vand (Vandets natur)

Vandmolekylet

Atomerne i vandmolekylet danner en ligebenet trekant med en H-O-H-vinkel på 104,5° og O-H-afstande på 95,7 pm (pikometer). Elektronerne fordeler sig således omkring atomkernerne, at der i gennemsnit er et lille underskud af elektroner omkring hydrogenkernerne, der således får en svag positiv ladning, og et lille overskud omkring oxygenkernerne, der bliver svagt negativt ladede. Molekylet som helhed forbliver neutralt. Dette medfører, at vandmolekyler udøver en relativt stor tiltrækningskraft på hinanden, idet de svagt positivt ladede hydrogenatomer i et molekyle tiltrækkes af de svagt negativt ladede oxygenatomer i et nærliggende molekyle (hydrogenbinding). Det forklarer det usædvanlig høje smelte- og kogepunkt for en forbindelse af så lav molekylvægt som vands. Til sammenligning har dihydrogensulfid, H₂S, hvis molekylvægt er næsten dobbelt så stor som vands, smeltepunkt ved 85,5 °C og kogepunkt ved 60,1 °C.

Normalt øges et stofs densitet ved størkning (stoffet trækker sig sammen), men vand udviser den ejendommelighed, at is har mindre densitet end vand. Ved 0 °C er densiteten af is 0,917 g/cm³. Endvidere formindskes smeltepunktet ved stigende tryk op til 2070 atm: I tripelpunktet ved 0,006 atm er smeltepunktet 0,01 °C, mens det i tripelpunktet ved 2070 atm er 22 °C. Over dette tryk stiger smeltepunktet ved yderligere trykøgning. I tripelpunktet ved 2070 atm er flydende vand i ligevægt med den oprindelige isfase, kaldet is I, og en ny, is III. I trykintervallet 1-25.000 atm har man registreret otte forskellige faser af is, hvoraf de syv er stabile. Ved 21.000 atm er smeltepunktet +75 °C.

Strukturen af is under 2070 atm er relativt åben. Hvert oxygenatom er omgivet af fire andre oxygenatomer i en afstand af 276 pm i tetraedrisk koordination. Røntgen- og neutrondiffraktionsmålinger viser, at iskrystaller er opbygget af H₂O-molekyler, der har meget nær samme dimensioner som frie molekyler. Hvert oxygenatom er således bundet til to hydrogenatomer med en O-H-afstand på 100 pm og omgivet af to andre hydrogenatomer fra nabomolekyler i afstanden ca. 170 pm ved en hydrogenbinding. I højtryksmodifikationen is VIII, der er stabil ved tryk over 21.000 atm, er koordinationen omkring oxygenatomerne også tetraedrisk, men her danner oxygenatomerne et mere kompakt netværk af samme type, som findes i diamantstrukturen. Ved smeltning af is ved atmosfæretryk nedbrydes den åbne, ordnede struktur, men i modsætning til det, der sker ved smeltning af andre molekylære væsker, formindskes rumfanget af vand ved smeltning.

I en væske ændres molekylernes indbyrdes placering ustandseligt, og man kan derfor ikke som for en krystal tegne et billede af en struktur, men kun angive gennemsnitsværdier for afstande mellem atomer. Da atomerne og dermed molekylerne har bestemte størrelser, må visse atomafstande optræde hyppigere end andre. Det kan beskrives ved en fordelingsfunktion, og en sådan kan i princippet beregnes fra røntgen- eller neutrondiffraktionsmålinger på væsken. De eksperimentelle målinger og de matematiske operationer er imidlertid alle behæftet med usikkerheder. Tolkningen af fordelingsfunktioner er derfor ikke så sikker, som man kunne ønske. Bedre indsigt i væskers strukturer kan man opnå ved at supplere målingerne med computersimulationer. Her lader man et stort antal molekyler indtage forskellige (mange) konfigurationer under hensyn til, at molekylerne skal opfylde visse kriterier, hvad angår fx afstande og gensidig tiltrækning. De kræfter, hvormed vandmolekyler tiltrækker hinanden, er imidlertid af en meget kompleks natur og endnu ikke definitivt fastlagt. De beregnede konfigurationer er derfor behæftet med en vis usikkerhed. Ud fra simulationerne beregnes en fordelingsfunktion, der sammenlignes med den, der er fundet eksperimentelt. Målinger og beregninger af denne type viser, at vand til en vis grad beholder elementer fra isens struktur. Det er et system med hydrogenbindinger mellem nabomolekyler med oxygenatomerne i et tetraedrisk, tilfældigt orienteret netværk. Afstandene mellem oxygenatomerne er næsten de samme i is og i flydende vand. Strukturen har visse ligheder med amorft, dvs. ikke krystallinsk, siliciumdioxid, SiO₂.