Vattnets fysikaliska egenskaper

På grund av sin intressanta molekylstruktur får vattnet, förutom en del kemiska egenskaper, också några ovanliga fysikaliska egenskaper. I den här artikeln går vi igenom dessa. En god idé kan vara att först repetera artikeln om de kemiska egenskaperna, eftersom den här artikeln delvis bygger på den.

 

Hög kok- och smältpunkt

Tack vare att vattenmolekyler i och med vätebindningarna håller ihop så utomordentligt bra, får vatten en mycket hög kok- och smältpunkt. Som du kan läsa i artikeln om fasövergångar kokar/smälter ett ämne när bindningarna mellan molekylerna försvagas eller bryts. Då vatten har mycket starka sådana bindningar hamnar smältpunkten på 0 °C och kokpunkten på 100 °C. Liknande ämnen, som inte är lika polära, har betydligt lägre smält- och kokpunkter; för svavelväte, H2S, ligger båda punkterna till exempel en bra bit under 0 °C.

Temperaturen i vår omgivning varierar från under smältpunkten för vatten upp till över kokpunkten. Detta gör att vatten går att hitta i alla tre aggregationsformerna i vardagen; is i frysen, flytande vatten i kranen, och vattenånga över en kastrull med kokande vatten på spisen är bara några exempel.

Vi kan också notera att Celsius-skalan som man mäter temperatur med är anpassad efter vattnets smält- och kokpunkter. Det är ingen slump att de är placerade på så behändiga värden som 0 och 100.

 

Ytspänning

En insekt som går på vatten.

En mycket fascinerande egenskap hos vatten är den så kallade ytspänningen, som uppstår vid gränsen mellan vatten och luft. Den har att göra med att vattmolekyler är väldigt polära, och därför kan skapa starka bindningar till varandra. Samtidigt kan de inte alls kan skapa lika starka bindningar till gasmolekylerna i luften (N2, Oosv.) eftersom dessa är väldigt opolära. För att bilda så många starka bindningar som möjligt försöker vattenmolekylerna därför att få kontaktytan med luften att bli så liten som möjligt.

Detta fenomen gör att vattnet får som en slags elastisk hinna på sin yta, som gör motstånd mot att släppa in ämnen i vattnet som är mindre polära än vattenmolekylerna själva.

Det är tack vare detta som små och lätta djur (som vattenskräddaren på bilden) med opolära ämnen på sina ben kan gå på vattnet. Om skräddaren skulle sjunka skulle de opolära benen komma i kontakt med vattnet och störa vattenmolekylernas starka bindningar till varandra – och det vill vattnet till varje pris undvika. Är skräddaren är tillräckligt lätt och har tillräckligt opolära ben kan alltså ytspänningen motverka tyngdkraften på skräddaren och hålla den flytande.

Du kan också lägga lätta saker såsom ett gem, på en vattenyta om du är försiktig tack vare ytspänningen. Men att till exempel båtar flyter i vatten beror i stället på något som kallas Arkimedes princip – och det är något som vi kemister lämnar över till fysikerna att förklara.

Vattnets höga ytspänning leder också till kapillärkraften. Med hjälp av den kan vatten ”klättra” uppåt i mycket smala rör – så kallade kapillärer – om rörens yta är tillräckligt polär. Detta är en av flera kemiska och fysikaliska fenomen som växter utnyttjar när de leder vatten från rötterna till sina högre delar.

Det är dock inte bara vatten som har ytspänning. Fenomenet finns mer eller mindre hos alla vätskor. Men hos vatten är den särskilt stor, mycket på grund av de starka krafterna som håller ihop vattenmolekyler. Vi kan dock ”störa” denna förmåga genom att exempelvis tillsätta ett par droppar diskmedel. De stora, klumpiga molekylerna från diskmedlet lägger sig mellan vattenmolekylerna, som får svårare att uppräthålla den höga ytspänningen. Plötsligt blir det med ens omöjligt att till exempel lägga ett gem på vattenytan.

Figur som visar hur vattnets ytspänning kan störas av tensider.

Värmekapacitet

En annan viktig egenskap hos vatten är dess stora värmekapacitet. Har du någon gång testat att bada utomhus en sommarkväll har du förmodligen märkt att vattnet är förhållandevis varmt – trots att luften har hunnit svalna rejält. Och du har säkert också märkt att vattnet i en sjö ofta är väldigt kallt på våren, även under soliga vårdagar när luften är rätt var.

Detta har sin förklaring i vattnets värmekapacitet. Till skillnad från många andra ämnen är vatten nämligen en riktig hejare på att hålla kvar värme. Detta leder exempelvis till att vatten (i exempelvis en sjö) kallnar mycket långsamt. Men det är också så att det tar lång tid värma upp vatten, mycket längre tid än det tar att värma upp luften eller marken. Kort och gott kan vi säga att vatten inte är så känsligt för temperaturförändringar. Tvärtom är det med exempelvis luft och jord, som relativt enkelt kan skifta temperatur.

Mycket på grund av detta använder man vatten för att kyla maskiner inom industrin. Vatten kan ta emot mycket värmeenergi utan att temperaturen stiger något nämnvärt.

Följden av detta blir också att det lätt uppstår skillnader mellan temperaturen till havs och på land. För att utjämna dessa skillnader uppstår vind och vågor. Vattnets höga värmekapacitet är alltså en viktig orsak till jordens olika väderförhållanden.


Artikeln skriven av Oskar Henriksson. Lämna feedback / ställ en fråga.
Publicerad 1 augusti 2011. Senast uppdaterad 31 oktober 2017.

Kommentarer är stängda