Vann

Aggregattilstander og temperatur

Vann i fast form er kjent som is og i gassform som damp. Temperaturskalaen celsius er definert ut fra vannets smelte- og fordampningspunkt, der vannet fryser ved 0 °C og koker ved 100 °C, og én grad stigning tilsvarer 1/100 av forskjellen mellom disse punktene. Temperaturskalen Kelvin har samme stigningstall. Mellom smeltepunktet og kokepunktet, inkludert i  STP-forhold, er vannet i flytende tilstand (ved normalt trykk).
Temperaturenhetene (tidligere celsius og nå kelvin) er definert ut i fra trippelpunktet til vann, 273,16 K (0,01 C) og 611,2 Pa. Under dette trykket og denne temperaturen kan fast, flytende og gassformen av vann eksistere samtidig i likevekt. Vann viser ganske merkelig atferd, som å kunne eksistere som glassaktig is, en ikke-krystallisk fast form av vann.
Under temperaturer større enn 647 K og trykk større enn 22,064 Mpa, vil en samling av vannmolekyler anta en superkritisk tilstand, der væskelignende grupper flyter inni en gasslignende fase.

Dipolaritet

En viktig egenskap ved vann er dets polare egenskap. Vannmolekylet H₂O er vinklet, med oksygen i spissen og hydrogenatomer ytterst. Siden oksygen har høyere elektronegativitet enn hydrogen, har oksygenatomets side delvis negativ ladning i forhold til hydrogensiden. Et molekyl med en slik ladningsforskjell kalles en dipol. Spenningsforskjellene gjør at vannmolekylene tiltrekkes av hverandre (den negative siden trekkes til et annets molekyl positive side) og til andre polare molekyler. Dette kalles hydrogenbinding. Denne kraften er relativt svak, men det høye antallet hydrogenbindinger fører til at vann har en rekke spesielle fysiske egenskaper.

Kokepunkt og varmekapasitet

Vann har, på grunn av hydrogenbindingene, et veldig høyt kokepunkt, siden det trengs mye energi for å bryte disse bindingene mellom molekylene. Grunnstoffet svovel som ligger under oksygen i periodesystemet, og dets tilsvarende kjemiske forbindelse hydrogensulfid (H₂S), har ikke disse hydrogenbindingene og er en gass ved romtemperatur selv om det har dobbelt så høy molekylvekt som vann. Hydrogenbindinger gir også vann høy varmekapasitet, det vil si at det trengs mye energi for å varme opp vann.

Tetthet

Hydrogenbindinger gir samtidig vann spesielle egenskaper når det fryser. Som de fleste andre materialer blir vannets tetthet større ved lavere temperatur. Men når vann blir kjølt ned til nær frysepunktet fører hydrogenbindingene til – mens vannmolekylene flytter på seg for å minimalisere sin energi – at det dannes en struktur som faktisk har lavere tetthet. Dermed vil vann utvide seg når det fryser og is vil flyte i vann, mens de fleste andre materialer krymper og synker når de går over til fast form.
Flytende vann har sin høyeste tetthet ved 3,98 °C. Dette har en interessant konsekvens for livet i vannet om vinteren. Vann som blir avkjølt ved overflaten blir tyngre og synker, og danner konveksjonsstrømmer som avkjøler hele vannet. Når overflaten kjøles under 4 °C blir den imidlertid lettere, konveksjonsstrømmene opphører, og overflaten fryser til is som danner en isolerende hinne som kan hindre videre nedkjøling og bunnfrysing. Dermed kan fisk og andre organismer leve videre i vannet som holder ca. 4 °C på bunnen. (Grunt vann vil likevel bunnfryse ved sterk kulde.)
En annen konsekvens av at vann utvider seg når det fryser, er at is smelter hvis det utsettes for tilstrekkelig høyt trykk.

Løsemiddel

Vann er også et godt løsemiddel på grunn av sin polaritet. Egenskapene som løsemiddel er livsviktige i biologi, fordi mange biokjemiske reaksjoner forekommer kun i vannholdige løsninger, for eksempel reaksjoner i celleslimet og blodet. I tillegg brukes vann til å transportere biologiske molekyler.
Når en ionisk eller polar forbindelse kommer i kontakt med vann blir den omringet av vannmolekyler. Siden vannmolekylene er relativt små kan de omringe helt et molekyl av det oppløste. De delvis negative dipolene til vann blir tiltrukket av de positivt ladde delene av det oppløste, og motsatt for de positive dipolene.
Et eksempel på en ionisk løsning er bordsalt; natriumklorid, NaCl, vil dele seg opp i Na⁺–kationer og Cl––anioner. Hvert ion vil bli omringet av vannmolekyler. Ionene blir da lett fraktet ut av sitt krystallgitter og inn i løsningen. Et eksempel på en ikke-ionisk løsning er sukker. Dipolene til vann vil hydrogenbinde seg til de dipolare områdene på sukkermolekylet og frakter det ut i løsningen.
Generelt løser ioniske og polare substanser som syrer, alkoholer og salter seg lett med vann, mens ikke-polare substanser som fett gjør ikke det. Ikke-polare molekyler holder seg sammen i vann fordi det er energisk mer gunstig for vannmolekylene å hydrogenbinde seg med hverandre enn å anta van der Waals forbindelser med ikke-polare molekyler.

Medisinsk

Selv om vann er essensielt for menneskekroppen, kan sterkt overdrevet vanninntak kan føre til en potensielt livstruende tilstand kjent som vannforgiftning. Årsaken er at vannet fører til en lavere konsentrasjon av blant annet elektrolytter i blodet.

Kohesjon og overflatespenning

De sterke hydrogenbindingene gir høy kohesjon, og dermed overflatespenning. Dette ses tydelig hvis man har vann på en overflate som ikke er løselig i vann. Vannet holder seg samlet i dråper. Denne evnen er viktig når plantene frakter vann gjennom stengelen; de sterke intramolekylære kreftene holder vannet sammen og motvirker hårrørskreftene. Andre væsker vil ha langt større tendens til å danne luftlommer, vakuum og dermed stoppe væsketilførselen.

Konduktivitet

Rent vann er en isolator, men likevel er det vanlig å se på vann som et elektrisk ledende, eller konduktivt, stoff. Hvis et salt løses i vann, vil denne saltløsningen (elektrolytten) kunne lede elektrisk strøm. Denne ledeevnen skyldes redoksreaksjonen som oppstår i løsningen. Det er altså ikke selve vannet som leder strømmen. Se Elektrolyse nedenfor.

Elektrolyse

Vann kan deles opp i sine bestanddeler, hydrogen og oksygen, ved å la en strøm gå gjennom det. Denne prosessen kalles elektrolyse. Vannmolekyler skiller seg naturlig til H⁺- og OH⁻-ioner som trekkes henholdsvis mot anoden og katoden. Ved katoden vil to H⁺-ioner ta opp elektroner og danne H₂-gass. Ved anoden går fire OH–-ioner sammen og danner O₂-gass og avgir fire elektroner. Gassene som blir dannet bobler opp til overflaten og kan bli samlet opp.

Reaktivitet og pH

Vann kan oppføre seg som både syre og base; det kan både avgi og motta protoner (H⁺), en reaksjon som kalles protolyse. Vann protolyserer med seg selv etter følgende likevektsreaksjon:
H₂O + H₂O ↔ H₃O⁺ + OH⁻
Vann reagerer med syrer og baser og lager sure og basiske løsninger, etter hvor sterke syrene/basene er. Hvor sur eller basisk en løsning er, måles med pH (eller pOH). pH er et mål på konsentrasjonen av oksoniumioner (H₃O⁺) i en løsning, mens pOH er et mål på konsentrasjonen av hydroksidioner (OH–). Jo lavere pH, jo høyere er konsentrasjonen av H₃O⁺. I vann ved romtemperatur er produktet av konsentrasjonene av H₃O⁺ og OH– alltid 10–14 (mol/l)²; summen av pH og pOH er 14. Ved pH 7 er konsentrasjonen av H₃O⁺ og OH– lik, og løsningen er nøytral. Hvis denne likevekten forstyrres, blir løsningen sur (lavere pH; mer H₃O⁺) eller basisk (høyere pH; mer OH–).
Det systematiske syrenavnet for vann er hydroksisyre, mens det systematiske basenavnet er hydrogenhydroksid. Det bør imidlertid nevnes at vann alene er verken syre eller base, men kan altså opptre som en svak syre eller en svak base i nærvær av hhv. en sterk base eller en sterk syre.
I teorien har rent vann pH 7, men i praksis er rent vann svært vanskelig å fremstille. Vann som er i kontakt med luft over en viss tid opptar raskt karbondioksid og danner en løsning av karbonsyre (kullsyre) med en likevekt-pH på ca. 5,7.

Farve

Rent vann er farvet i en veldig lys blåfarve, men oppfattes som oftest som farveløst, og viser som regel farven på stoffene bak eller rundt, eller reflekterer lyset som treffer vannoverflaten. Havet er faktisk blått i seg selv og ikke bare fordi det reflekterer himmelen. Under visse lysforhold kan regn eller lignende vannfall vise en regnbue.

Lukt og smak

Rent vann har ingen lukt eller smak, men siden vann er et meget godt løsemiddel vil det ofte være salter og andre forurensinger til stede. Når man refererer til «smaken» på vann fra ulike kilder, er det tilstedeværelsen av disse forurensningene man egentlig sikter til.

Dihydrogenmonoksid

Kjemikere omtaler tidvis vann spøkefullt som dihydrogenmonoksid eller DHMO, molekylets systematisk kovalente navn, særlig i parodier på kjemisk forskning som krever forbud mot dette «farlige kjemikaliet». I byen Aliso Viejo i California ble isoporkopper nesten bannlyst da det ble kjent at DHMO var brukt i produksjonen.

Tidevann

Tidevann er en periodisk variasjon i vannstanden i havet, hvor havet stiger og synker, fordi månen og solen med sin tyngdekraft trekker vannet i havet mot seg. Forandringer kommer av at månen og solen forandrer posisjon i forhold til jorden, kombinert med jordens rotasjon og lokalt batymetri. Dette forårsaker forandringer mht. hvor høyt vannet står, spesielt ved kysten, og skaper også varierende strømmer, kjent som tidevannsstrøm. Økologisk er landstripen som vises ved lavvann er en viktig sone.

Religion og mytologi

Vann blir ansett som rensende i de fleste religioner. Rituell vask inngår i flere større religioner, blant annet innen kristendom, hinduisme, rastafaribevegelsen, islam, shintoisme, taoisme og jødedom. Nedsenking av en person i vann er et sentralt sakrament i kristendommen (hvor det er kalt dåp); det er også en del av praksisen i andre religioner, som jødedom (mikvah) og sikhisme (Amrit Sanskar). I tillegg blir døde badet i rent vann i mange religioner, inkludert jødedom og islam. Innen islam kan de fem daglige bønnene som regel gjennomføres etter å ha vasket visse deler av kroppen med rent vann (wudu). I shintoisme blir vann brukt i nesten alle ritualer for å vaske en person eller et område, for eksempel i misogi-ritualet.
Noen trossamfunn bruker vann spesielt forberedt for religiøs bruk (hellig vann innen kristendommen, amrita i sikisme og hinduisme). Mange religioner anser også visse vannkilder eller vannansamlinger som hellige eller i det minste gunstige, for eksempel Lourdes i Den romersk-katolske kirke, Jordan (i det minste symbolsk) i noen kristne samfunn, Zamzam i islam og elva Ganges (blant mange andre) i hinduismen.
Vann er ofte ansett å ha spirituell makt. Innen keltisk mytologi er Sulis den lokale gudinnen for varme kilder, og i hinduismen er Ganges også personifisert som gudinne, mens Saraswati har blitt referert til som gudinne i Vedaene. Vann er også en av hinduismens elementer, sammen ild, jord, rom og luft. Guder kan også være beskyttere for visse kilder, elver eller sjøer: For eksempel var den greske og romerske guden Peneus en elvegud, en av tre tusen okeanider. I islam gir ikke vann bare liv, men livet selv har kommet fra vannet.
Den greske filosofen Empedokles anså vann som en av de fire klassiske elementene, sammen ild, jord og luft. Det ble også ansett som ylem, en basisk substans av universet. Vann ble ansett som kaldt og vått. I teorien om de fire kroppsvæsker forbindes vannet med slim. Vann var også en av de fem elementene innen tradisjonell kinesisk filosofi, sammen med jord, ild, tre og metall.

Vannrettigheter og utvikling

UNESCOs internasjonale vannforskningsprogram og deres World Water Development Report (2003) anslår at verden i løpet av de neste 20 årene står foran en mangel på drikkevann uten sidestykke i historien. Mengden av alment tilgjengelig, brukbart vann antas å minske med 30 prosent i denne perioden. Årsakene er forurensning, global oppvarming og politiske stridigheter.
40 prosent av verdens befolkning har for lite vann til et minimum av hygieniske formål. Mer enn 2,2 millioner mennesker døde av sykdommer knyttet til inntak av forurenset vann i år 2000.
Rapporten oppgir store globale forskjeller i volumet av tilgjengelig vann pr. person, fra 10 000 liter årlig i Kuwait til mer enn 810 000 000 liter årlig i Fransk Guyana. Imidlertid kan rike land som Kuwait lettere enn fattige land håndtere et relativt vannunderskudd.
Verdens vanndag er en internasjonal FN-merkedag den 22. mars hvert år for å sette fokus på mangel på rent drikkevann.

Vannforbruk

Vannforbruket pr. individ er høyt, men varierer med levestandard. FN har beregnet at et menneske trenger 20–50 liter vann om dagen for å dekke grunnleggende behov for drikke, personlig hygiene og renhold. En gjennomsnittlig nordmann forbruker likevel 200 liter vann om dagen. Rundt 10 liter går til drikke og matlaging, mens det øvrige går til andre formål, som renhold, hygiene, klesvask, toalettspyling m.m. Vann- forsyningen dekker også behovene til andre enn husholdningene, som næringsliv, brannvesen, skoler, barnehager og helseinstitusjoner.