Viden om vand. Группа авторов
til flydende vand, frigives fordampningsvarmen, nu under navnet for-tætningsvarme.
Figur 2.6
Iskrystal. På hjemmesiden www.vand.au.dk kan du finde henvisninger til en række meget smukke billedsamlinger, der viser smukke og forunderlige iskrystaller, eller isblomster som de også ofte kaldes. (Tak til professor Kenneth G. Libbrecht fra California Institute of Technology for tilladelse til at bruge billedet.)
Is
Når temperaturen bliver lav nok, typisk omkring 0 ˚C, begynder hydrogenbindingerne at stivne, vand krystalliserer, og vi får dannet is. I forhold til flydende vand er is faktisk simplere at forstå, primært fordi de enkelte vandmolekyler sidder nogenlunde stille, dvs. de bevæger sig ikke rundt mellem hinanden, som de gør, når vand optræder som væske. Fra vores dagligdag kender vi is i en lang række forskellige forekomster: som is på vand, som isterninger, som snevejr, som rimfrost, som slud, som isslag og som de meget smukke iskrystaller, man kan være heldig at se en kold vintermorgen.
Figur 2.6 viser en perfekt iskrystal med den karakteristiske seks-tals-symmetri. Centeret er sekskantet (hexagonalt), der er seks arme, og ser man nøje efter, er der mange andre sekskantede elementer i krystallen. Denne symmetri stammer fra opbygningen af de enkelte vandmolekyler og hydrogenbindingerne imellem dem. Laver man en lille bitte iskrystal, eksempelvis bestående af 20 vandmolekyler, viser det sig, at når man vil bygge flere vandmolekyler på krystallen, så er det nemmere at få plads til dem, hvis man sætter dem i bestemte positioner. Derved opstår den karakteristiske hexagonale symmetri i iskrystallerne.
Krystallens endelige udseende bestemmes dels af temperaturen, og dels af hvor meget fugt (vanddamp) der er, hvor krystallen dannes. Eksempelvis er der mange forskellige former for sne og snevejr, afhængigt af hvor koldt og fugtigt det er. Det grønlandske sprog indeholder en række forskellige ord for sne, hvilket er beskrevet i Peter Høegs roman Frøken Smillas fornemmelse for sne. De fleste ved godt, at man kun kan lave snemænd under ganske særlige omstændigheder – når der er meget vand i sneen.
Selv om iskrystaller er glasagtige, dvs. gennemsigtige for lys, er det meste sne helt hvidt. Det skyldes, at sneen ikke består af en stor iskrystal, men af mange små iskrystaller med luft mellem de enkelte krystaller. Krystallerne er typisk mindre end 0,01 mm i diameter, og det betyder, at de reflekterer alt det lys, der rammer dem, og derved fremstår sneen som hvid, når vi betragter den. Er det rigtigt koldt, ser man nogle gange sneen glimte, som om der var små diamanter i sneen. Det skyldes store iskrystaller, der reflekterer lys meget effektivt og derved glimter i solen. Det samme fænomen ser man også nogle gange om vinteren, når der er en smuk lysende ring omkring månen. Haloen, som den kaldes, skyldes iskrystaller i den øvre del af atmosfæren. Faktisk kan man ud fra haloens størrelse og form præcist sige, hvilken type iskrystaller der er i atmosfæren. På www.vand.au.dk. kan du finde henvisninger til nogle meget flotte hjemmesider med haloer.
Man skal også huske, at sne ikke er regndråber, der er frosset. Sneen dannes typisk ud fra nogle mikroskopiske støvpartikler, hvorpå vanddamp kondenserer. Dvs. sneen opstår, når vand går direkte fra damp til faststof. Er støvpartiklerne ikke til stede, kan man opleve, at regndråberne bliver underafkølede. Det betyder, at de har en temperatur under 0 ˚C. Så snart de rammer jorden på en kold vinterdag, starter overgangen fra væske til faststof, og vi har fænomenet isslag. Selvom vi kan observere et utal af forskellige typer sne og is, stammer de alle fra den samme mikroskopiske struktur, den hexagonale krystal. På figur 2.7 er krystalstrukturen vist. Oxygenatomerne er vist som røde kugler, og hydrogenatomerne er repræsenteret ved de grå kugler. På figur 2.7a er seks-tals-symmetrien tydelig. I figur 2.7b er krystallen roteret, så vi ser den fra siden. Her kan man se, at hvert hydrogenatom peger i retning af et oxygenatom og derved er med til at definere den ‘luftige’ struktur, der gør is lettere end vand. På www.vand.au.dk kan du finde en henvisning til en hjemmeside, hvor det er muligt at lave flotte billeder af iskrystaller og interaktivt bevæge sig ind og ud af krystallen.
Figur 2.7a og 2.7b
Figurerne viser en kraftig forstørrelse af en perfekt hexagonal iskrystal set henholdsvis forfra (a) og fra siden (b). Seks-tals-symmetrien er tydelig i 7a, mens 7b tydeligt viser, hvordan hvert enkelt hydrogenatom peger i retning af et oxygenatom.
Denne krystalstruktur, som også kaldes is Ih, er ikke den eneste, der findes. Hvis man sænker temperaturen og også ændrer lidt på trykket, kan man faktisk finde mere end 10 forskellige krystalstrukturer for is, og studiet af disse krystalstrukturer har givet mange nye informationer om vands mange hemmeligheder. Der findes mange fantastiske hjemmesider om iskrystaller med mange smukke billeder og anvisninger på, hvordan man selv kan lave sne og iskrystaller. På www.vand.au.dk kan du finde en oversigt over disse sider.
Blandinger: Vand og faste stoffer eller vand og gasser
I dette afsnit vil vi forklare lidt om vands egenskaber som det, man i kemi kalder et opløsningsmiddel. Mange af de forunderlige egenskaber ved vand skyldes evnen til at lave blandinger med andre stoffer – tænk fx på forskellige madvarer (kaffe, te, sodavand, eddike osv.) og rengøringsmidler/personlig pleje (klorin, shampoo, parfume osv.).
Når man hælder enten salt eller sukker i vand, bliver det opløst. Dermed mener vi, at det faste stof ‘forsvinder’. Det betyder dog ikke, at vandet ikke har salt eller sukker i sig længere, bare ved at smage kan man konstatere, at saltet/sukkeret er der endnu – vi siger, at det er blevet opløst. Hvad sker der på molekyleplan, når stoffer opløses? Igen er det vands polaritet, der skal bruges til at forklare fænomenet. Vi så i et tidligere afsnit, hvordan de enkelte vandmolekyler kan bindes sammen med hinanden ved hjælp af hydrogenbindingerne. Det er noget tilsvarende, der sker, når man opløser polære stoffer i vand. Både salt og sukker er altså polære stoffer, da de kan opløses i vand.
| VANDDAMPS TRYK | Faktaboks 2.2 |
Vand eksisterer både på fastfase, væskefase og i gasfase. Selv når vandet er fast eller flydende, så er der vanddamp tilstede. Mængden af vanddamp måles ved damptrykket. Når damptrykket er 1 bar, er vand på kogepunktet (100 ˚C). Går man et par kilometer op i bjergene, hvor trykket falder til 0,8 bar, koger vandet ved ca. 90 ˚C. Kurven viser damptrykket som funktion af temperaturen for henholdsvis fast, flydende og gasfase vand. Bemærk, at kurvens y-akse er logaritmisk. Når temperaturen stiger fra 10 til 45 ˚C, stiger damptrykket ti gange, hvilket eksempelvis har stor betydning for den mængde vand, som en plante mister ved fordampning.
Der findes også stoffer, som ikke er polære, dvs. stoffer der ikke har en forskydning af elektronerne i stoffet. De stoffer giver man betegnelsen upolære. Konsekvensen er, at upolære stoffer ikke kan blandes med vand – eksempler på upolære stoffer er benzin, olie og fedt. Når man forsøger at blande vand og olie, ser man, at olien blot lægger sig oven på vandet eller samles i små oliedråber