2.2 Vatn

Hæfniviðmið

Að loknum þessum hluta getur þú:

• Lýst eiginleikum vatns sem eru nauðsynlegir til að viðhalda lífi
• Útskýrt hvers vegna vatn er framúrskarandi leysir
• Nefnt dæmi um samloðunar- og viðloðunareiginleika vatns
• Útskýrt hlutverk sýra, basa og jafnalausna í viðhaldi pH-jafnvægis

Hvers vegna eyða vísindamenn tíma í að leita að vatni á öðrum plánetum? Hvers vegna er vatn svona mikilvægt? Það er vegna þess að vatn er lífinu nauðsynlegt eins og við þekkjum það. Vatn er ein algengasta sameindin og sú mikilvægasta fyrir líf á jörðinni. Vatn er um það bil 60-70 prósent af mannslíkamanum. Án þess væri líf eins og við þekkjum það einfaldlega ekki til.

Skautun vatnssameindarinnar og vetnistengin sem af henni leiða gera vatn að einstöku efni með sérstaka eiginleika sem tengjast lífsferlum náið. Lífið þróaðist upphaflega í vatnsumhverfi og flest efnaferli og efnaskipti lífvera eiga sér stað í vatnskenndu innihaldi umfrymisins. Sérstakir eiginleikar vatns eru meðal annars há varmarýmd þess og gufunarvarmi, geta þess til að leysa upp skautaðar sameindir, samloðunar- og viðloðunareiginleikar þess og sundrun þess í jónir sem tengist sýrustigi (pH). Skilningur á þessum eiginleikum vatns hjálpar til við að útskýra mikilvægi þess fyrir viðhald lífs.

Skautun vatns

Einn af mikilvægum eiginleikum vatns er að það er gert úr skautuðum sameindum: vetni og súrefni í vatnssameindum (H₂O) mynda skautuð samgild tengi. Þótt vatnssameind hafi enga nettóhleðslu skapar skautun vatns örlitla jákvæða hleðslu á vetni og örlitla neikvæða hleðslu á súrefni, sem stuðlar að aðdráttareiginleikum vatns. Þessar hleðslur myndast vegna þess að súrefni er rafneikvæðara en vetni; sameiginlegar rafeindir eru því líklegri til að vera nálægt súrefniskjarnanum en vetniskjarnanum og mynda þannig hlutneikvæða hleðslu nálægt súrefninu.

Vegna skautunar vatns dregur hver vatnssameind að sér aðrar vatnssameindir vegna gagnstæðra hleðslna milli þeirra og myndar vetnistengi. Vatn dregur einnig að sér, eða dregst að, öðrum skautuðum sameindum og jónum. Skautað efni sem víxlverkar auðveldlega við vatn eða leysist upp í því kallast vatnssækið. Aftur á móti víxlverka óskautaðar sameindir, eins og olíur og fita, illa við vatn, eins og mynd 2.13 sýnir. Gott dæmi um þetta er salatsósa úr ediki og olíu, þar sem edikið er súr vatnslausn. Slík óskautuð efnasambönd kallast vatnsfælin.

Ástönd vatns: gas, vökvi og fast efni

Myndun vetnistengja er mikilvægur eiginleiki fljótandi vatns og er nauðsynleg lífi eins og við þekkjum það. Þegar vatnssameindir mynda vetnistengi hver við aðra fær vatn einstaka efnafræðilega eiginleika samanborið við aðra vökva. Þar sem lífverur hafa hátt vatnsinnihald er skilningur á þessum efnafræðilegu eiginleikum lykillinn að því að skilja lífið. Í fljótandi vatni myndast og rofna vetnistengi stöðugt þegar vatnssameindirnar renna hver fram hjá annarri. Hreyfing vatnssameindanna, það er hreyfiorka þeirra, veldur því að tengin rofna vegna varmans í kerfinu. Þegar varminn eykst við suðu vatns veldur aukin hreyfiorka vatnssameindanna því að vetnistengin rofna alveg og vatnssameindir geta sloppið út í loftið sem gas, það er gufa eða vatnsgufa. Þegar hitastig vatns lækkar og vatn frýs mynda vatnssameindirnar hins vegar kristalbyggingu sem vetnistengi viðhalda. Þá er ekki næg orka til að rjúfa vetnistengin. Þessi bygging gerir ís eðlisléttari en fljótandi vatn, fyrirbæri sem sést ekki þegar flestir aðrir vökvar storkna.

Lægri eðlismassi vatns í föstu formi stafar af því hvernig vetnistengi raðast þegar vatn frýs: vatnssameindirnar ýtast lengra í sundur en í fljótandi vatni. Hjá flestum öðrum vökvum felur storknun við lækkandi hitastig í sér minni hreyfiorku milli sameinda, sem gerir þeim kleift að pakkast þéttar saman en í vökvaforminu og gefur fasta efninu meiri eðlismassa en vökvanum.

Lægri eðlismassi íss, eins og mynd 2.14 sýnir, veldur því að hann flýtur á yfirborði fljótandi vatns, til dæmis ísjakar eða ísmolar í vatnsglasi. Í vötnum og tjörnum myndast ís á yfirborði vatnsins og býr til einangrandi lag sem verndar dýra- og plöntulíf í tjörninni gegn því að frjósa. Án þessa einangrandi íslags myndu plöntur og dýr í tjörninni frjósa inni í gegnheilum ís og gætu ekki lifað af. Útþensla íss miðað við fljótandi vatn veldur líka skaðlegum áhrifum frosts á lifandi lífverur. Ískristallar sem myndast við frost rjúfa viðkvæmar himnur sem eru nauðsynlegar fyrir starfsemi lifandi frumna og skemma þær óafturkræft. Frumur geta aðeins lifað af frost ef annar vökvi, til dæmis glýseról, kemur tímabundið í stað vatnsins í þeim.

Tengill í námsefni

Smelltu hér til að sjá þrívíddarteiknimynd af grindarbyggingu íss.

Há varmarýmd vatns

Há varmarýmd vatns stafar af vetnistengjum milli vatnssameinda. Vatn hefur hæsta eðlisvarma allra vökva. Eðlisvarmi er það magn varma sem eitt gramm af efni þarf að gleypa eða tapa til að hitastig þess breytist um eina gráðu á Celsíus. Fyrir vatn er þetta magn ein kaloría. Því tekur langan tíma fyrir vatn að hitna og langan tíma að kólna. Reyndar er eðlisvarmi vatns um fimm sinnum meiri en eðlisvarmi sands. Þetta útskýrir hvers vegna land kólnar hraðar en sjór. Vegna mikillar varmarýmdar nota jafnheit dýr vatn til að dreifa varma jafnar um líkamann: það virkar svipað og kælikerfi bíls, flytur varma frá heitum stöðum til kaldra staða og hjálpar líkamanum að viðhalda jafnara hitastigi.

Gufunarvarmi vatns

Vatn hefur einnig háan gufunarvarma, það magn orku sem þarf til að breyta einu grammi af fljótandi efni í gas. Töluvert magn varmaorku, 586 kal, þarf til að valda þessari breytingu í vatni. Ferlið á sér stað á yfirborði vatnsins. Þegar fljótandi vatn hitnar gera vetnistengi það erfitt að aðskilja vatnssameindirnar hverja frá annarri, en það þarf að gerast til að vatnið fari yfir í gasfasa, það er gufu. Fyrir vikið virkar vatn sem varmasvelgur eða varmageymir og þarf mun meiri varma til að sjóða en vökvi eins og etanól, en vetnistengi milli etanólsameinda eru veikari en vetnistengi milli vatnssameinda. Þegar vatn nær loks suðumarki sínu, 100 °C (212 °F), getur varminn rofið vetnistengin milli vatnssameindanna og hreyfiorkan milli þeirra gerir þeim kleift að sleppa úr vökvanum sem gas. Jafnvel undir suðumarki fá einstakar vatnssameindir næga orku frá öðrum vatnssameindum til að sumar yfirborðssameindir geti sloppið og gufað upp. Þetta ferli kallast uppgufun.

Sú staðreynd að rjúfa þarf vetnistengi til að vatn gufi upp þýðir að ferlið krefst verulegrar orku. Þegar vatn gufar upp er orka tekin upp í ferlinu og umhverfið þar sem uppgufunin á sér stað kólnar. Í mörgum lifandi lífverum, þar á meðal mönnum, gerir uppgufun svita, sem er um 90 prósent vatn, lífverunni kleift að kólna og viðhalda samvægi líkamshita.

Leysieiginleikar vatns

Þar sem vatn er skautuð sameind með örlítið jákvæðum og örlítið neikvæðum hleðslum geta jónir og skautaðar sameindir auðveldlega leyst upp í því. Þess vegna er vatn kallað leysir, efni sem getur leyst upp aðrar skautaðar sameindir og jónaefnasambönd. Hleðslurnar á þessum sameindum mynda vetnistengi við vatn og vatnssameindir umlykja ögnina. Þetta kallast vötnunarhvolf eða vötnunarskel, eins og mynd 2.15 sýnir, og það heldur ögnunum aðskildum eða dreifðum í vatninu.

Þegar jónaefnasamböndum er bætt í vatn víxlverka einstakar jónir við skautuð svæði vatnssameindanna og jónatengi efnasambandanna rofna í sundrun. Sundrun á sér stað þegar atóm eða hópar atóma losna frá sameindum og mynda jónir. Tökum borðsalt (NaCl), eða natríumklóríð, sem dæmi: þegar NaCl-kristöllum er bætt í vatn sundrast NaCl í Na⁺- og Cl⁻-jónir og vötnunarhvolf myndast utan um jónirnar, eins og mynd 2.15 sýnir. Hlutneikvæð hleðsla súrefnis í vatnssameindinni snýr að jákvætt hlöðnu natríumjóninni. Hlutjákvæð hleðsla vetnis í vatnssameindinni snýr að neikvætt hlöðnu klóríðjóninni.

Samloðunar- og viðloðunareiginleikar vatns

Hefur þú einhvern tíma fyllt vatnsglas alveg upp að barmi og síðan bætt hægt við nokkrum dropum í viðbót? Áður en það flæðir yfir myndar vatnið hvelfingu fyrir ofan brún glassins. Vatnið getur haldist fyrir ofan glasið vegna samloðunar. Í samloðun dragast vatnssameindir hver að annarri vegna vetnistengja og halda sameindunum saman við skil vökva og gass, það er vatns og lofts, þótt ekki sé meira pláss í glasinu.

Samloðun veldur yfirborðsspennu, getu efnis til að standast rof þegar það er undir spennu eða álagi. Þetta er líka ástæðan fyrir því að vatn myndar dropa á þurru yfirborði frekar en að fletjast út vegna þyngdarafls. Þegar lítill pappírsbútur er settur á vatnsdropa flýtur pappírinn ofan á þótt hann sé eðlisþyngri en vatnið. Samloðun og yfirborðsspenna halda vetnistengjum milli vatnssameinda órofnum og bera hlutinn sem flýtur ofan á. Það er jafnvel hægt að láta nál „fljóta“ ofan á vatnsglasi ef hún er lögð varlega á yfirborðið án þess að rjúfa yfirborðsspennuna, eins og mynd 2.16 sýnir.

Þessir samloðunarkraftar tengjast viðloðun, eiginleika vatns sem felst í aðdrætti milli vatnssameinda og annarra sameinda. Þetta aðdráttarafl er stundum sterkara en samloðunarkraftar vatns, sérstaklega þegar vatn kemst í snertingu við hlaðin yfirborð eins og innra yfirborð þunnra glerpípa sem kallast hárpípur. Við sjáum viðloðun þegar vatn „klifrar“ upp pípu sem sett er í vatnsglas: vatnið virðist standa hærra við hliðar pípunnar en í miðjunni. Þetta gerist vegna þess að vatnssameindir dragast meira að hlöðnum glerveggjum hárpípunnar en hver að annarri og loða því við þá. Þessi tegund viðloðunar kallast hárpípukraftur, eins og mynd 2.17 sýnir.

Hvers vegna eru samloðunar- og viðloðunarkraftar mikilvægir fyrir líf? Þeir eru mikilvægir fyrir flutning vatns frá rótum til laufa í plöntum. Kraftarnir skapa tog á vatnssúluna. Þetta tog stafar af tilhneigingu vatnssameinda sem gufa upp af yfirborði plöntunnar til að halda tengslum við vatnssameindir fyrir neðan sig, þannig að þær dragast með. Plöntur nota þetta náttúrulega fyrirbæri til að flytja vatn frá rótum til laufa. Án þessara eiginleika vatns gætu plöntur ekki fengið vatnið og uppleystu steinefnin sem þær þurfa. Í öðru dæmi nota skordýr eins og vatnahlauparar, eins og mynd 2.18 sýnir, yfirborðsspennu vatns til að haldast á floti á yfirborðslagi vatnsins og jafnvel makast þar.

pH, jafnalausnir, sýrur og basar

pH-gildi lausnar gefur til kynna sýrustig hennar eða basastig.

Þú gætir hafa notað lakkmús eða pH-pappír, síupappír sem hefur verið meðhöndlaður með náttúrulegu vatnsleysanlegu litarefni til að nota sem pH-vísi. Hann prófar hversu mikil sýra (sýrustig) eða basi (basastig) er í lausn. Þú gætir jafnvel hafa notað slíkan pappír til að prófa hvort vatnið í sundlaug sé rétt meðhöndlað. Í báðum tilvikum mælir pH-prófið styrk vetnisjóna í tiltekinni lausn.

Vetnisjónir myndast sjálfkrafa í hreinu vatni við sundrun, eða jónun, lítils hlutfalls vatnssameinda í jafnmargar vetnisjónir (H⁺) og hýdroxíðjónir (OH⁻). Þótt hýdroxíðjónum sé haldið í lausn með vetnistengjum við aðrar vatnssameindir dragast vetnisjónirnar, sem eru berar róteindir, strax að ójónuðum vatnssameindum og mynda oxóníumjónir (H₃O⁺). Samkvæmt venju tala vísindamenn samt um vetnisjónir og styrk þeirra eins og þær væru frjálsar í fljótandi vatni.

Styrkur vetnisjóna sem myndast við sundrun hreins vatns er 1 × 10⁻⁷ mól H⁺-jóna á lítra af vatni. Mól (mol) er leið til að tjá efnismagn, hvort sem um er að ræða atóm, sameindir, jónir eða aðrar eindir. Eitt mól samsvarar atómmassa efnis, gefnum upp í grömmum, og inniheldur jafn margar einingar og eru atóm í 12 grömmum af ¹²C. Stærðfræðilega er eitt mól jafnt og 6,02 × 10²³ eindir af efninu. Þess vegna er 1 mól af vatni jafnt og 6,02 × 10²³ vatnssameindir. pH er reiknað sem neikvæður lógaritmi með grunntölu 10 af þessum styrk. Log₁₀ af 1 × 10⁻⁷ er -7,0 og neikvæða gildið af þeirri tölu, sem „p“ í „pH“ vísar til, gefur pH 7,0, sem er hlutlaust pH. pH inni í frumum manna og í blóði eru dæmi um tvö svæði líkamans þar sem næstum hlutlausu pH er viðhaldið.

Óhlutlaus pH-gildi stafa af því að sýrur eða basar leysast upp í vatni. Með því að nota neikvæðan lógaritma til að fá jákvæðar tölur gefur hár styrkur vetnisjóna lága pH-tölu, en lágur styrkur vetnisjóna leiðir til hás pH. Sýra er efni sem eykur styrk vetnisjóna (H⁺) í lausn, venjulega með því að láta eitt vetnisatóm sitt sundrast frá sér. Basi gefur annaðhvort frá sér hýdroxíðjónir (OH⁻) eða aðrar neikvætt hlaðnar jónir sem sameinast vetnisjónum, minnka styrk þeirra í lausninni og hækka þar með pH-gildið. Þegar basi losar hýdroxíðjónir bindast þær frjálsum vetnisjónum og mynda nýjar vatnssameindir.

Því sterkari sem sýran er, því auðveldara gefur hún frá sér H⁺. Til dæmis sundrast saltsýra (HCl) alveg í vetnis- og klóríðjónir og er mjög súr, en sýrurnar í tómatsafa eða ediki sundrast ekki alveg og eru veikar sýrur. Aftur á móti gefa sterkir basar auðveldlega frá sér OH⁻ eða taka upp vetnisjónir. Natríumhýdroxíð (NaOH) og mörg hreinsiefni til heimilisnota eru mjög basísk og gefa hratt frá sér OH⁻ þegar þau eru sett í vatn og hækka þar með pH-gildið. Dæmi um veika basíska lausn er sjór, sem hefur pH nálægt 8,0. Þetta er nógu nálægt hlutlausu pH til að sjávarlífverur hafi aðlagast því að lifa og þrífast í söltu umhverfi.

pH-kvarðinn er, eins og áður sagði, öfugur lógaritmískur kvarði og spannar frá 0 til 14 (mynd 2.19). Allt undir 7,0 (frá 0,0 til 6,9) er súrt og allt yfir 7,0 (frá 7,1 til 14,0) er basískt. Öfgar í pH í hvora átt frá 7,0 eru yfirleitt óhentugar fyrir líf. pH inni í frumum (6,8) og pH í blóði (7,4) eru bæði mjög nálægt hlutlausu. Hins vegar er umhverfið í maganum mjög súrt, með pH 1 til 2. Hvernig lifa magafrumur af í svo súru umhverfi? Hvernig viðhalda þær næstum hlutlausu pH innra með sér? Svarið er að þær geta það ekki og deyja stöðugt. Maginn framleiðir stöðugt nýjar frumur í stað þeirra dauðu, sem magasýrurnar melta. Vísindamenn áætla að mannslíkaminn endurnýi magaslímhúðina að fullu á sjö til tíu daga fresti.

Tengill í námsefni

Horfðu á þetta myndband til að fá einfalda útskýringu á pH og lógaritmískum kvarða þess.

Hvernig geta lífverur sem þurfa næstum hlutlaust pH í líkamanum innbyrt súr og basísk efni, til dæmis þegar manneskja drekkur appelsínusafa, og lifað af? Jafnalausnir eru lykillinn. Jafnalausnir taka auðveldlega við umfram H⁺ eða OH⁻ og halda pH líkamans innan þess þrönga bils sem þarf til að lifa af. Að viðhalda stöðugu pH í blóði er mikilvægt fyrir velferð einstaklings. Jafnakerfið sem viðheldur pH í blóði manna felur í sér kolsýru (H₂CO₃), bíkarbónatjón (HCO₃⁻) og koltvíoxíð (CO₂). Þegar bíkarbónatjónir sameinast frjálsum vetnisjónum og verða að kolsýru fjarlægir það vetnisjónir og dempar pH-breytingar. Á sama hátt, eins og mynd 2.20 sýnir, getur umfram kolsýra breyst í koltvíoxíðgas sem við öndum frá okkur um lungun. Þetta kemur í veg fyrir að of margar frjálsar vetnisjónir safnist upp í blóðinu og lækki pH blóðsins hættulega mikið. Sömuleiðis, ef of mikið OH⁻ berst inn í kerfið, sameinast kolsýra því og myndar bíkarbónat, sem hækkar pH. Án þessa jafnakerfis myndi pH líkamans sveiflast nógu mikið til að stofna lífi í hættu.

Önnur dæmi um jafnalausnir eru sýrubindandi lyf sem sumt fólk notar gegn of mikilli magasýru. Mörg þessara lyfja, sem fást án lyfseðils, virka á svipaðan hátt og jafnakerfi blóðsins, yfirleitt með að minnsta kosti einni jón sem getur tekið við vetnisjónum og stillt pH. Þannig veita þau fólki sem fær brjóstsviða eftir mat létti. Einstakir eiginleikar vatns sem stuðla að þessari getu til að jafna pH, ásamt öðrum eiginleikum vatns, eru nauðsynlegir til að viðhalda lífi á jörðinni.

Tengill í námsefni

Til að læra meira um vatn getur þú heimsótt vefsíðu U.S. Geological Survey, Water Science School: All About Water.