En droppe vatten
Introduktion
Vatten är det vanligaste ämnet på jordens yta. Utan vatten skulle det inte finnas något liv på jorden. Din kropp består av ungefär 70 % vatten. Studera bilden nedan - Vatten kan förekomma i tre tillstånd:
- I fast form (is)
- Som en vätska (vatten)
- Som en gas (vattenånga)
Vattnets tillstånd kan ändras genom uppvärmning eller nedkylning (eller genom att ändra trycket).
Hur förändras vattnets tillstånd?
När is sakta värms upp börjar isen att smälta och övergår till vätskeform. Om du fortsätter uppvärmningen, till cirka 100 °C, övergår vattnet till gasform.
Varför är det så?
Vatten är en molekyl med den kemiska formeln H2O, vilket innebär att två väteatomer är bundna till en syreatom.
Partiklarna i den fasta isen är tätt sammanpackade och förenade med kemiska bindningar som kallas vätebindningar. Dessa bindningar vibrerar hela tiden. Den energi som du tillför när du värmer upp isen gör att vibrationerna ökar i styrka. Vissa bindningar bryts och partiklarna blir fria att flytta runt lite - detta är när isen blir en vätska. När mer värme tillförs får partiklarna tillräckligt med energi för att bryta alla bindningar och försvinna som en gas eller ånga.
Den fysiska egenskapen
Den fysiska egenskapen hos materia som beskriver hur tätt sammanpackade de enskilda partiklarna är i ett ämne kallas densitet. Densitet (D) är ett mått på mängden material (massa eller m) i ett givet utrymme (volym eller V) och uttrycks som ett förhållande:
D = m/V.
Det är skillnaden i densitet i jordens materia som driver havsströmmar, vindar och platt-tektonik.
I regel ökar densiteten hos ett ämne när det övergår från gas till vätska, och ökar ytterligare när ämnet övergår från vätska till fast form. Densiteten ökar också i takt med att temperaturen sjunker därför att lägre temperaturer medför mindre vibrationer hos atomerna. Och när atomerna inte flyttar runt så mycket packas de ihop tätare. De kommer då närmare varandra. Men vatten är annorlunda!
Vatten har några mycket ovanliga fysiska och kemiska egenskaper som gör vatten till ett av de viktigaste ämnena på vår planet.
Titta på videoinspelningen av ESA-astronaut Frank De Winne när han demonstrerar hur vatten uppför sig i tyngdlöst tillstånd ombord på den internationella rymdstationen. Lärare kan använda detta filmklipp tillsammans med lektionskommentarerna för att låta eleverna jämföra hur vatten uppför sig på jorden och i rymden.
1. Varför är vatten i fast form (is) ovanligt?
Man kunde förvänta sig att ett fast ämne såsom is skulle sjunka. Men du vet ju att isen flyter när du lägger några isbitar i en drink.
Fyll en plastflaska med vatten och stäng locket. Lägg flaskan i frysen och se efter vad som har hänt nästa dag. Du kommer nog att se att locket har hoppat av och flaskan ser ut att ha svällt.
Den fasta formen av vatten (is) har en LÄGRE densitet än den flytande formen. Densiteten hos rent vatten vid 4ºC är 1,0 gram/kubikcentimeter, medan densiteten hos is vid 0ºC endast är 0,92 gram/kubikcentimeter. Vatten i vätskeform och is har olika densitet därför att molekylerna i is befinner sig längre bort från varandra, och tar därför upp större plats, än molekylerna i vatten.
I rymden: Frank tar en liten isbit och placerar den inuti en vattendroppe.
Vad händer med isen inuti vattendroppen? Flyter eller sjunker isen, eller gör den något annat?
Svar:
På den internationella rymdstationen (ISS) befinner sig allting i ett kontinuerligt FRITT FALL. Det verkar därför som om det inte finns någon GRAVITATION på ISS. Gravitation är den kraft som håller oss kvar jorden. Om du kastar ett föremål kommer det alltid att landa på marken. Aj!
Denna kraft som drar alla föremål mot jorden kallas tyngdkraft. Så, i likhet med astronauterna (och allt annat som inte är ordentligt fastspänt!) svävar allting omkring ombord på ISS. Även vatten. Isen varken flyter eller sjunker utan flyttar bara omkring i vattendroppen.
2. Vattnets polaritet
Vatten är en dipolär molekyl.Vatten har den kemiska formeln H2O, vilket innebär att två väteatomer är bundna till en syreatom.
En vattenmolekyl har ingen total laddning. Men det finns ändå en liten negativ laddning nära syreatomen och en liten positiv laddning nära väteatomerna. Detta kallas en dipol. Den totala laddningen hos en vattenmolekyl är noll. De positiva och de negativa laddningarna är lika stora, så de jämnar ut varandra.
Experiment: Demonstrera vattnets dipolära egenskap
Material:
- Utför experimentet vid en vattenkälla, t.ex. en vattenkran.
- En glasstav eller en plastlinjal.
Utförande:
- Öppna kranen lite så att den ger en svag vattenström.
- För linjalen eller staven närmare vattnet. Händer det någonting?
- Gnid nu linjalen eller staven flera gånger på en duk eller en T-shirt. För den närmare vattnet. Vad händer? Varför tror du detta händer?
På den internationella rymdstationen använder Frank De Winne en plastbit (i stället för en glasstav) för att skapa lite laddning, dvs. positiv laddning (+). Genom att gnida denna plastbit på sina kläder skapar han en positiv laddning på ytan. Och när han för plastbiten närmare vattendroppen kommer plastbitens laddning att attrahera den motsatta laddningen hos vattenmolekylerna (syrets negativa laddning).
Funderar du på någon fråga? Varför kan inte Frank ha en vattenström ombord på ISS? Vad händer med vattendroppen när han för plastbiten närmare droppen?
Svar:
Staven eller linjalen drar strömmen mot sig eftersom det är en positiv laddning på staven och denna attraherar den negativa laddningen i vattenmolekylen.
När Frank för plastbiten närmare vattnet bör droppen flytta runt när han flyttar omkring den laddade plastbiten. Det negativt laddade syret attraheras till den positiva laddningen på den laddade plastbiten.
Frank kan inte använda en vattenström ombord på ISS eftersom allting svävar omkring (i fritt fall) och vattnet skulle kunna tränga in i elektrisk utrustning och orsaka skador. Vattnet måste komma från en speciell påse med dricksvatten och det måste torkas upp efteråt.
3. Löslighet i vatten
Vatten har den mycket viktiga egenskapen att kunna lösa upp många fasta ämnen och gaser. Vad händer när du tillsätter socker (ett fast ämne) i ditt kaffe?
Man säger att socker är lösligt i vatten. Vissa saker är olösliga (löses inte upp). Kan du komma på några?
Experiment: Vad löses upp i vatten?
Material:
sockerbit, saltkorn, snabbkaffe och kaffesump, små träbitar (träspån, hö), små plastflagor, stearinflagor, glasburkar, sked eller omrörare, vattenkälla och en plats att kassera avfallet.
Utförande:
- Tillsätt olika material, ett åt gången, i en burk med vatten och se om de löses upp eller inte. Du kanske behöver röra om.
- Gör en tabell för att visa vad som löses upp och inte löses upp.
På jorden kan vi tydligt se om någonting löses upp, särskilt om det har en färg. Det ser ut att "försvinna" i vattnet. När vi tillsätter socker i vårt te eller kaffe smakar det sött. (SMAKA INTE PÅ NÅGONTING i klassrummet!)
I rymden, där förhållandena är annorlunda än på jorden, skulle socker lösas upp i te även där? Vi vet att allting svävar omkring, men skulle sockret bara flyta omkring i vattnet eller kommer det faktiskt att lösas upp?
Frank ska försöka lösa upp socker i sin tebehållare. Vad tror du skulle hända om vattnet var varmare? Eller rördes om? Astronauter får speciella påsar som innehåller te och socker. De måste tillsätta varmt vatten och sedan skaka påsen för att lösa upp sockret och blanda teet. Hur vet Frank om hans te är sött?
Svar:
Frank smakar på sitt te. Det är sött, så socker löses upp i vatten även i rymden.
