att alla molekyler i vätskan ska kunna bryta sig loss och gå över till gas, kommer i alla fall några molekyler vid ytan alltid ha tillräckligt med energi för att klara detta. Vid en vätskas yta tar sig alltså molekyler hela tiden loss och lämnar vätskan. Dessa blir fler i antal om vi höjer temperaturen. Då blir den genomsnittliga rörelseenergin högre, vilket leder till att fler molekyler kommer upp i tillräckligt höga energier för att göra sig fria. När en molekyl med hög rörelseenergi lämnar vätskan kommer genomsnittsenergin hos molekylerna som är kvar i vätskan att sjunka lite, vilket leder till att temperaturen hos en vätska minskar vid avdunstning. Har du någon gång haft handsprit (består av etanol) på händerna har du säkert känt av detta. Etanol avdunstar i stor omfattning vid rumstemperatur, vilket leder till att temperaturen sjunker. Detta gäller även vid kokning molekyler med hög energi lämnar vätskan, som därför får sänkt medeltemperatur. Om du mäter temperaturen i en kokande vätska kommer du märka att temperaturen håller sig strax under kokpunkten hela tiden. 4. Stelning från flytande till fastform Ett annat sätt att omvandla vatten från en form till en annan är genom att sätta flytande vatten i en frys. När temperaturen sänks förlorar molekylerna sin rörelseenergi och rör sig allt långsammare. Ju långsammare de rör sig, ju bättre kommer de att hålla ihop vilket leder till att de snart har återgått till sina bestämda platser. Det som händer här är att vattnet har frusit, eller stelnat som man också kan säga, och gått över från flytande till fastform. 5
När detta sker avges värme till omgivningen. Temperaturen som behövs för att detta ska ske är den samma som smältpunkten för ämnet. Ibland kallas denna temperatur också för fryspunkt. 5. Kondensation från gas till flytande Vi kan också omvandla vattenånga till flytande vatten genom att sänka temperaturen i ett rum eller en behållare med mycket vattenånga i (en bastu till exempel). Vi kommer då att märka att vattenångan bildar små vattendroppar på rummets väggar. Dropparna är vatten i flytandeform. Vi har alltså sett en fasövergång från gasform till flytande, vilket man kallar kondensation. Detta sker eftersom den sänkta temperaturen leder till att molekylerna får mindre energi och tillslut inte orkar flyga omkring orkar i rummet på egen maskin. I stället går de ihop till små droppar. Vid kondensation avges värme till omgivningen. Temperaturen vid vilken kondensation av ett ämne sker är den samma som kokpunkten för ämnet. 6. Sublimering direkt från fast till gas (eller tvärt om) En lite ovanligare typ av fasövergång är sublimering. Det sker när ett ämne går direkt från fastform till gas (ibland kallas även fasövergången åt andra hållet, det vill säga direkt från gasform till fastform också för sublimering). Många gånger beror detta på att ämnet inte kan vara i flytandeform vid det tryck som råder, eller på att temperaturen hastigt sjunker under smältpunkten. Ett exempel på ett ämne som sublimerar är koldioxid, som inte kan existera i flytande fas vid normalt lufttryck. När fast koldioxid smälter blir det alltså inte blött, vilket leder till att koldioxid i fast fas ofta kallas för torris. Vid sublimering från fast fas till gasform tas energi upp från omgivningen, medan sublimering åt andra hållet leder till att energi avges. 6
7