Vatn

Vatn er eit kjemisk stoff som finst nesten overalt på jorda og er naudsynt for alt kjent liv. Vatn har ein særskild eigenskap som gjer at det kan vera i alle dei tre naturlege faseovergangane: Vatn finst i dampform i lufta, i flytande form i livsformene på jorda, i vatn, i elvar og hav, og i fast form som is eller snø i kalde område. 

Om lag 70 % av overflata på jorda er dekt av vatn, det meste er i hava, og berre 2,5 % av alt vatn på jorda er ferskvatn. Mindre delar vatn finst elles som grunnvatn (1,7 %), i isbrear og innlandsis, særleg i Antarktis og på Grønland (1,7 %), og i jordatmosfæren som vassdamp, skyar og nedbør (0,001 %).

Vassmassar 
Ein vassmasse kan vera eit hav, ein innsjø, ei elv, ein bekk, ein kanal, ein dam, og så bortetter. Desse har vore i bruk av menneska i uminnelege tider, mellom anna til transport, fiske og jordbruk. Vassmassane er fylte av verdfulle næringsstoff og store mengder energi, men kan òg trua menneske, natur og industri i form av flaum og flodbølgjer.

Ein reknar med at den totale vassmengda på jorda er ca. 1,36 milliardar km³, det vil seia 1,36 milliardar milliardar tonn. Mesteparten av dette finst i havet, ca. 97,2 %. Resten er ferskvatn. 77 % av ferskvatnet ligg i frosen tilstand som brear og innlandsis, 22% under bakkenivå som grunnvatn, og berre 0,8% (0,2 promille av alt vatn) i vassdrag, elvar og sjøar. Berre 0,001 % av vatnet svever som vassdamp i atmosfæren.

Flytande vatn er ein føresetnad for alt kjent liv, frå bakteriar til blåkval. Sidan flytande vatn berre finst mellom frysepunktet 0 °C og kokepunktet 100 °C, må mellomtemperaturen på ein planet eller delar av planeten vera mellom 0 °C og 100 °C for å stetta liv, og temperaturen må ikkje vera utanfor desse grensene i lange periodar.

Is 
Is er vatn (H2O) i fast tilstand. Når temperaturen er under 0°C vil vatn frysa til is, ved normalt atmosfæretrykk. Når vatn går over til is, vert det frigjort varme og motsett, noko som gjer at temperaturen i ei blanding av is og vatn alltid vil vera 0°C, til den berre inneheld vatn eller berre is. Frose vatn har lågare tettleik enn flytande vatn, ein kjemisk eigenskap som er særs uvanleg. 

Det gjer at is berre vert danna på yta av vassmassar, og dette har ein fundamental påverknad på klimaet på planetar som jorda. (Meir om dette under «tettleik» nedanfor.)

Kjemi

Kjemisk oppbygging 
Den kjemiske formelen for vatn er H2O, som er eit molekyl sett saman av to hydrogen-atom og eitt oksygen-atom. Vassmolekylet er ein dipol, ettersom oksygen har høgare elektronegativitet enn hydrogen, har oksygenatomet si side delvis negativ ladning i høve til hydrogensida.  

Vatn er flytande under standard temperatur og trykk (0°C, 1 atm [101,325 kPa]). Dei vanlege temperatureiningane Celsius og Kelvin er definert ut frå trippelpunktet til vatn ved 273,16 K (0.01 °C) og 611,2 Pa (0,006 atm. Under desse høva er fast, flytande og gassforma vatn i jamvekt. 

Vatn har nokre merkeleg eigenskapar, ein kan til dømes finna glasaktig is, ei ikkje-krystallinsk fast form av vatn. Ved temperaturar over 647 K og trykk over 22,064 MPa, vil vatn gå over i ein superkritisk tilstand, der væskeliknande grupper flyt inni ein gassliknande fase. Dette førekjem sjeldan i naturen.

Tettleik 

Flytande vatn har høgast tettleik ved 3,98°C. Dette har ein interessant konsekvens for livet i vatnet om vinteren. Vatn som vert kjølt ned ved overflata vert tyngre og søkk. Det fører til konveksjonsstraumar som kjøler ned alt vatnet. Når overflata vert kjølt ned under 4 °C vert ho derimot lettare, og konveksjonsstraumane stoggar. Viss det er kaldt nok, frys overflata til is som verkar som eit isolerande lag som kan seinka vidare nedkjøling og botnfrysing. Dermed kan fisk og andre organismar leva vidare i vatnet som held ca. 4 °C på botnen. (Grunt vatn vil likevel botnfrysa ved sterk kulde.)

Når vatn frys til is aukar volumet med om lag 10 %. Ei fylgje av at vatn utvidar seg når det frys, er at is smeltar om han vert utsett for høgt nok trykk.

Hydrogenbindingar 
Sidan vassmolekyl er polart, kan det danna ein spesiell type binding, hydrogenbindingar, med seg sjølv eller med andre polare molekyl. Hydrogenbindingane er relativt svake, men sidan det er så mange av dei i vatn gjev dei vatnet spesielle fysiske eigenskapar som eit svært høgt kokepunkt, ettersom ein treng mykje energi for å bryta desse bindingane mellom molekyla. Hydrogenbindingar gjev òg vatn høg varmekapasitet, det vil seia at ein treng mykje energi for å varma opp vatnet. Det er òg hydrogenbindingar som gjer at vatn utvidar seg når det frys.  

Les meir under hydrogenbinding

Kohesjon og overflatespenning 

Dei sterke hydrogenbindingane gjev vatnet høg kohesjon, og dermed overflatespenning. Dette er tydeleg om ein har vatn på ei overflate som er upolar eller ikkje løyseleg i vatn. Vatnet held seg samla i dropar. Denne evna er viktig når planter fraktar vatn gjennom stengelen; dei sterke intramolekylære kreftene held vatnet samla og bidreg til hårrøyrskreftene. Andre væsker vil ha ein mykje større tendens til å danna luftlommer eller vakuum og dermed stansa væsketilførsla.

Vatn som løysemiddel 

Vatn er òg eit godt løysemiddel på grunn av polariteten sin. Eigenskapane som løysemiddel er livsviktige i biologi, av di mange biokjemiske reaksjonar berre skjer i vasshaldige løysingar (t.d. reaksjonar i celleslimet og blodet). I tillegg vert vatn brukt til å frakta biologiske molekyl.

Når ei ionisk eller polar forbinding kjem i kontakt med vatn vert ho omringa av vassmolekyl. Sidan vassmolekyla er relativt små kan dei heilt omringa eit oppløyst molekyl. Den delvis negativt ladde sida (oksygenet) av vassmolekyla vert trekt til dei positivt ladde delane av det som er oppløyst, og motsett for den positive sida (hydrogenet).

Generelt løyser ioniske og polare substansar som syrer, alkoholar, sukker og salt seg lett med vann, medan ikkje-polare substansar som feitt og olje ikkje gjer det.

Ikkje-polare molekyl held seg saman i vatn av di det er energetisk meir gunstig for vassmolekyla å binda hydrogena saman enn å gå inn i van der Waals-bindingar med ikkje-polare molekyl.

Eit døme på ei ionisk løysing er saltvatn. Saltet vil dela seg opp i Na+ kation og Cl– anion. Kvart ion vil verta omringa av vassmolekyl. Iona vert då lett frakta ut av krystallgitter sitt og inn i løysinga.

Eit døme på ei ikkje-ionisk løysing er sukkervatn. Dipolane til vatn vil hydrogenbinda seg til dei polare områda på sukkermolekylet og frakta det ut i løysinga.

Konduktivitet og elektrolyse 

Reint vatn er faktisk ein isolator, noko som betyr at det ikkje leiar elektrisitet godt. Vatn har stor evne til å løysa andre stoff, særleg salt, og slike løysingar kan vera gode elektriske leiarar.

Vatn kan delast opp i hydrogen og oksygen ved å la ein elektrisk straum gå gjennom det. Denne prosessen vert kalla elektrolyse. Vassmolekyl skil seg naturleg til H+ og OH– ion som vert trekte mot anoden og katoden. Ved katoden vil to H+ ion ta opp elektron og danna H2 gass. Ved anoden går fire OH– ion saman og dannar O2 gass, og gjev frå seg fire elektron. Gassane som vert danna, boblar opp til overflata og kan samlast.

Vanleg vatn (hydrogen-oksid) lèt seg lettare spalta med elektrolyse enn tungtvatn (deuterium-oksid), og ved elektrolyse av vatn kan ein difor auka konsentrasjonen av tungtvatn langt over den naturlege delen på omtrent 1/6000. Dette er likevel svært energikrevjande og kostbart, og er ikkje vanleg praksis.

Når ein finn vatn på månen og andre planetar, er det teoretisk mogleg gjennom soldriven elektrolyse å spalta dette til hydrogen og oksygen som kan brukast som drivstoff til romskip og som surstoff til mannskap og drivhus.

Reaktivitet og pH 

Kjemisk er vatn amfotært ved at det kan oppføra seg som både syre og base; det kan både gje frå seg eller ta imot hydrogenion (H+). Namnet hydroksisyre vert nokre gangar brukt om vatn når det opptrer som ei syre i ein kjemisk reaksjon.

pH er eit mål på konsentrasjonen av hydrogenion (H+) i ei løysing, medan pOH er eit mål på konsentrasjonen av hydroksidion (OH–). Jo lågare pH, jo høgre er konsentrasjonen av H+. I vatn ved romtemperatur er produktet av konsentrasjonane av H+ og OH– alltid 10-14 (mol/l)² – summen av pH og pOH er 14. Ved pH 7 er konsentrasjonen av H+ og OH– lik, og løysinga er nøytral. Dersom denne likevekta vert forstyrra, vert løysinga sur (lågare pH; meir H+) eller basisk (høgre pH; meir OH–).

Det systematiske syrenamnet for vatn er hydroksisyre, medan det systematiske basenamnet er hydrogenhydroksid. Det bør nemnast at vatn åleine er korkje syre eller base, men kan altså opptre som ei svak syre i nærvær av ein sterk base eller som ein svak base i nærvær av ei sterk syre.

I teorien har reint vatn pH 7, men i praksis er reint vatn særs vanskeleg å framstilla. 

Vatn som er i kontakt med luft over ei viss tid tek raskt opp karbondioksid frå lufta og dannar ei løysing av karbonsyre (kolsyre). Ved bruk av fossile brensel, og elles høg førekomst av karbondioksid i lufta, vil ein få surt nedbør.  

Vatnet i springen i Noreg har gjerne ein pH-verdi mellom 8 til 8,5. Dette har ein for å unngå tæring på røyr, og for å forhindra at ein får hardt vatn, med stor førekomst av tungmetall.

«Dihydrogenmonoksid» 

Kjemikarar omtalar tidvis vatn spøkefullt som dihydrogenmonoksid eller DHMO, molekylet sitt systematisk kovalente namn, særleg i parodiar på kjemisk forsking som krev forbod mot denne «farlege kjemikalien». I byen Aliso Viejo i California vart isoporkoppar nær bannlyst då det vart kjent at DHMO var brukt i produksjonen.

Vatn i kulturen

Eit grunnleggjande element 
Vatn er eit av dei klassiske fire elementa saman med eld, jord og luft i gresk filosofi og alkymi. Av desse er vatnet kaldt og vått. I kinesisk taoisme er vatn òg blant dei fem elementa, saman med luft, eld, tre og metall. Innan kosmologien har vatn vorte sett på som ylem, eller det grunnleggjande materialet i universet. I teorien om dei fire kroppsvæskene er vatnet forbunde med slim.

Reinsande vatn 
Vi vaskar oss med vatn for å verta reine, men i mange kulturar har vatn òg fått symbolsk tyding. I desse kan ein verta sjeleleg rein ved hjelp av vatn, ved å vaska seg i det eller såvidt røra ved det. Slikt reinskande vatn er ofte forskjellig frå vanleg vatn. Det kan vera at det må vera «levande», som frå regn eller i ei elv, og ikkje stilleståande vatn. Vatn kan verta heilag ved å verta signa (sjå vievatn) eller ha kontakt med ein heilag person.

Religionen islam er kjend for strenge krav om vasking, særleg før bøn. Også jødedommen og hinduismen skal ein vaska seg etter visse hendingar, til dømes barnefødsel eller dødsfall. For å verta rekna som kristen bruker dei fleste kristne samfunn ein 
dåp med vatn, anten full neddykking eller berre ein skvett på hovudet.

Vassrettar og utvikling 

Ifylgje UNESCO sitt internasjonale vassforskingsprogram og rapporten deira World Water Development Report frå 2003 vil verda i løpet av dei neste 20 åra oppleva ein mangel på drikkevatn utan sidestykke i historia. Ein reknar med at mengda av ålment tilgjengeleg, brukbart vatn vil minska med 30 prosent i denne perioden. Årsakene er forureining, global oppvarming og politisk strid.

Omtrent 40 prosent av folkesetnaden i verda har for lite vatn til eit minimum av hygieniske føremål. Meir enn 2,2 millionar menneske døydde av sjukdomar knytte til inntak av forureina vatn i år 2000.

Rapporten fortalde om store globale skilnader i volumet av tilgjengeleg vatn per person, frå 10 000 liter årleg i Kuwait til meir enn 810 000 000 liter årleg i Fransk Guyana. Men rike land som Kuwait kan lettare enn fattige land handtera eit relativt vassunderskot.

Sjå òg 

 Avsalting
 Dehydrering
 Drikkevatn
 Ferskvatn
 Flaum
 Hydrografi 
 Hydrologi
 Kunstig vatning
 Meteorologi
 Mineralvatn
 Mpemba-effekt - kan varmt vatn fryse raskare enn kaldt?
 Nedbør
 Regn
 Saltvatn
 Spillvatn
 Tungtvatn
 Tørke
 Vassanlegg
 Vassbehandlingsanlegg
 Vasskraft
 Vievatn
 Faseovergang

Kjelder

Bakgrunnsstoff 

 Vatnet sin struktur og oppførsel
 Forsking på dihydrogenmonoksid
 World Water Forum
 World Water Assessment Program
 United Nations' World Water Development Report
 SAHRA - Global Water Newswatch

Drikke

Hydrogensambindingar
Oksygensambindingar
Væsker
Oksid