Af hverju er vatn vökvi við stofuhita en vetni og súrefni lofttegundir?

Vatn hefur sameindaformúluna (e. molecular formula) H₂O. Bókstafurinn H stendur fyrir vetni og O fyrir súrefni. Vatn er því samsett úr einni súrefnisfrumeind og tveimur vetnisfrumeindum. Bygging vatnssameindarinnar sést hér á myndinni fyrir neðan, hvor vetnisfrumeind binst súrefnisfrumeindinni með einu efnatengi og er 104,5° horn á milli þeirra.

Bygging vatnssameindar

Í hvoru efnatengi fyrir sig eru tvær tengirafeindir sem einnig kallast gildisrafeindir. Vetnið leggur til eina rafeind í tengið og súrefnið eina rafeind. Súrefni hefur þann eiginleika að toga aðeins fastar í rafeindir en vetni. Það veldur því að súrefnisfrumeindin í vatnssameindinni hefur örlitla neikvæða hleðslu á sér (táknað \(\delta -\)) en vetnisfrumeindirnar hafa örlitla jákvæða hleðslu (táknað \(\delta +\)). Vegna þessarar misdreifingar á tengirafeindum eru tengin skautuð (e. polar).

Vegna skautunarinnar mynda vatnssameindir vetnistengi (e. hydrogen bonds) sín á milli, það er tengi sem geta haldist í svolítinn tíma en eiga tiltölulega auðvelt með að myndast og rofna. Vetnistengi milli vatnssameinda valda hárri yfirborðsspennu (e. surface tension) vatns. Við verðum hennar meðal annars vör ef við skoðum vatnsdropa á margskonar undirlagi, þeir eru þá yfirleitt kúptir. Yfirborðsspennan veldur því einnig að sum skordýr geta gengið á vatni.

Vetnistengin hafa einnig þau áhrif að bræðslu- og suðmark vatns er óvenju hátt, að minnsta kosti samanborið við svipaðar sameindir sem ekki hafa vetnistengi eða þar sem vetnistengin eru veikari. Með öðrum orðum, án vetnistengjanna væri vatn ekki á fljótandi formi á bilinu 0 til 100°C heldur væri það gas eins og til dæmis vetnissúlfíð (H₂S), sem hefur bræðslumarkið -82°C og suðumarkið -60°C. Auk þess sjást áhrif skautunar vatnsameindanna á því að jónefni og önnur skautuð efni eiga oft auðvelt með að blandast eða leysast upp í vatni.

Ýmis skordýr nýta sér yfirborðspennu vatns til að ganga á því.

Vetni (H₂) og súrefni (O₂) eru bæði tvíatóma sameindir sem eru gerðar úr tveimur eins frumeindum. Vetni er gert úr tveimur vetnisfrumeindum og súrefni úr tveimur súrefnisfrumeindum. Frumeindirnar í vetninu toga jafn mikið í rafeindirnar (vegna þess að þetta eru eins frumeindir) og því er efnatengið í vetnissameindinni óskautað. Það sama á við um súrefnissameind. Vegna þessarra óskautuðu eiginleika loða vetnissameindir ekki vel saman þegar þær eru í návígi við aðrar vetnissameindir. Að sama skapi loða súrefnissameindir frekar illa saman. Með öðrum orðum, litlir kraftar verka milli vetnissameinda eða súrefnissameinda og þess vegna eru vetni og súrefni lofttegundir við stofuhita.

Vetni hefur bræðslumarkið -259°C og suðumarkið -253°C en bræðslumark súrefnis er -219°C og suðumark súrefnis er -183°C.

Frekara lesefni á Vísindavefnum: