Vatten känns som ett odramatiskt ämne men tittar man lite närmare är det alldeles tvärtom. Våra kroppar är till mer än 2/3 vatten, H2O. Varje vattenmolekyl består av en syre– och två väteatomer.
- Syre i gasform (O2) kan förenklat beskrivas som en molekyl av två kovalent [1] bundna syreatomer. De har vardera 8 positivt laddade protoner och 8 elektriskt neutrala neutroner i atomkärnan. För att atomen skall bli elektriskt neutral omges den av 8 (negativa) elektroner i två ”moln” (orbitaler), ett inre med 2 och en yttre med resterande 6 elektroner. Då de yttre orbitalerna inte är kompletta (8 elektroner) så är syre reaktionsbenäget. Den kan nöja sig med att gå armkrok med en annan syreatom och bilda en syrgasmolekyl.
- Väte i gasform (H2) är två kovalent bundna väteatomer med vardera 1 proton och 1 elektron som normalt finns i sin lägsta ”bana”, den med lägst energi. Inte heller atomärt väte har sin orbital fylld, där finns en elektron där det finns plats för två.
Vattenmolekylen får speciella egenskaper genom att väteatomer binds hårt till syreatomen (kovalent!) men lite osymmetriskt, de sitter som öronen på Musse Piggs huvud.
Väteatomerna delar vardera ett par elektroner med syret, sammanlagt 4, medan syret fortfarande har 4 för egen del i yttre elektronmolnet [1] (de inre 2 berörs inte). Eftersom alla elektroner repellerar varandra men ändå skall ”få plats” blir lösningen (med lägst energi) att vätemolekylerna hamnar lite på sned.
Bilden ger intryck av väldigt exakta mått, men det är medelvärden! Väteatomerna kan röra sig relativt syreatomen, dels mot och från samtidigt (symmetriskt) eller i mottakt (asymmetriskt). Väteatomernas inbördes vinkel kan också variera, saxa. Beroende på inblandade fjäderkonstanter sker det vid olika frekvenser. Hela molekylen kan också tippa runt i olika plan. Flera olika kombinationer kan inträffa samtidigt vilket ger komplexa resonansfrekvenser som kännetecknar dess funktion som växthusgas.
Då syret har en massivare atomkärna med större positiv laddning kommer de delade elektronerna att tillbringa något mer tid nära syret, den sidan kantrar mot att vara negativ i kontrast till väteatomerna som förefaller mer positiva. Även om molekylen som helhet är elektriskt neutral kommer den vid mycket närgånget betraktande att ha en något mer negativt laddad sida och två lätt positiva ”väteöron”. Den har därför osymmetrisk laddning och vattenmolekylen kallas därför polär vilket ger vatten många unika egenskaper.
När två vattenmolekyler finns tillräckligt tätt intill varandra kommer den enas väteatom att attraheras av den andres syreatom. Det kallas vätebindning, en svag elektrostatisk attraktion, de delar aldrig elektroner och deras inbördes avstånd är dubbelt så stort som den kovalenta bindningen mellan syre och väte i vattenmolekylen. Kraften är liten (ungefär 1/20) jämfört med en kovalent bindning och vid rumstemperatur varar den mindre än 20 picosekunder [2]. Om en bindning löses upp bildas en ny inom 0,1 picosekund. Detta gör att vatten är en vätska som mycket snabbt anpassar sig till omgivningen och är ytterst rörligt.
Har vi många vattenmolekyler tillsammans i rumstemperatur kommer deras inbördes rörelser på grund av värme att oupphörligt skapa och upplösa vätebindningarna. En vattenmolekyl kan delta i allt mellan 0 till maximalt 4 vätebindningar, i det kaos som råder i vatten gäller i genomsnitt 3,4 bindningar.
När vattnets temperatur sjunker minskar de enskilda vattenmolekylernas rörelser och de tar lite mindre plats. Vattnets densitet (täthet) är som störst vid cirka 4 grader och gör att tillräckligt djupa sjöars bottentemperatur är nära konstant +4 grader året om.
Sjunker vattentemperaturen under 4 grader börjar vattenmolekylerna gradvis att anpassa sig till en struktur som tar mer plats, har lägre densitet. Om vattenmolekylernas egenrörelser begränsas kraftigt börjar de ordna sig så att var och en binder till exakt 4 andra, de kristalliserar till is som tar mer plats än i vätskeform, därför flyter is.
När vi når vattnets frystemperatur men innan alla vattenmolekyler ”lugnat ner sig” och binder till fyra andra måste vi avlägsna avsevärda mängder energi/värme. [3] Detta märks tydligt när vi använder is för att kyla en dryck. Upptiningen tar rätt lång tid, men när isen är borta stiger temperaturen i resten mycket snabbt. Om det finns något kvar i glaset, vill säga.
Vätebindningar mellan molekyler är veka i jämförelse med de kovalenta inom vattenmolekylen, men is är trots det starkt! Även om en enskild vätebindning är rätt svag så kommer blotta mängden och det faktum att de är välordnade och långtidsstabila kristallmönster att ge den nödvändiga styrkan. Jag tror att det räcker med 60 cm kärnis för att köra en stridsvagn, men kolla först innan du provar.
Vatten har ytspänning, du kan försiktigt lägga en nål eller ett rakblad på vatten i ett glas och det flyter. Vi har alla sett hur de små skräddarna oförfärat springer på vattnet. Hur kan det gå till? Svaret finns hos vätebindningarna.
Just i vattenytan finns lika många potentiella vätebindningar som i resten av vattnet men inga vänds uppåt/utåt, där finns inget att binda till. Därför kommer fler att binda till vattenmolekylen intill vilket skapar en något högre kraft i sidled än inåt vattenmassan/droppen, det vi kallar ytspänning.
Temperatur är ett mått på molekylernas genomsnittliga vibration. I molekylskalan kan det skilja avsevärt mellan enskilda vattenmolekyler, allt mellan närmast orörlig och upp till mer än tillräckligt för att lösgöra sig från grannarnas vätebindningar. Att det är så märker vi om vi ställer fram ett öppet kärl med vatten. Efter några dagar har vattennivån minskat fullt märkbart även vid rumstemperatur. När vi var borta 5 veckor i sträck var till och med iskuberna i frysens -20 grader betydligt mindre än från början! Enskilda vattenmolekylers energi i kristaller kan alltså, slumpmässigt, bli så hög att de kan skaka sig loss och direkt övergå till vattenånga även i -20 grader, förmodligen lägre.
Vattnets frystemperatur är tämligen konstant men koktemperaturen varierar kraftigt beroende på lufttrycket. Atomer och molekyler i luften motverkar vattenmolekylernas flyktförsök och riktar om dem så att många hamnar i vattnet igen. Först när man når den temperatur/rörelseenergi som gör att merparten vattenmolekyler klarar att lämna vattenytan för gott säger man att det kokar. Då vatten är polärt och domineras av vätebindningar hamnar kokpunkten högt och det går åt rejält med energi för att göra vattenånga/vattengas av en liter vatten. [4]
Sammanfattning: Bindningar mellan atomer/molekyler i is är jämförelsevis starka (det är ändå bara vätebindningar, men många!) med fixerade vinklar/positioner relativt varandra. När temperaturen ökar vibrerar molekylerna allt mer till dess de tappar sina inbördes lägen och kan röra sig som i en vätska. Blir temperaturen ännu högre kan molekylerna frigöra sig helt till en gas.
[1[ Fysiker och kemister är mer noga, de använder begrepp som orbital istället. De är funktioner som beskriver sannolikheten att finna en elektron på en speciell plats.
[2] En picosekund är 10-12 sekunder eller 0,000 000 000 001 sekund
[3] Man måste avlägsna 80 kcal (334 kJoule) för att omvandla 1 kilo nollgradigt vatten till nollgradig is.
[4] Det krävs 540 kcal (2260 kJoule) för att förånga 1 kilo vatten. Att värma är ett sätt, kommer du på något annat?
Ur min synvinkel, kanske inte din... 