En dråpe vann
Introduksjon
Vann er det vanligste stoffet på jordens overflate. Uten vann kan det ikke være noe liv. Omtrent 70 % av kroppen vår er vann. Se på bildet under. Vann kan finnes i tre forskjellige tilstander:
- fast stoff (is)
- væske (vann)
- gass (vanndamp)
Tilstanden kan endres ved å varme opp eller kjøle ned (eller ved å endre trykket)
Hvordan endrer vannet tilstand?
Når is varmes forsiktig opp, begynner den å smelte, og går over fra fast stoff til væske. Hvis vi fortsetter å varme opp, endres væsken til gass ved omtrent 100 °C.
Hvorfor skjer dette?
Vann er et molekyl som har den kjemiske formelen H2O, det vil si to hydrogenatomer som er bundet til ett oksygenatom.
Partiklene i den faste isen er pakket tett sammen, og bundet sammen kjemisk av noe som kalles hydrogenbindinger. De vibrerer hele tiden. Når du varmer opp isen, blir isen tilført mer energi. Den energien gjør at vibrasjonene blir større. Noen av bindingene blir brutt slik at partiklene kan bevege seg litt mer – isen blir til væske. Etter hvert som mer varme tilføres, får partiklene nok energi til å bryte alle bindingene, slik at de river seg løs som gass eller damp.
Den fysiske egenskapen
Den fysiske egenskapen til et stoff som beskriver hvor tett partiklene i stoffet ligger, kalles tetthet. Tetthet (også kalt densitet eller D) er et mål på hvor stor mengde av et stoff (masse eller m) som finnes i et rom av et viss størrelse (volum eller V). Den uttrykkes som et forholdstall:
D = m/V.
Forskjellene i tetthet i de stoffene som jorden består av, er det som skaper havstrømmer, vind og platebevegelser i jordskorpen. Vanligvis øker tettheten i et stoff når det endrer seg fra gass til væske, og når det endrer seg fra væske til fast stoff. Tettheten øker også når temperaturen faller, siden lavere temperatur gjør at atomene vibrerer mindre. Siden atomene beveger seg mindre, blir de liggende tettere sammen. Men vann er annerledes!
Vann har noen veldig uvanlige fysiske og kjemiske egenskaper, som gjør det til et av de viktigste stoffene på planeten vår.
Se på videoen av ESA-astronaut Frank De Winne som utfører noen demonstrasjoner for å vise hvordan vann oppfører seg i vektløs tilstand på Den internasjonale romstasjonen (ISS). Læreren kan bruke denne videoen sammen med undervisningsnotatene under til å sammenligne hvordan vann oppfører seg på jorden og i verdensrommet.
1. Hvorfor er vann i fast form (is) uvanlig?
Det er normalt å forvente at et fast stoff som is burde synke i vann. Men hvis du legger isbiter i et glass med vann, så flyter de.
Fyll en plastflaske med vann og sett på en kork. Legg den i fryseren og se hvordan den ser ut dagen etter. Korken vil kanskje være skjøvet av, og flasken vil kanskje være "sprengt" i stykker, eller i det minste se oppblåst ut.
Vann i fast form (is) er MINDRE tett enn flytende vann. Tettheten til rent vann med en temperatur på fire grader Celsius er 1,0 gram/kubikkcentimeter, mens tettheten til is med en temperatur på null grader Celsius er bare 0,92 gram/kubikkcentimeter. Flytende vann og is har forskjellig tetthet, fordi molekylene i is ligger lenger fra hverandre, slik at de bruker mer plass enn molekylene i flytende vann.
I verdensrommet: Frank tar en liten isbit og plasserer den inni en vanndråpe. Hva skjer med isen inni vanndråpen? Flyter den eller synker den, eller skjer det noe annet?
Svar:
På Den internasjonale romstasjonen er alt i FRITT FALL, og derfor virker det som om GRAVITASJONEN ikke finnes der. Gravitasjonen er det som hindrer oss fra å sveve bort her på jorden. Hvis du kaster noe, vil det alltid lande på bakken. Au!
Denne tiltrekkende kraften som trekker alle ting mot jorden kalles gravitasjonskraften. Både astronautene og alt annet som ikke er bundet eller spent fast, vil sveve om bord på ISS. Også vann. Isen vil ikke flyte opp eller synke ned, men bare sveve rundt i vanndråpen.
2. Vannets polaritet
Vann har den kjemiske formelen H2O, det vil si to hydrogenatomer som er bundet til ett oksygenatom.
Et vannmolekyl har ingen netto ladning. Men det er en svak negativ ladning i området rundt oksygenatomet, og en svak positiv ladning i området rundt hydrogenatomene. Dette kalles en dipol. Nettoladningen til vannmolekylet er null. Den positive ladningen er lik den negative ladningen, slik at de opphever hverandre.
Forsøk: Demonstrasjon av vannets dipolaritet
Du trenger:
- Tilgang til en vannkilde (for eksempel vannkran/spring)
- En glasstav eller plastlinjal
Fremgangsmåte:
- Åpne kranen litt slik at en liten strøm vann renner ut.
- Ta linjalen og hold den nær vannstrømmen. Skjer det noe?
- Gni linjalen eller glasstaven flere ganger mot en duk, t-skjorte eller lignende. Hold den nær vannstrømmen. Hva skjer nå? Hvorfor tror du dette skjer?
På Den internasjonale romstasjonen bruker Frank De Winne et stykke plast (i stedet for en stav) til å skape en positiv (+) ladning. Han gnir plaststykket mot klærne, slik at en positiv ladning bygges opp på overflaten. Når han holder den nærmere vanndråpen, vil ladningen i plasten tiltrekke seg den motsatte ladningen i vannmolekylene (den negative ladningen fra oksygenet).
Spørsmål:
Hvorfor kan ikke Frank ha en strøm med vann på ISS? Hva skjer med vanndråpen når han holder plaststykket nær den?
Svar:
Staven eller linjalen trekker vannstrømmen mot seg seg, siden den positive ladningen på staven/linjalen tiltrekker seg den negativt ladde siden av vannmolekylene.
Når Frank fører plaststykket nær vannet, skal vanndråpen bevege seg når han beveger det positivt ladde plaststykket. Det negativt ladde oksygenet tiltrekkes av den positive ladningen i plasten. Frank kan ikke bruke en strøm av vann på ISS fordi alt flyter (romstasjonen er i fritt fall), slik at vannet lett kan komme inn i elektrisk utstyr og føre til skade. Vannet må komme fra en spesiell drikkevannspose, og må tørkes opp etterpå.
3. Vannets oppløselighet
Vann har en svært viktig egenskap, nemlig at det kan løse opp mange faste stoffer og gasser. Hva skjer når du tilsetter sukker (et fast stoff) i kaffen?
Vi sier at sukker er oppløselig i vann. Noen ting er uoppløselige (løser seg ikke opp) i vann. Vet du om noen slike stoffer?
Forsøk: Hva løser seg opp?
Du trenger:
Sukkerbit, bordsalt, pulverkaffe, malt kaffe, små trebiter (spon e.l.), plastspon, spon fra stearinlys, noen glass, skje eller annet til å røre med, vannkilde, sted å kaste restene.
Fremgangsmåte:
- Tilsett hvert av stoffene til et glass med rent vann, og se om stoffet løser seg opp eller ikke. Du må kanskje røre.
- Lag en tabell som viser hva som løser seg opp og hva som ikke gjør det.
På jorden kan vi se tydelig om noe løser seg opp, spesielt hvis det er farget. Det ser ut til å "forsvinne" inn i vannet. Og når vi for eksempel tilsetter sukker i te/kaffe, smaker det søtere. (DET ER IKKE MENINGEN AT DERE SKAL SMAKE PÅ NOE i klassen!).
I verdensrommet, med de forskjellene som finnes i forhold til jorden, vil sukkeret løse seg opp i teen der også? Vi vet at alt flyter, men vil sukkeret bare flyte rundt i vannet, eller vil det løse seg opp?
Frank skal forsøke å løse opp sukker i tebeholderen sin. Hva tror du ville skjedd hvis vannet var varmere? Eller hvis han hadde rørt? Astronauter får spesielle poser som inneholder te og sukker. De må tilsette varmt vann og riste posen for å løse opp sukkeret og blande det med teen. Hvordan vet Frank om teen er blitt søt?
Svar:
Frank smaker på teen og kjenner at den er søt. Det betyr at sukker løser seg opp i vann også i verdensrommet.
