Vann

Universalløsningsmiddel og en forutsetning for den form for liv vi kjenner. Vann består av et oksygenatom kovalent bundet til to hydrogenatomer. Vann er den viktigste vekstfaktoren for planter. Alle organismer er avhengig av vann. Vann forekommer i tilstandsfasene is, vann og vanndamp, og vanndamp har et vanndamptrykk. Hvilken vei vann vil bevege seg avhenger av vannpotensialet. Vanndamp er en drivhusgass som gir drivhuseffekt

Flytende vann foreligger som ferskvann, brakkvann eller hav med  saltvann. Regn, og smelting av snø, is og isbreer gir ny tilførsel av ferskvann, og som via bekker og elver renner ut mot havet, og danner en hydrologisk syklus

Vannmolekylet

Oksygen er sterkt elektronegativt og trekker derfor sterkt på elektroner slik at elektroner som deles mellom O-H bindingen befinner seg i gjennomsnitt nærmere oksygenatomet enn hydrogen og oksygenatomet får derfor negativ ladning mens den tilsvarende positive ladningen deles mellom de to hydrogenatomene. Vann blir derfor et polart molekyl hvor vannmolekylene henger sammen med hydrogenbindinger (ca. 20 kJ mol-1) som gir vannet mange av sine karakteristiske egenskaper. Hydrogenbindingene gjør at vann også bindes til andre molekyler og overflater og danner hydratiseringsskall rundt makromolekyler og ioner. Vann bundet til proteiner er helt avgjørende for stabiliteten til proteinene. Vann har termiske egenskaper og løsningsmiddelegenskaper som dyr og plantene har tilpasset seg til. Store varmemengder deltar i fordampning og kondensering av vann. Vann inngår i biokjemiske reaksjoner. Vann er gjennomsiktig slik at lys slipper inn i cellene. Vann strømmer kontinuerlig gjennom ledningsvevet i plantene.

Transpirasjon av vann gir avkjøling, og i tillegg blir mineralnæring fraktet via ledningsvevet. Perspirasjon er fordampning av vann gjennom svettekjertler i huden hos dyr, og som deltar i varmereguleringen.. Dyr med pels fjerner varme ved pesing. Vann har størst tetthet ved 4oC, noe som gjør at innsjøer sjelden bunnfryser. Når vann fryser utvider det seg og kan gi frostsprekker i stammen hos frukttrær og varmekjære løvtrær.

Den spesifikke varmekapasiteten til vann er mengden energi som trengs for å heve temperaturen av 1 g vann med 1oC og er lik 4.184 J.

Smeltevarmen til vann er energien som trengs for å omdanne 1 g is til 1 g vann ved 0oC er lik 6 kJ mol-1 (335 J g-1).

Fordampningsvarmen er lik energien som trengs for å få omdannet en bestemt mengde vann til gassform og er lik 44 kJ mol-1 ved 25oC. Når vann fordamper fra plantenes overflater kjøles de ned. Ved svette fjernes varme fra menneskekroppen.

Vann har stor evne til å nøytralisere elektriske ladninger fra hverandre, målt som dielektrisitetskonstanten. Derav vannets gode løsningsmiddelegenskaper.

Kohesjon kalles den innbyrdes tiltrekningen mellom vannmolekyler (sammenhengskrefter),  og vann får derfor ekstra stor overflatespenning. Tiltrekningen mellom vannmolekylene er større enn tiltrekningen mellom vann og luft slik at vannmolekylene forsøkes å bli trukket inn i en vanndråpe. Kohesjon gir også den store strekningsstyrken til vann, dvs. angir den maksimale tensjon som en vannsøyle kan utsettes for uten å briste. For alle praktiske forhold kan vann betraktes som usammenpressbart. Dette betyr at de hydrauliske lovene gjelder for en plante.

Frysepunktdepresjon

Figur 1. Frysepunkt, smeltepunkt, frysepunktdepresjon og underkjøling

 

Sprekker ved modning av tomat

Når tomater modner om høsten med varierende vanntilgang fra en periode med tørke over i en fase med nedbør, kombinert med lav temperatur kan gi sprekker i tomaten nær festet til planten (vekstsprekker). Sprekkene danner konsentriske ringer, men tomaten kan også få radiale sprekker nedover fra stengelfestet. Frukten tar opp vann og utvider seg så raskt at veksten ikke holder tritt.  Sprekkene gir mulighet for råtesopp å etablere seg. Tomat Gemini F1. Noen tomatsorter har mer elastisk epidermis og er mindre utsatt for tomatsprekker.

Iskrystaller på et grasstrå

Iskrystaller på et grasstrå. Vannet kommer ut gjennom spalteåpninger eller korkporer, på samme måte som det dannes isroser (bomullsaktige tynne istråder som kommer ut fra fuktige døde pinner med løvtrevirke) ved temperatur < 0oC. 

Vann, fotosyntese og biokjemi

I tillegg til å være et universelt løsningsmiddel , gir vann  elektroner som blir lagret i organiske forbindelser i fotosyntesen, og er energikilden som gir drivkraft i alle aerobe organismer.

\(2H_2O \rightarrow 4e^-+ 4H^+ + O_2\) 

Energien blir frigitt når elektroner i maten blir fraktet via en elektrontransportkjede i mitkondriene tilbake til oksygen, hvor det på nytt blir dannet vann, katalysert av enzymet cytokrom c oksidase. 

Vann blir også benyttet til å bryte kjemiske bindinger i molekyler, en hydrolyse katalysert av hydrolaser. 

Vann, vær og klima

Vann er det molekylet som mest påvirker Jordens klima, med de tre faseovergangene fast form (is), flytende (vann) og en usynlig gass (vanndamp). I overgangene mellom fasene er det enorme varmemengder som deltar (fordampningsvarme, kondenseringsvarme, smeltevarme, sublimasjonsvarme, vamrekapasitet) i jordens hydrologiske syklus.  Vanndamp er den viktigste drivhusgassen i drivhuseffekten i atmosfæren. Is reflekterer lys (albedo) og påvirker således varmebalansen på Jorden. Store vannmengder går fra jorda gjennom røttene og ut gjennom blad til atmosfæren (transpirasjon) . Mennesket påvirker Jordens klima ved å fjerne skog både via vann og karbondioksid (karbonsyklus). Gjennom Jordens evolusjon har det vært en rekke istider, isbreer som lager daler og fjorder, danner og frakter jordsmonn til landbruk,  avbrutt av varmeperioder med isavsmelting, ny plantevekst med  stigende skog- og tregrense . Skogen lager sitt eget lokalklima. Tørt klima (tørkeperioder) er i veksling med nedbørsrike perioder, med regionale og globale skiftninger som gir synkende eller stigende havnivåer, landsynking eller landheving som flytter den marine grense, landbroer som kommer tilsyne eller forsvinner.  Økt skydannelse som følge av økt temperatur reduserer solinnstråling og motvirker således temperaturøkning.   

Farge på vann og is

Dypt rent vann og is har en blåaktig farge siden det er det røde og oransje lyset som blir mest absorbert i vannet så blir vannet blåaktig. Det samme gjelder en isbre med hardpakket is,  hvor breisen er blåaktig, har annen farge enn vanlig is, som også her skyldes absorbsjon av rødt og oransje lys i isen. Atomene i vann vibrerer, og bidrar til en blå farge. Vibreringen gir overtoner på samme måte som en vibrerende streng i et musikkinstrument. Det skjer Strekk, utvidelse og sammentrekningen av bindingen mellom oksygenatomet (O) og hydrogenatomene (H), blant annet forårsaket av hydrogenbindingene i vann. Vanligvis ser man ikke vibrasjonene i andre molekyler som absorberer  i termisk infrarødt eller nært infrarødt, men siden hydrogenatomet er svært lite og er sterkt bundet til oksygenatomet gjør dette eten noe kortere bølgelangde, det vil si rødt, blir absorbert. Blåfargen skyldes altså ikke spredning (Rayleigh-spredning) som gir blå farge p  himmen. Imidlertid, en grønnfarget breelv skyldes spredning fra finpartikulært materiale suspendert i vannmassene. Snøen er hvit siden lyset reflekteres fra iskrystallene. Redt lys blir absorbert på veien noedover i snøen, hvor det kan bli lang lys, noe som gir dyp snø en blåaktig farge.

Rennende vann

Ferskvann følger tyngdekraften fra fjell, via dal og sletter innen det ender i havet. Vann i dammer og vannmagasiner har potensiell energi, og vann som strømmer har kinetisk energi.

Elvekulturer og sivilisasjoner

De første store sivilisasjoner var tilknyttet elver, elvesletter og elvedeltaer, hvor vannet ga grunnlag for dyrking av planter og jordbruk. Slam som ble ført med elveflommen ga næring til plantene. Elven funger også som transportåre. Eufrat og Tigris i Midtøsten og Mesopotamia (Sumerkulturen; Nilen i Egypt (Nilkulturen); Den gule flod (Huang He) og Yangtze i Kina; ; Indus i Pakistan og India (Induskulturen, harrappansk); Mekong i SØ-Asia;  Ganges og  Brahmaputra i India, Donau og Rhinen i Europa. Mange av disse elvene renner gjennom flere land, og i moderne tid kan oppstrømslandenes bruk av vannet til irrigasjon , demninger og vannkraft skape problemer og konflikt for nedstrømslandene, e.g. Renessansedammen og den Blå nil i Etiopia.  Tidevannselver frakter tidevannet båter opp og ned elver. Det ble bygget demninger og  kanaler for vann til plantedyrking, akvedukter for drikkevann, og utslippskanaler for kloakk. Bygging av avanserte irrigasjonssystemer krevet oppbygging av en sivilisasjon med arbeidsdeling. Noen steder ble det for mye vann, man måtte fjerne vannet via kanaler og grøfter, andre steder var det for lite og regnvann fra regntiden kunne bli samlet i dammer. Mot kysten ble det bygget diker som i Nederland, for å hindre havet og tidevannet i å strømme inn over land. MOSE er et gigantprosjekt med barriæremoduler som skal beskytte lagunen og byen Venezia i Italia mot stigende havnivå. Demninger blir bygget i elveløp for å hindre flom og lagre vann.. Elver kan føre med seg mudder og slam som dekker bunnen i demninger, og meandere kan gi endringer i elveløpet .

Like viktig som hjul eller slede på land var kanaler og kunstige vannveier med båter, men kobling mellom vannbassenger ga også til irrigasjonsvann til landbruk og matproduksjon. Kanaler er en form for kunstige elver og har hatt stor betydning for handel og utvikling av sivilisasjoner. Keiserkanalen i Kina fra Yan-dynastiet  er verdens lengste kanal bygget av mennesker og går fra Beijing i Nord og binder sammen elvene Yangtse, den gule flod og Weilelven. I Russland, England, Nederland, USA og mange andre land ble det bygget kanalsysemer. Götakanal i Sverige. Telemarkskanalen i Norge. Med sluser kan vannet og båter løftes til et høyere nivå. I USA Mississippi og Missouri, de Store sjøene, lange kyster til to hav, og dypvannskaier.

Mange storbyer ligger ved elver: London (Themsen), Paris (Seinen), Roma (Tiber), Budapest, Wien, Beograd, Bratislava (Donau), Berlin (Spree), Moskva (Moskva), Firenze (Arno) osv. samt Oslo med Akerselva fra Maridalsvannet til Bjørvika. Akerselva la grunnlag for industrireising, først møller, kverner og sagbruk, dertter tekstilindustri.

Mennesket blir tiltrukket av rennende vann, sjø og strender, en underliggende følelse av avhengighet. I byene hvor det urbaniserte menneske er fjernet fra sitt opprinnelige habitat er det dammer i parker og vannfontener e.g. Berninis De fire elvers fontene (Fontana dei Quattro Fiumi), Piazza Navona, Roma.  

Historien om vår sivilisasjon

Vann og myter

Vann er koblet til flere riter e.g. dåp. I skogstjern var nøkken (jfr. Kittelsen).  I elvene levde ifølge gresk mytologi elvegudinner (Najader), og i havet havguder (Neptun, Poseidon),  og havgudinner (nereider, okeanoider, Tethys, og havfruer).  Ifølge norrøn mytologi var havgudene Ægir og Ran, og draugen i havet. I overgangen til dødsriket var det en elv, e.g. Styx og Lethe, med en fergemann.  I alle storbyer finnes det en eller flere vannfontener.  

Gesang der Geister über den Wassern

Des Menschen Seele
Gleicht dem Wasser:
Vom Himmel kommt es,
Zum Himmel steigt es,
Und wieder nieder
Zur Erde muß es,
Ewig wechselnd.

Strömt von der hohen,
Steilen Felswand
Der reine Strahl,
Dann stäubt er lieblich
In Wolkenwellen
Zum glatten Fels,
Und leicht empfangen,
Wallt er verschleiernd,
Leisrauschend,
Zur Tiefe nieder.

Ragen Klippen
Dem Sturze entgegen,
Schäumt er unmutig
Stufenweise
Zum Abgrund.

Im flachen Bette
Schleicht er das Wiesental hin,
Und in dem glatten See
Weiden ihr Antlitz
Alle Gestirne.

Wind ist der Welle
Lieblicher Buhler;
Wind mischt vom Grund aus
Schäumende Wogen.

Seele des Menschen,
Wie gleichst du dem Wasser!
Schicksal des Menschen,
Wie gleichst du dem
Wind!

JW von Goethe (1779)

Musikk Franz Schubert (1817)

 

Vand som rinder, vand som risler,
vand om våren, vand om høsten
...

Fra diktet Vand, Nordahl Grieg

...

Zik zak,
vi drypper paa tag,
tik tak,
det regner idag.
Regn, regn, regn, regn,
øsende regn,
pøsende regn,
regn regn, regn, regn,
deilig og vaadt
deilig og raat! 
...

Sigbjørn Obstfelder: Regn (Digte, 1893)

Foss og rennende vann

Rennende rent vann er energi. Først brukt i vannhjul, som drivkraft til å drive maskiner: Arkwrights vingespinnemaskin, oppgangssag, og møller,  som dannet basis for industrisamfunn.  Det er store energimengder involvert når vann skifter mellom vannfase og gassfase. Dampmaskinen kunne drive tog, skip og maskiner.  Gjødselindustrien ble avhengig av elektrisk strøm fra vannkraftverk med turbiner basert på Faradays induksjon, hvor elektrolyse av vann ga hydrogen (H2) og oksygen (O2).  Vann under trykk har stort kraftpotensial, hydraulikk som driver landbruksmaskiner, hvor vannet ble byttet ut med hydraulikkolje. Vann gir hydrostatisk trykk

Vann og bølger

Stokkand i vann

En svømmende stokkand lager en "kjølvannstripe" og Kelvin bølgemønster, først forklart av Lord Kelvin,  med to bølgefronter i V-form med en spesiell vinkel mellom dem, samt et interferensmønster. Vann er transportårer: hav, innsjøer, elver og menneskebyggete kanaler.

I en liten dam sørger gravitasjonskreftene for at det blir en plan vannoverflate. Kaster man en stein i vannet utføres arbeid, overflaten forstyrres og det beveger seg en transvers bølge (utsvinget på overflatebølgen er vinkelrett på bevegelsesretningen), et bølgetog i alle retninger ut fra treffet i vannoverflaten. Elektromagnetisk stråling er et annet eksempel på en transversal bølge. Avstanden mellom to bølgetopper er bølgelengden Hvis man har en fiskedupp på vannet vil den flyte opp og ned når bølgen passerer.  Forutsetning for en slik periodisk bølge er en energikilde og elastisitet. En energikilde som lager overflatebølger er vind.

Tilbake til hovedsiden

Publisert 4. feb. 2011 10:56 - Sist endret 26. feb. 2020 12:52