Vatten är den verkliga källan till liv på jorden och deltar i otaliga biologiska processer och är en integrerad del av dem. Detta är möjligt tack vare dess unika egenskaper som t.ex:

I vår blogg hänvisar vi ofta till vissa egenskaper hos vatten, men fördjupar oss sällan i dess fysik och kemi. Idag ska vi försöka förklara på ett enkelt språk varför vatten inte bara är "källan till livet på jorden", utan också ett verkligt speciellt kemiskt ämne, genom att lyfta fram dess anmärkningsvärda fysikaliska och kemiska egenskaper.

Vattnets fysikaliska egenskaper

Rent vatten har ingen smak eller lukt och är flytande vid normal temperatur (20°C).

"Vatten" är ett trivialt namn; den kemiska föreningen kallas väteoxid. Av namnet kan vi förstå att den innehåller väte- och syrejoner som är förbundna med varandra genom en så kallad kovalent bindning.

Väteatomen har en valens (förmåga att bilda bindningar) på 1 och syreatomen har en valens på 2. Det är därför formeln för vatten är H2O. Dessutom kan varje vattenmolekyl bilda upp till fyra vätebindningar (två väte- och två syrebindningar). Alla avvikelser i vattnets fysikaliska egenskaper är relaterade till dessa bindningar - vatten har en relativt hög kokpunkt (100°C). Om det inte fanns några vätebindningar skulle vatten koka vid en temperatur på -80°C och frysa vid -100°C. Denna struktur gör att vi kan se vatten i tre tillstånd (fast, flytande, gas) i den naturliga miljön. Här har vi bara kortfattat beskrivit vattnets fysikaliska egenskaper, om du vill veta mer om det är du välkommen att läsa vår tidigare artikel där vi har pratat mer om hur vatten kokar och fryser, samt skillnaderna mellan tungt vatten.

Kemiska egenskaper hos vatten

Låt oss gå djupare in på vattnets kemiska egenskaper och hur de hänger samman med vattnets indikatorer på jorden.

För att förstå processer i miljön som involverar vatten som en del av reaktionerna är det viktigt att känna till de viktigaste kemiska egenskaperna hos H2O. Dessa egenskaper kan sammanfattas i en kort lista.

Interaktion av vatten med enkla ämnen

Vattnets kemiska egenskaper blir tydliga i dess reaktion med alkaliska och jordalkaliska metaller, som kan vara ganska kraftig och producera värme och ibland till och med ljus. Natrium, kalium och kalcium kan t.ex. röra sig och till och med "hoppa" på vattenytan.

2Na + 2H2O = H2 + 2NaOH

Mindre aktiva metaller reagerar antingen vid uppvärmning eller inte alls, t.ex. järn:

3Fe + 4H2O = 4H2+ Fe3O4 (endast vid upphettning)

Dessa reaktioner förekommer inte naturligt, men den korrosionsreaktion som uppstår när luft tillsätts vatten är mycket vanlig och visar på en annan kemisk egenskap hos vatten.

4Fe + 3O2 + 6H2O ➝ 4Fe(OH)3.

Den här ekvationen beskriver hur rost bildas på järnytor. Liknande processer kan också ske med koppar, zink och deras legeringar. Reaktioner med icke-metaller sker uteslutande vid uppvärmning eller annan påverkan.

Reaktioner med icke-oxider

Vatten i naturen kommer ofta i kontakt med koldioxid samt svavel- och kväveoxider, som är komponenter i avgaser, genom denna mekanism:

SO2 + H2O = H2SO4.

Som ett resultat av dessa processer bildas surt regn, vilket ytterligare illustrerar vattnets kemiska egenskaper.

Fotosyntesen

Fotosyntesen är en anmärkningsvärd reaktion som gör det möjligt för växter att omvandla koldioxid och vatten till näringsämnen, bland annat stärkelse och glukos, med solljus som energikälla.

Den kemiska ekvationen för fotosyntesen är

6nCO2 + 5nH2O → (C6H10O5)n + 6nO2

Denna ekvation sammanfattar den process genom vilken växter använder vatten för att skapa kolhydrater och frigöra syre. Fotosyntesen är en kritisk process som upprätthåller livet på jorden genom att generera syre och utgöra grunden för många näringskedjor i ekosystemen.

Vatten som idealiskt lösningsmedel

Vatten är ett mångsidigt lösningsmedel som underlättar många osynliga processer, som ofta är de mest fascinerande. Det är dock sällsynt att hitta vatten i sin renaste form i naturen, eftersom det vanligtvis innehåller oorganiska salter, gaser och en mängd olika organiska ämnen. Vattnets naturliga hårdhet är ett resultat av att det rör sig genom stenar, vilket gör att det kan bli mättat med mineraler. Beroende på bergarternas sammansättning, deras löslighet och temperaturen i omgivningen kan vissa koncentrationer av deras joner lösas upp i vatten. Karbonater, sulfater, nitrater av kalcium, magnesium, natrium, kalium och andra katjoner är vanligt förekommande i sådana bergarter. Mineraler som gips (CaSO4), dolomit (CaCO3 - MgCO3) och kalksten (CaCO3) är sannolikt de främsta bidragsgivarna till vattnets hårdhet.

Löst järn och mangan förekommer vanligtvis i naturliga borrhålsvatten, eftersom lösliga järnsalter tenderar att finnas i områden som saknar luft. Källorna är ofta magnetiska, bruna och röda järnmalmer, magnesit och liknande material. Svavelväte förekommer också i grundvatten, där det bildas genom kemiska processer som involverar organiska ämnen. I luften oxideras det lätt till elementärt svavel och fälls ut, ofta utan att vara synligt för det mänskliga ögat.

Naturligt ytvatten innehåller upplöst syre och kvävehaltiga komponenter som härrör från mikroorganismernas vitala aktivitet, t.ex. ammoniak, nitrit och nitrat, som lätt kan omvandlas till varandra. Proteiner och aminosyror kan också hittas i vattendrag. Antropogena aktiviteter tillför de giftigaste föroreningarna till vattnet, t.ex. tungmetallsalter, organiska industriprodukter samt nitrater och fosfater från gödningsmedel.

I vatten sker ständigt olika reaktioner, bland annat utbytesprocesser som leder till att kalkavlagringar som består av kalciumkarbonat fälls ut. Dessutom kan oxiderande-reducerande reaktioner leda till att borrhålsvatten får rostigt järnslam eller sediment.

Sammanfattningsvis gör vattnets kemiska och fysikaliska egenskaper det till ett exceptionellt ämne med många olika användningsområden. Vatten är ett idealiskt lösningsmedel och dess förmåga att lösa upp olika ämnen och uppvisa unika fysiska egenskaper som hög ytspänning och värmeledningsförmåga bidrar till dess utbredda användning i biologiska och industriella miljöer. Genom att beskriva vattnets fysikaliska och kemiska egenskaper får vi en inblick i dess centrala roll för att upprätthålla liv och driva viktiga naturliga processer.