Vand i trefaser: flydende, fast (is) ogdamp, som er usynlig. Skyerne er vanddråber, der er fortættet fra luftenVandhane i enschweizisk landsbyVand er en livsnødvendighed. Alt, hvad der samler vand, bidrager til organismernes overlevelse.
Kemikere omtaler ofte i spøg vand somdihydrogen monoxid ellerDHMO, der er det systematiske navn for dette molekyle i det kemiskefagsprog. Det sker især i parodier på kemisk forskning, som kræver denne “dødelige kemiske forbindelse” forbudt.[2] Et accepteret og brugtIUPAC-navn eroxidane, men det bruges sjældent andre steder.[3][4]
Temperaturenhederne (tidligere °Celsius, nuKelvin) er fastlagt ud fra vandstripelpunkt: 273,16 K (= 0,01°C) og 611,2 Pa er den temperatur og dettryk, hvor vand i alle tretilstandsformer findes samtidig, også kaldetfaser (is, vand og damp), og er i ligevægt med hinanden.
Ved temperaturer højere end 647 K og et tryk større end 22.064 Mpa vil en samling vandmolekyler gå over i ensuperkritisk tilstand, hvor det er muligt at ændre temperatur og tryk, så man går fra væskeformigt til dampformigt vand uden en faseovergang. Det er altså ikke klart, hvor grænsen mellem væskeformigt og dampformigt vand går over det kritiske punkt.
Hydrosfæren er en betegnelse for alt det vand, der er påJorden, uanset fase. Jordens hydrosfære er beregnet til at være ca. 1.360.000.000 km3. Oceanerne udgør 97% af hydrosfæren, resten udgøres af floder og søer,grundvand,kryosfæren (is), vanddamp iatmosfæren,krystalvand i mineraler og bjergarter samt vandet i de levende organismer. Jordens ældste vand er fundet i Canada 2,4 km under overfladen.[5] Andre himmellegemer kan også have hydrosfærer, f.eks.kometer,Merkur, jupitermånenEuropa, saturnmånenEnceladus og uranusmånenOberon, menJorden er indtil nu den enestevandverden, vi kender i detaljer.
Jordens hydrosfære er formentlig "genbrug" frakometer,asteroider og andre "snavsede snebolde", himmellegemer, der for 4,1 til 3,85 milliarder år siden under "Det Store Bombardement" bidrog med det meste af klodens vand. Det er stadig et helt åbent spørgsmål om det store bombardement har haft en direkte indflydelse på det aller-tidligsteliv - for eksempel som at plante livet på Jorden eller som den aller-førstemasseudslettelse.
Et vigtigt træk ved vand er dets polære karakter. Vandmolekylet danner en vinkel med brintatomerne for enden af 'benene' og iltatomet ved vinkelspidsen. Dailt har en højereelektronegativitet endbrint, får iltenden af molekylet en negativ ladning i forhold til brintenden. Et molekyle med sådan en forskel i ladning kaldes endipol. Den samme forskel gør, at vandmolekylerne tiltrækker hinanden (de forholdsvis positive brintender tiltrækkes af de forholdsvis negative iltender) og andre polære molekyler. Denne tiltrækning er kendt sombrintbinding eller hydrogenbinding. Vand kan betragtes som enpolymer af vandmolekyler.
Den forholdsvis svage tiltrækning (set i forhold til dekovalente bindinger inden i vandmolekylet selv) medfører fysiske egenskaber f.eks. et meget højtkogepunkt, da der kræves en hel delvarmeenergi for at bryde brintbindingerne mellem molekylerne.Svovl er grundstoffet lige neden under ilt i detperiodiske system, men dets tilsvarende forbindelse,svovlbrinte (brintsulfid, H2S), har ikke brintbindinger, og selv om stoffet har dobbelt så høj enmolekylvægt som vand, optræder det somgas ved stuetemperatur. Den ekstra binding mellem vandmolekylerne giver desuden vand en højvarmekapacitet.
Derudover giver brintbindingerne vand en usædvanlig reaktion, når det fryser. Væsken bliver – som hos de fleste andre materialer – mere tung med faldende temperatur. Men i modsætning til de fleste andre stoffer medfører brintbindingerne, at molekylerne under den omflytning, der sker for at mindske deresenergi ved afkøling tæt på frysepunktet, i stedet danner en struktur, der fylder mere og har en lavere massefylde: derfor kan den faste form, is, flyde på vand. Mens de fleste andre stoffer krymper ved overgang til fast form, udvider vand sig, når det størkner. Flydende vand har sin største tæthed (vægt) ved en temperatur på 4°C. Det har en interessant konsekvens for vandlevende væsner ved vintertide. Vand, som afkøles ved overfladen, bliver tungere og synker ned. Det fremkalderkonvektionsstrømme, der afkøler hele vandmassen, men når vandets temperatur kommer under 4°C, bliver vandet på overfladen lettere og flyder ovenpå som et lag, der til sidst danner is. Da den nedadgående konvektionsstrømning af koldt vand blokeres, når skiftet i vægt finder sted, vil enhver større vandmasse, der fryser til om vinteren, have hovedparten af sit vand i flydende form ved 4°C neden under isoverfladen.
Dette gør det muligt for fisk og andre dyr at overleve under isen. Det er i øvrigt også ét af de vigtigste eksempler på de fint afpassede fysiske egenskaber, som understøtter liv på Jorden. Det bruges som begrundelse for detantropo-kosmologiske princip.En yderligere konsekvens er, at is smelter, når den kommer under tilstrækkeligt tryk.
Vands dipolære karakter medfører desuden, at mangeioner i vandig opløsning krystalliserer til fast stof under systematisk indlejring af vandmolekyler i krystalstrukturen. Man kalder vandmolekyler, der sidder mellemionerne i enkrystalsiongitter, forkrystalvand. Normalt kan man ikke se på en krystal eller et salt, om det indeholder krystalvand, men hvis et stof med krystalvand opvarmes, kan man både se og høre, at krystalvandet undviger fra iongitteret. I forbindelse hermed ændres gitterstrukturen.
Vand er også et godtopløsningsmiddel på grund af dets polaritet og dets evne til at dannehydrogenbindinger. Når en forbindelse iionform eller polær form blandes med vand, bliver den omgivet af vandmolekyler. Deres relativt ringe størrelse tillader typisk mange vandmolekyler at samle sig om ét molekyle af det opløste stof. De delvis negative dipoler i vandet tiltrækkes af de positivt ladede dele af stoffet og omvendt for de positive dipoler.
I almindelighed kan ioniserede og polære stoffer som f.eks.syrer,alkoholer ogsalte letopløses i vand, modsat ikke-polære stoffer somfedtstoffer ogolier. De ikke-polære molekyler samles i vandet, da det er energimæssigt mere fordelagtigt for vandmolekylerne at bindes til hinanden ved brintbindinger snarere end at dannevan der Waals-forbindelser med ikke-polære molekyler.Et eksempel på et ioniseret stof erbordsalt (natriumklorid, NaCl); stoffet deles i Na+-kationer og Cl--anioner, der begge omgives af vandmolekyler. Derefter kan ionerne let flyttes fra deres krystalgitter ud i opløsningen. Et eksempel på et ikke-ioniseret stof er sukker. Vand-dipolerne knyttes ved hjælp af brintbindinger til dipolære områder af sukkermolekylet og tillader, at det føres ud i opløsningen.
Vandets evne til at opløse stoffer er afgørende i biologiske sammenhænge, da mangestofskifteprocesser kun kan foregå i opløsning (f.eks. reaktionerne icytoplasmaet og iblodet).
Ungarsk mønt der hænger i vandoverfladen pga. overfladespændingen.
Hydrogenbindingerne giver vandet en stor sammenhængsevne og derfor også en høj overfladespænding. Dette ses klart, når små mængder vand anbringes på en overflade, der ikke kan opløses, og vandet samler sig idråber. Denne egenskab er vigtig for vandets transport op gennemvedkarrene i planternes stængler. De stærke bindinger mellem molekylerne holder vandsøjlen sammen og udligner trykforskelle gennem sugekraften, der er fremkaldt af fordampning fra plantens overflade. Andre væsker med en lavere overfladespænding ville have tilbøjelighed til at blive revet fra hinanden, hvad der kunne fremkaldevakuum eller luftlommer og gøre transport i vedkarrene umulig.
Et specielt udtryk for vands egenskaber er den såkaldte “vandbro”.[6]
Bemærk at flydende vand (H2O) har en ganske højvarmefylde i forhold til andre stoffer der er almindelige på jordoverfladen. Dette er grunden til at klimaet i egne der er omgivet af meget hav, f.eks.Danmark, er mere temperatur-stabilt end det mere ekstremefastlandsklima. Man kunne sige at vand er en varmepuffer, der begrænser temperaturens udsving på Jorden.
En af de interessante egenskaber ved H2O er, at is har en mindre massefylde (densitet) end vand. Vands massefylde er på præcis 1,000 g/cm3 ved 3,8 grader Celsius, mens massefylden af is er 0,917 g/cm3 ved 0 grader Celsius. Årsagen er, at isen har en åben krystalstruktur.H2O er et af de få stoffer, der har denne egenskab.
Putter man f.eks. en isterning ned i et glas vand, vil man iagttage, at isterningen flyder i vandoverfladen, hvilket netop skyldes massefyldeforskellen mellem is og vand.
Denne usædvanlige opførsel har stor betydning for livet i søer og have. Om vinteren fryser åbne vande til fra oven. Det opbyggede islag virker herefter som isolator, der forhindrer bundfrysning på nær i meget lavvandede søer og have. Det betyder, at vandlevende dyr kan overleve måneders isdække.
En af ulemperne ved, at H2O udvider sig ved overgangen fra flydende til fast form, er faren for frostsprængning afvandrør ogvandbeholdere. Om vinteren er det derfor nødvendigt at holde temperaturen lidt over 0°C i alle huse eller at tømme rør og beholdere for vand.
Rent vand er i virkeligheden isolerende, dvs., at det ikke lederelektrisk strøm særlig godt. Da vand er så effektivt et opløsningsmiddel, indeholder det oftest nogle stoffer i opløsning (f.eks. forskellige salte). Hvis vand har den slags urenheder i sig, er det derimod en god leder for elektrisk strøm. Fordi der er frie ioner i vandet, der bliver elektrisk ladede.
Vand skilles i sine to bestanddele, brint og ilt, når en elektrisk strøm passerer gennem det. Processen kaldeselektrolyse. Vandmolekyler dissocierer naturligt i H+- og OH--ioner, der trækkes hen mod henholdsviskatoden oganoden. Ved katoden optager to H+ ioner hver en elektron og dannerH2 gas (brint). Ved anoden samles fire OH--ioner og frigiverO2 gas (ilt), molekylært vand og fireelektroner. Gasserne bobler op mod overfladen og kan samles op der.
Kemisk set er vandamfoterisk: det er i stand til at virke både somsyre ogbase. Ved etpH på 7 (neutral) er koncentrationen af hydroxyd-ioner (OH-) lig med mængden af hydronium- (H3O+) og brintioner (H+) tilsammen. Hvis denne ligevægt forskydes, bliver vandet surt (højere koncentration af hydronium- og brintioner) eller basisk (højere koncentration afhydroxidioner).
I teorien har rent vand et pH på 7, men i virkeligheden er det svært at skaffe helt rent vand. Når vand er i kontakt med luft selv i kort tid, opløser detCO2 og danner en fortyndet kulsyre. Det medfører en pH-sænkning til ca. 5,7 ved normalt atmosfærisk partialtryk af CO2. Højere partialtryk af CO2 medfører lavere pH, mens lavere partialtryk medfører højere pH (op til pH 7 ved partialtryk på 0), jf.havenes forsuring ved den globale stigning af asmosfærens CO2-indhold.
Renset vand bruges til mange industrielle formål, men også i husholdningen. Mennesker har brug for vand, der ikke indeholder alt for meget salt eller andre urenheder. De almindeligste urenheder omfatter kemikalier og skadeligebakterier. Nogle slags opløste stoffer er acceptable eller tilmed ønskværdige for at fremhæve smagen. Vand, der er egnet til drikkebrug, kaldesdrikkevand.Gængse metoder til rensning af vand er:
Filtrering, hvor vandet passerer ensi med tilstrækkeligt fin maskestørrelse. Selv om filtrering ikke renser vand, kan det være et nødvendigt første skridt for at undgå, at partikler forhindrer den egentlige rensning.
Kogning, hvor vandet bringes i kog længe nok til at uskadeliggjort eller dræbemikroorganismer. Kogning kan også fjerne ”"hårdhed"” i vandet ved, atkalk udfældes somkedelsten. Metoden fjerner dog ikke andre mineralske stoffer fra vandet.
Filtrering med aktivt kul (setrækul). Det er den mest brugte metode til rensning af vand i husholdninger ogakvarier.
Destillation, hvor vandet bringes i dampform vedkogning, hvorefter dampen fortættes under afkøling. På denne måde kan man levere næsten helt rent vand (99,9%), men enkelte stoffer vil dog følge med vanddampen og fortættes sammen med den.
Omvendt osmose er en metode, hvor man udnytter en såkaldt halvgennemtrængelig hinde (semipermeabel membran). Ved normalosmose vil vandet af egen kraft bevæge sig gennem hinden i retning fra den svageste til den stærkestekoncentration af opløste stoffer. Ved omvendt osmose sætter man den forurenede vandmængde under et tryk, der er stærkt nok til at presse vandet i modsat retning. Hinden bruges altså som etfilter.
Demineralisering er en proces, hvor vandet passerer et filter medharpiksagtige stoffer, der bindermetalioner. På den måde kan man fremstille store mængder blødt, om end ikke helt rent, vand.
Danmark anvender 750 millioner kubikmeter drikkevand om året, heraf 170 millioner kubikmeter i industri.[7]
Netop fordi vand er nødvendigt for livet på Jorden, har det altid haft en central rolle i mytologi og folkesagn.
Førhen dansede mange nordamerikanske indianerstammer regndans i tørketider i håb om, at det ville bringe dem regnvand. Bibelen har historien om syndfloden, der truer med at udrydde livet på Jorden, hvilket Noas ark forhindrer. Et andet bibelsk eksempel er, da Moses får havet til at dele sig og danne en tør flugtvej, ad hvilken han og hans følge kan undslippe Faraos hær.
Nogle religioner havde havguder. Nordboernes havgud hedNjord, romernesNeptun og grækernesPoseidon.
