Redaktion og opdatering af indholdet på denstoredanske.dk er indstillet pr. 24. august 2017. Artikler og andet indhold er tilgængeligt i den form, der var gældende ved redaktionens afslutning.

vand

Oprindelige forfattere JøMad, PeApp og SERa Seneste forfatter Redaktionen

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.

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.

vand, H2O, simpelt opbygget molekyle med 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.

Vandmolekylet

Atomerne i vandmolekylet danner en ligebenet trekant med en H-O-H-vinkel på 104,5° og O-H-afstande på 95,7 pm (pikometer). Elektronerne fordeler sig således omkring atomkernerne, at der i gennemsnit er et lille underskud af elektroner omkring hydrogenkernerne, der således får en svag positiv ladning, og et lille overskud omkring oxygenkernerne, der bliver svagt negativt ladede. Molekylet som helhed forbliver neutralt. Dette medfører, at vandmolekyler udøver en relativt stor tiltrækningskraft på hinanden, idet de svagt positivt ladede hydrogenatomer i et molekyle tiltrækkes af de svagt negativt ladede oxygenatomer i et nærliggende molekyle (hydrogenbinding). Det forklarer det usædvanlig høje smelte- og kogepunkt for en forbindelse af så lav molekylvægt som vands. Til sammenligning har dihydrogensulfid, H2S, hvis molekylvægt er næsten dobbelt så stor som vands, smeltepunkt ved 85,5 °C og kogepunkt ved 60,1 °C.

Normalt øges et stofs densitet ved størkning (stoffet trækker sig sammen), men vand udviser den ejendommelighed, at is har mindre densitet end vand. Ved 0 °C er densiteten af is 0,917 g/cm3. Endvidere formindskes smeltepunktet ved stigende tryk op til 2070 atm: I tripelpunktet ved 0,006 atm er smeltepunktet 0,01 °C, mens det i tripelpunktet ved 2070 atm er 22 °C. Over dette tryk stiger smeltepunktet ved yderligere trykøgning. I tripelpunktet ved 2070 atm er flydende vand i ligevægt med den oprindelige isfase, kaldet is I, og en ny, is III. I trykintervallet 1-25.000 atm har man registreret otte forskellige faser af is, hvoraf de syv er stabile. Ved 21.000 atm er smeltepunktet +75 °C.

Strukturen af is under 2070 atm er relativt åben. Hvert oxygenatom er omgivet af fire andre oxygenatomer i en afstand af 276 pm i tetraedrisk koordination. Røntgen- og neutrondiffraktionsmålinger viser, at iskrystaller er opbygget af H2O-molekyler, der har meget nær samme dimensioner som frie molekyler. Hvert oxygenatom er således bundet til to hydrogenatomer med en O-H-afstand på 100 pm og omgivet af to andre hydrogenatomer fra nabomolekyler i afstanden ca. 170 pm ved en hydrogenbinding. I højtryksmodifikationen is VIII, der er stabil ved tryk over 21.000 atm, er koordinationen omkring oxygenatomerne også tetraedrisk, men her danner oxygenatomerne et mere kompakt netværk af samme type, som findes i diamantstrukturen. Ved smeltning af is ved atmosfæretryk nedbrydes den åbne, ordnede struktur, men i modsætning til det, der sker ved smeltning af andre molekylære væsker, formindskes rumfanget af vand ved smeltning.

I en væske ændres molekylernes indbyrdes placering ustandseligt, og man kan derfor ikke som for en krystal tegne et billede af en struktur, men kun angive gennemsnitsværdier for afstande mellem atomer. Da atomerne og dermed molekylerne har bestemte størrelser, må visse atomafstande optræde hyppigere end andre. Det kan beskrives ved en fordelingsfunktion, og en sådan kan i princippet beregnes fra røntgen- eller neutrondiffraktionsmålinger på væsken. De eksperimentelle målinger og de matematiske operationer er imidlertid alle behæftet med usikkerheder. Tolkningen af fordelingsfunktioner er derfor ikke så sikker, som man kunne ønske. Bedre indsigt i væskers strukturer kan man opnå ved at supplere målingerne med computersimulationer. Her lader man et stort antal molekyler indtage forskellige (mange) konfigurationer under hensyn til, at molekylerne skal opfylde visse kriterier, hvad angår fx afstande og gensidig tiltrækning. De kræfter, hvormed vandmolekyler tiltrækker hinanden, er imidlertid af en meget kompleks natur og endnu ikke definitivt fastlagt. De beregnede konfigurationer er derfor behæftet med en vis usikkerhed. Ud fra simulationerne beregnes en fordelingsfunktion, der sammenlignes med den, der er fundet eksperimentelt. Målinger og beregninger af denne type viser, at vand til en vis grad beholder elementer fra isens struktur. Det er et system med hydrogenbindinger mellem nabomolekyler med oxygenatomerne i et tetraedrisk, tilfældigt orienteret netværk. Afstandene mellem oxygenatomerne er næsten de samme i is og i flydende vand. Strukturen har visse ligheder med amorft, dvs. ikke krystallinsk, siliciumdioxid, SiO2.

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.

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.

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.

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.

Vand. Den lettilgængelige ferskvandsmængde udgør kun 0,3% af Jordens samlede vandmængde. Det indgår i et kredsløb mellem fordampning, fortætning, nedbør, afstrømning direkte til havet eller nedsivning til grundvandet. Ved disse processer fornyes den naturlige beholdning af ferskvand hele tiden. Den tid, vand opholder sig i de enkelte afsnit, er meget forskellig; fx er opholdstiden i havet i gennemsnit 3100 år, i vandløb ca. 3 uger og i søer ca. 10 år.

Vand. Den lettilgængelige ferskvandsmængde udgør kun 0,3% af Jordens samlede vandmængde. Det indgår i et kredsløb mellem fordampning, fortætning, nedbør, afstrømning direkte til havet eller nedsivning til grundvandet. Ved disse processer fornyes den naturlige beholdning af ferskvand hele tiden. Den tid, vand opholder sig i de enkelte afsnit, er meget forskellig; fx er opholdstiden i havet i gennemsnit 3100 år, i vandløb ca. 3 uger og i søer ca. 10 år.

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 om vand i underemnerne herunder.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Jørn Madsen, Peter Appel, Svend Erik Rasmussen: vand i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 22. oktober 2019 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=178238