Varför slipper bilen varma yllekläder på vintern?

Kemisk bakgrund

Vatten

FormelH2O
Struktur
Molmassa18,016 g/mol
Fryspunkt0,0 °C
Kokpunkt100,0 °C

Egenskaper

Att vatten utvidgar sig när det fryser till is har med vätebindningar mellan molekylerna att göra. I flytande vatten rör sig molekylerna hela tiden, oordnade i sina rörelser. När vattnet fryser till is rör sig molekylerna mindre och blir ordnade på fast avstånd från varandra i en luckrare struktur. Varje vattenmolekyl i is är omgiven av fyra andra. Syret binder förutom sina egna två väteatomer och ytterligare två väten i närliggande molekyler med vätebindningar.

Vätebindning

Vätebindning uppstår bara mellan väte och en starkt elektronegativ atom, kväve (N), syre (O) eller fosfor (P). Vätebindningen mellan H och O är den starkaste intermolekylära bindningen, 20 kJ/mol, som finns dvs den är starkare än dipol-dipol, jon-dipol samt van der Waalskrafterna. (Inom molekylen är O-H bindningen 436 kJ/mol.) Detta medför att både smält- och kokpunkten är högre än de som tex en ren dipol-dipol bindning skulle medföra.

Vätebindningen i is är riktad, O-H···O-H, vilket därför bestämmer isens struktur. Denna är relativt lucker om man jämför med flytande vatten.

Klicka i någon av figurerna ovan för att starta ChemScape Chime (plug-in till Netscape som kan hämtas gratis på Internet) eller ladda ner strukturen. När du tittar på bilden i 3D kan du klicka med höger musknapp, välja "Display" - "Spacefill" - "Van der Vaals radii". Vrid på strukturen och se hur det finns hålrum mellan vattenmolekylerna. Lägg också märke till hur vätet (vit) i en vattenmolekyl binder till syret (röd) i en annan med vätebindning.
Vattnets densitet map temperaturen

När isen smälter är det vätebindningen som bryts eftersom de är svagast i strukturen. Detta medför att molekylerna packar sig tätare och densiteten blir högre hos H2O(l) jämfört med H2O(s). Vatten har sin maximala densitet vid +4 °C ty den fasta kristallformen är uppluckrad och värmerörelsen är låg.

Etylenglykol

FormelCH2OH-CH2OH
Struktur
Molmassa62,068 g/mol
Fryspunkt-13 °C
Kokpunkt195 °C
Löslighet¥ g/100 g H2O
TrivialnamnGlykol
Systematiskt namn1,2-etandiol

Egenskaper

Glykolens hydroxylgrupp (-OH), är starkt polär vilket medför att vätebindning uppstår mellan alkoholmolekyler vilket i sin tur medför den relativt höga kokpunkten. Att 1,2-etandiol (etylenglykol) har en kort kolvätekedja och flera hydroxylgrupper medför att den har hög löslighet i vatten jämfört med längre kolkedjor. Glykolens höga kokpunkt och höga vattenlöslighet gör att det kan användas som fryspunktsänkande medel i bilkylare.

I detta experiment användes "Statoil Super Glykol", 95 vikt-%. Denna glykol är en amin-, fosfat- och nitritfri frostskyddsvätska med rostskyddande tillsatser. Blandas glykolen med vatten i olika mängd, klarar blandningen temperaturer enligt nedanstående lista:

Statoil Super Glykol (%)Frystemperatur (°C)
30-15
35-20
40-26
50-36
60-47

Vid beräkningarna av procentsatserna för glykolblandningarna i exprimentet har densiteterna antagits vara lika för glykol och vatten, för enkelhetens skull. Felet blir dock bara marginellt.

Fryspunktsdiagram glykol-vatten

Glykol och vatten i blandning

Ren glykol har lägre fryspunkt än vatten trots att det är vätebindningar mellan glykolmolekylerna. Det beror på att molekylerna packas sämre runt varandra jämfört med rent vatten. Därför är vätebindningarna ej är lika starka som när rent vatten fryser till is och molekylerna ordnas i ett regelbundet mönster.

Molekylblandningen

Vatten och glykol har hög löslighet i varandra på grund av att de har vätebindningar mellan sig, men fryspunkten sänks eftersom de packas så dåligt runt varandra. Vattenmolekylerna hindras att arrangera sig i sitt regelbundna, utspridda mönster. Med andra ord agerar hydroxylgruppen i glykol som smörjmedel för vattenmolekylen i blandningen. Ju mer glykol desto sämre packas molekylerna runt varandra och desto lägre blir fryspunkten.

Raoults lag

Vatten fryser vid 0,0 °C och ren glykol vid -12,9 °C. Blandningen dem emellan medför fryspunktssänkning enligt Raoults lag. Denna lag säger att en lösnings fryspunkt blir lägre än lösningsmedlets. Det omvända gäller för kokpunktshöjning.

DTf = Kf m där ΔTf = fryspunktssänkningen
Kf = fryspunktssänkningen för 1-molal lösning.
(För vatten Kf = 1,86 K mol-1 kg)
m = massa (kg)
ΔTf är alltså proportionellt mot det lösta ämnets molalitet.

Raoults lag kan tillämpas antingen med rent vatten som utgångspunkt, där vattnet är lösningsmedel och etylenglykol tillsats. Då är startpunkten 0,0 °C.

Eller också kan Raoults lag tillämpas med ren etylenglykol som utgångspunkt. Då är etylenglykolen lösningsmedel och vatten är tillsats. Startpunkten är då -12,9 °C.

I området mellan 60 % och 80 % etylenglykol i lösningen ser kurvan annorlunda ut. Det beror på att det inte bara är lösningsmedlet som kan frysa, utan både lösningsmedel och tillsats kan bilda fast fas.

Resultat av ett experiment

Med Statoil Super Glykol blev resultatet följande:
Vatten:Statoil Super Glykol
(% glykol)?

Tid ?
10:0
(0 %)
9:1
(9,5 %)
3:7
(28,5 %)
5:5
(47,5 %)
0:10
(95 %)
30 minTopp, botten och sidor frusetBotten fruset liteBotten lite frusetIngen förändring synligIngen förändring synlig
60 minÄnnu mer frusetNedre hälften fruset, övre delen på väg att frysa till.Botten och sidorna fruset lite, mitten "simmig"Ingen förändring synligIngen förändring synlig
90 minNästan helt frusetNästan helt fruset.Botten och sidorna fruset lite, mitten "simmig"Ingen förändring synligIngen förändring synlig
120 minHelt genomfruset (lite blött överst)Helt fruset, volymökning.Sörja rakt igenom, ej volymökningIngen förändring synligIngen förändring synlig
150 minHelt frusetHelt fruset, volymökning.Sörja rakt igenom, ej volymökningIngen förändring synligIngen förändring synlig

Kommentar: En del smådjur, t ex vissa spindlar, löser svårigheterna med vinterns kyla på samma sätt. Även träden har en liknande funktion men då är det sockerkoncentrationen som ökas i cellerna för att de ej ska sprängas.

Miljö

Propylenglykol är ett miljövänligt alternativ till etylenglykol med minst lika goda anti-frysegenskaper. Det får ingå i lösningsmedel som märks med Bra miljöval. Propylenglykol används till och med som sötningsmedel i livsmedel. Ren propylenglykol har låg giftighet, men den propylenglykol man köper på bensinmacken innehåller korrosionshämmande medel som är giftiga.

I början av 80-talet användes 1000 ton glykol per år för avisning av flygplan. Genom återvinning av spillet har man nu kommit ner till drygt 90 ton per år. Inverkan på mark och vatten är därför inte längre ett stort miljöproblem. Man har dessutom övergått till den miljövänliga propylenglykolen.

Fördjupning

Aggregationsform

Faserna och fasövergångarna

Allt som finns runtomkring oss är antingen fast, flytande (vätska) eller i gasform. Dessa former kallas aggregationsformer (aggregation = hopklumpning) eller faser. Atomerna (eller molekylerna) i de olika faserna har olika stort energiinnehåll, olika stor rörelse, och har därför olika volym.

Fast form vid låg temperatur

Vid den absoluta nollpunkten, -273°C = 0 K, finns ingen atomrörelse (K är Kelvin, enheten för absolut temperatur). Alla ämnen är fasta och atomerna ligger regelbundet ordnade så tätt som möjligt. Om temperaturen höjs börjar atomerna vibrera kring sina jämviktslägen. Det fasta ämnet behåller sin form och inom måttliga temperaturintervall och volymen är nästan konstant. Massan är densamma.

Den lilla utvidgning som sker vid värme kan räcka för att lossa en mutter genom att värma på den. Förr var man tvungen att lägga järnvägsräls med mellanrum i skarvarna, för att undvika att rälsen böjde sig under varma dagar, s.k. solkurva. Nutidens järnvägsräls läggs av en formbeständigare metallblandning.

Övergår till vätska (blir flytande) när temperaturen når smältpunkten

När temperaturen stiger ytterligare rubbas atomerna ur sina jämviktslägen. De börjar glida i förhållande till varandra och har blivit en vätska. Fasövergången sker vid smältpunkten. Så länge det finns fast material ligger temperaturen kvar på smältpunkten och stiger inte, även om man tillför värme. Det beror på att all energi går åt till fasövergången. Vätskor ändrar form efter de kärl de förvaras i och har i allmänhet något större volym än samma ämne i fast form (Känt undantag är is, som har större volym än samma mängd vatten pga lucker kristallstruktur hos isen). Mellan molekylerna i vätskan finns sammanhållande krafter. Massan är densamma i vätskan som i den fasta fasen.

Övergår till gas när temperaturen når kokpunkten
En gas fyller upp hela det kärl som den förvaras i.
Bild: © Svante Åberg

Om temperaturen i vätskan höjs, ökar molekylernas rörelseenergi och till slut får några så stor energi att de lämnar den flytande fasen. Övergången från vätska till gas sker när temperaturen nått kokpunkten. Det har bildats en gas. Gasen har ingen bestämd form. Den anpassar sig efter det utrymme den finns i, eftersom molekylerna är helt fria från varandra och färdas rakt fram ända till dess de stöter på någonting, som kan vara kärlets väggar. De krockar också med varandra och byter riktning men dessemellan färdas de "långa" sträckor i absolut tomrum. Gasen har mycket större volym än samma mängd ämne i flytande form och molekylerna i en gas är så långt ifrån varann att de inte påverkar varann. Därför blandas olika gaser lätt. Volymen hos en gas är beroende av temperaturen. Med högre temperatur ökar molekylernas rörelsehastighet, krockarna mellan molekylerna och väggarna blir hårdare. Kollisionerna med väggarna är det vi kallar tryck. Kan väggen utvidgas ökar volymen, i annat fall ökar trycket. Massan är densamma.


Fasövergångarna har bestämda namn. När temperaturen öker sker smältning och förångning (kokning). När temperaturen minsakar sker de motsatta processerna som kallas kondensation och stelning. Observera att smältpunkten och stelningspunkten är exakt samma temperatur. På motsvarande sätt är kokpunkten och kondensationspunkten (för den rena gasen) samma temperatur.


Sublimering


Fasdiagram för koldioxid.
Ben Finney Mark Jacobs: CC0

Fasta ämnen kan övergå direkt till gas utan att först bli vätska. Förutsättningen är att temperatur och tryck befinner sig under ämnets trippelpunkt i ett fasdiagram. Man säger att ämnet sublimerar. Det är en endoterm process, dvs. en process som kräver energitillförsel. Oftast tas energin i form av värme från om givningen, vilket innebär att temperaturen sjunker.

Den motsatta processen när gas övergår direkt till fast form utan att först bilda en vätska kallas desublimering eller deposition. Den processen är exoterm, dvs. avger energi, vanligen i form av värme. Även denna process kan bara ske när tryck och temperatur ligger under ämnets trippelpunkt.

Superkritisk vätska

Över en viss temperatur och visst tryck går det inte längre att urskilja någon fasgräns mellan vätska och gas. Densiteten är hög, praktiskt taget som hos en vätska. Den höga temperaturen får molekylerna att fritt röra sig mellan faserna så att fasgränsen upplöses.

Den superkritiska vätskan har egenskaper utöver det vanliga. Den har förmåga att diffundera genom många fasta material på samma sätt som en gas gör. Samtidigt har den förmåga att lösa ämnen på samma sätt som en vätska gör. Förmågan att fungera som lösningsmedel gör att den i vissa tillämpningar kan ersätta organiska lösningsmedel, till exempel i extraktioner.

Koldioxid är ett ämne som ofta används i tillämpningar med superkritiska vätskor.

Plasma är en fjärde aggregationsform

De tre vanliga aggregationsformerna fast, flytande och gas bestäms av bindningarna mellan atomerna eller molekylerna. Ju varmare det är, desto lösare är atomer och molekyler kopplade till varandra.

Men vid tillräckligt hög temperatur sker någon helt annorlunda, nämligen att elektroner i atomerna slits loss och man får en blandning av positiva atomjoner och fria elektroner. Det är en typ av gasblandning som är elektriskt ledande.

Solen innehåller plasma

Sådan plasma finns i solens atmosfär. Eftersom den är elektriskt ledande, så fångar plasman också upp de starka magnetfälten från solens inre. Vid soleruptioner slungas plasma ut i världsrymden och man kan se hur magnetlinjerna i plasman håller samman plasman i böljande stråk. Dessa utkastningar av laddade partiklar strålar sedan vidare ut från solen och når så småningom jorden. Eftersom rymden är så tom har elektronerna och atomjonerna svårt att hitta varandra igen och återförenas till normala atomer. Därför är partikelstrålningen från solen elektriskt laddad. När partiklarna kommer in i jordens magnetfält tunnlas de ned via magnetfälten vid nord- och sydpolen. När de laddade partiklarna kommer ned till jordatmosfären sker kollisioner med luftens atomer och molekyler. De energier som då utvecklas ger det norr- och sydsken som man kan se mörka, klara vinternätter.

Andra exempel på plasma

I blixtar blir också temperaturen tillräckligt hög för att luftens atomer ska bilda plasma. Det gör att elektriska urladdningar kan ske via blixtens väg mellan molnen och jorden.

En eldslåga innehåller plasma. Faktiskt avger en stearinljuslåga joner till den omgivande luften. Dessa joner kan urladda statisk elektricitet. Om du har en dammvippa av syntetiska fibrer och du har laddat upp den med statisk elektricitet, så kan du observera vad som händer om du närmar den ett brinnande ljus. Redan på håll, så urladdas den statiska elektriciteten. Det beror på att jonerna accelereras till vippan av det elektriska fältet kring den statiskt uppladdade vippan. Detta experiment fungerar bara om luften är tillräckligt torr, annars kan man inte ladda upp vippan. Därför fungerar experimentet bäst vintertid då inomhusluften är torrare.

Konstgjord plasma finns också i lysrör och i plasmaskärmar för datorer.

Fasövergångar och bindningar

Det är lätt att konstatera att smält- och kokpunkter för ämnen kan variera mycket. Vissa ämnen är svåra att tänka sig på annat än ett sätt till vardags. Sten, koksalt och stål är fasta, bensin och alkohol är flytande och luft och gasol är gaser. Många vet också att i extrema fall, t ex i vulkaner, flyter mineralerna (stenen) och att när man svetsar flyter stålet. Det enda ämne man i vardagen möter i alla tre aggregationsformerna är vatten.

Starka bindningar ger höga smält- och kokpunkter

Mineraler och metaller är alltså exempel på ämnen med hög smältpunkt. Att det är så beror på styrkan hos de bindningar som håller ihop ämnena. Alla salter är uppbyggda av joner.

Attraktionskraften mellan positiva och negativa joner, jonbindning, är stark och salter har därför hög smältpunkt.

Mellan de enskilda atomerna i en metall finns metallbindning. Metallbindningen utgörs av de ingående atomernas valenselektroner som bildar ett gemensamt elektronmoln för hela "metallbiten". För att bryta den bindningen krävs mycket energi, vilket ger hög smältpunkt. Ett känt undantag är kvicksilver, en metall som är vätska vid rumstemperatur och alltså har svagare metallbindning.

Även kovalent bindning när atomer delar elektroner kan vara mycket stark. Faktum är att diamant och grafit, kolatomer sammanhållna av kovalenta bindningar har högre smältpunkt än alla metaller.

Svaga bindningar ger låga smält- och kokpunkter

Ämnen uppbyggda av molekyler (eller atomer som i ädelgaserna) har starka kovalenta bindningar mellan atomerna inom molekylerna men svagare bindningar mellan molekylerna. Det gör att smält- och kokpunkten blir relativt låg.

Den svagaste bindningen finns mellan molekyler och atomer är van der Waalsbindning. Den uppkommer pga mycket tillfälligt ojämnt fördelade elektronmoln hos opolära molekyler (atomer). Bindningarna finns både i fast fas och vätskefas. Eftersom bindningen är så svag blir smältpunkten låg, i många fall nedåt eller under -200°C. Den svaga bindningen gör också att skillnaden mellan smält- och kokpunkt blir liten.

Mellan ämnen som är dipoler förekommer dipol-dipolbindning där den positiva polen hos en molekyl attraherar den negativa hos nästa. Smält- och kokpunkten blir låg men högre än med enbart van der Waalsbindning.

För vissa ämnen som är dipoler är smält- och kokpunkten oväntat hög och avståndet mellan smält- och kokpunkten relativt stort. Vatten är ett bra exempel på detta. Det måste bero på starkare bindning än enbart mellan dipoler. De ämnen som har de egenskaperna innehåller alla väte. Vätet är bundet till en fluor-, syre- eller kväveatom, som drar till sig elektronparet i bindningen. Vätet blir positivt och kan attraheras av icke-bindande elektronpar på t ex en syreatom på en intilliggande molekyl. Det bildas en vätebindning. Den är starkare än van der Waalsbindningen och dipol-dipolbindningen. Vätebindningar har stor betydelse för att stabilisera strukturen i bl a proteiner och DNA.

Vatten

Ett ovanligt, men korrekt namn för vatten, är diväteoxid. Den kemiska formeln är alltså H2O. Vatten är det enda kemiska ämne som naturligt förekommer både i fast, flytande och gasform. Det är också ett av de absolut vanligaste ämnena på jorden.

Vattnets ovanliga egenskaper

Vatten har en ovanligt stor förmåga att lagra värme. Oceanerna spelar en viktig roll i jordens klimat genom att stabilisera temperaturerna. Vattenströmmarna i haven transporterar varmt vatten från ekvatorn mot polerna och kallt vatten från polerna tillbaka mot varmare områden. Dessa strömmar djupt ned i havet är som gigantiska osynliga floder som slingrar sig runt hela jordklotet. Strömmarna bidrar också till att transportera näring till områden där djur- och växtliv frodas i överflöd.

Vattnet är tyngst vid +4 °C.
Bild: © Svante Åberg

Vatten har den ovanliga egenskapen att när det fryser (stelnar), så får den fasta formen av ämnet lägre densitet än den flytande. Den lägre densiteten gör att is flyter ovanpå vatten. Tack vare det bottenfryser inte sjöar. I stället lägger sig isen som ett värmeisolerande täcke ovanpå sjöarna och fiskar, grodor och växter kan leva vidare i väntan på nästa vår. Snön som lägger sig ovanpå isen är extra värmeisolerande på grund av att den innehåller mycket luft. Snön är också fruset vatten, men snökristallerna gör att den inte packas så tätt.

Vatten är också ett ovanligt bra lösningsmedel. Det är ett polärt lösningsmedel, vilket innebär att det har förmågan att lösa ämnen som är mer eller mindre laddade. Det medför att vatten kan lösa salter ur jorden och berggrunden, men också att vatten kan lösa de många olika biologiska molekyler som finns i cellerna i djur och växter. Lösta ämnen kan diffundera, dvs. spridas ut i vätskan. Tack vare det kan olika molekyler träffa på varandra i cellvätskorna och reagera. Om molekylerna inte hade denna rörlighet skulle de biokemiska reaktionerna i kroppen stanna av och vi skulle varken kunna röra oss, tänka eller växa.

Vatten har ovanligt hög ytspänning. Ytspänningen gör vattendroppar runda, gör så att skräddare kan gå på vattenytan. Ytspänningen ger också kapillärkraft som hjälper träden kan "dra" upp vatten via sina kärl flera 10-tals meter. Det är mycket mer än när man har en vanlig sugpump. Då är 10 m den maximala höjden man kan pumpa vatten (beroende på att atmosfärstrycket inte motsvarar en högre vattenpelare än så).

Vattnet är livsnödvändigt

Vatten är ett av de allra viktigaste ämnena på jorden. Det är en av huvudbeståndsdelarna i de levande organismerna och i deras omgivning. En mycket stor del av de kemiska reaktionerna på jordytan sker i vattenlösning och detta gäller inte minst livsprocesserna. Vatten är också det oftast använda lösningsmedlet.

Vatten är en mycket stabilt ämne. Det vatten som finns på vår planet är därför till stora delar mycket gammalt, speciellt det som finns på stort djup i marken och bergen. Men trots att vatten är mycket stabilt så deltar det i de kemiska reaktioner som sker i samband med fotosyntes och respiration. Fotosyntes och respiration fungerar som ett kretslopp i naturen. I fotosyntesen kopplas vatten samman med koldioxid när sockerarter och andra organiska ämnen byggs upp. Stärkelse är exempel på en sockerart som växterna bildar för att lagra energi. Cellulosa och lignin som finns i veden är ett annat exempel.

När djur och människor äter växter förbränns maten och sönderdelas till vatten och koldioxid igen. Kretsloppet i naturen är ett nollsummespel där mängden vatten i stort sett inte ändras. Vattnet som binds i växter och djur kommer snart tillbaka ut i naturen igen och bildar moln, regn och vattendrag.

Eftersom vi är så beroende av vatten för att dricka och laga mat, tvätta oss, för bevattning av odlingsmark, i olika industriella processer med mera, så är vattenkvalitén viktig. Vanligen duger bara sötvatten. Men av allt vatten på jorden är bara en mycket liten del sötvatten. Och av sötvattnet är det mesta bundet i glaciärer. Visserligen har vi gott om rent sötvatten i vårt land, men i många länder är rent vatten en bristvara. Det är därför väldigt viktigt att vi inte förorenar det rena sötvatten som finns, utan är rädd om det och använder det på ett förståndigt sätt.

Vattnet blev referens för temperaturskalan

Vattnets fryspunkt är 0 °C och kokpunkten 100 °C vid normalt lufftryck. Det är ju praktiskt och enkelt med så jämna siffror. Det blev så därför att man valde vatten som referens när temperaturskalan skulle definieras på förslag av Anders Celsius åt 1742. I själva verket satte Anders Celsuis 0 °C vid kokpunkten och 100 °C vid fryspunkten, men senare insåg man att det var mer logiskt att ha det högre värdet när det var varmare. På förslag av Carl von Linné vände man på skalan efter Celsius död, så han Anders Celsius fick själv inte veta att det hade hänt.

När man sedan insåg att det finns en absolut nollpunkt på temperaturskalan definierade man Kelvin-skalan. Avståndet mellan värdena i Kelvin-skalan är exakt lika stort som i Celsius-skalan, men de har olika nollpunkter:
0 K = -273.15 °C och 0 °C = + 273.15 K


Vätebindningar karaktäriserar vattenmolekylen

Vätebindningarna i vatten.
Modifierad av Michal Manas, original av Qwerter (modell): CC BY-SA 3.0, bild

Vattnets polaritet är mycket hög. Polariteten beror på vätebindningar. Vätebindningen är en extra stark dipolbindning som håller samman de olika laddade ändarna hos två vattenmolekyler. Vattenmolekylens syre är lite minusladdad på grund av att syret drar till sig elektronerna i molekylen effektivt. De två vätena är lite plusladdade eftersom de inte drar till sig elektronerna lika bra och den positiva laddningen väteatomens kärna då överväger. Men som helhet är vattenmolekylen oladdad.

Vätebindningarna ger hög ytspänning

Tack vare vätebindningen attraherar vattenmolekylerna varandra extra mycket. Vätebindningarna får vattenmolekylerna att hålla samman i långa kedjor och nätverk, men det är bindningar som hela tiden bryts och återbildas. Styrkan i vätebindningen gör att både smältpunkten och kokpunkten är betydligt högre än man annars skulle förvänta sig.

Vätebindningen gör också att vatten har en ovanligt hög ytspänning. Ytspänningen är ett mått på den sammanhållande energin i vätskeytan.

Vinklad molekyl ger hexagonal struktur

I flytande vatten (vänster) är strukturen oordnad. I fast is (höger) är strukturen ordnad hexagonal och tar då större plats.
Bild: © Svante Åberg

Vätebindningen och det faktum att vattenmolekylen är vinklad gör att vatten i kristallform, dvs. is, har en hexagonal (sexkantig) struktur med tomrum inuti sexhörningarna. Dessa tomrum gör att isen har lägre densitet än flytande vatten.

Det normala är att densiteten hos en vätska ökar när temperaturen sjunker. Det beror på att molekylrörelserna blir mindre häftiga och molekylerna därför inte knuffar bort varandra lika mycket. Även vatten ökar sin densitet när temperaturen sjunker, men bara ned till +4 °C. Blir det ännu kallare minskar densiteten igen. Det beror på att den hexagonala strukturen som vätebindningarna och den vinklade vattenmolekylen orsakar börjar bildas så smått redan innan vattnet fryser till is.

Vattnets syra-basegenskaper

Vatten är ett amfotert ämne. Det betyder att vatten kan fungera både som syra och som bas. Vatten deltar därför i många syra-basreaktioner. Till exempel reagerar vatten med koldioxid och bildar kolsyra som sedan bildar vätekarbonat och karbonat. Det finns flera gaser som bildar syror tillsammans med vatten. Till exempel reagerar svaveltrioxid till svavelsyra och kvävedioxid reagerar med vatten till salpetersyra.

Surhetsgraden anges med pH. pH är definierat bara i en vattenlösning, så vatten är i praktiken universallösningsmedlet för syror och baser i kemiskt arbete.

Vätebindning

Vätebindningar finns i vatten och i många organiska ämnen i kroppen. Vätebindningar ger ämnena polära egenskaper, såsom löslighet i vatten. Vätebindningarna är också viktiga för strukturen hos till exempel DNA.

I strukturformler brukar vätebindningen markeras med streckad linje.

Bindningskrafter inom och mellan molekyler

Kemiska ämnen hålls samman av starka bindningar såsom kovalenta bindningar i molekylföreningar och jonbindningar i salter. Bindningar inom föreningen är intramolekylära krafter.

Men det finns också bindningar mellan föreningarna, intermolekylära krafter.

intramolekylär = inom molekylen
intermolekylär = mellan molekyler

Intermolekylära krafter är svagare än de intramolekylära.

Vätebindning kan ske när vätet sitter på N, O eller F

Den så kallade vätebindningen hör dock till de starkare intermolekylära krafterna. Den kan beskrivas som en extra stark dipol-dipolbindning.

Vätebindning kan uppstå mellan ett väte som sitter på atomslaget N, O eller F i en molekyl och atomslaget N, O eller F i en annan molekyl.

Här är några exempel på kemiska föreningar som kan bilda vätebindningar:

Vatten: H2O kan vätebinda. Däremot kan inte analogen vätesulfid H2S vätebinda eftersom svavel inte är tillräckligt elektronegativ.
Vätefluorid: HF kan vätebinda. Däremot kan inte analogen vätebromid HBr vätebinda eftersom brom inte är tillräckligt elektronegativ.
Ammoniak: NH3 kan vätebinda.
Karboxylsyror: exempelvis ättiksyra, CH3COOH kan vätebinda.
Alkoholer: exempelvis etanol, CH3CH2OH kan vätebinda. Däremot kan inte analogen etantiol CH3CH2SH vätebinda eftersom svavel inte är tillräckligt elektronegativ. Isomeren CH3-O-CH3 till etanol har samma summaformel, men föreningen är en eter och sådana har inget väte som sitter direkt på syreatomen. Därför kan etrar inte vätebinda.
Aminer: exempelvis ettylamin, CH3CH2NH2 kan vätebinda. Undantag är tertiära aminer som trimetylamin N(CH3)3 eftersom det inte sitter någon väteatom direkt på kvävet. Inte heller kan analogen etanitiol CH3CH2SH inte vätebinda eftersom svavel inte är tillräckligt elektronegativ.


Vätebindning kan även ske till kloridjoner

Kloratomen är inte tillräckligt elektronegativ för att skapa ett elektronmoln med så hög täthet att vätebindningar kan skapas. En enskild kloratom kan däremot få tillräckligt tätt elektronmoln genom att ta upp en extra elektron så att en kloridjon skapas.

En lite udda variant av vätebindningar kan därför fås mellan den negativt laddade kloridjonen och vattenmolekyler i lösningen, exempelvis en koksaltlösning.

Bilden till höger är en ögonblicksbild av en simulering. Vätebindningarna är markerade med röda streck. Väteatomer är vita, syreatomer röda och kloridjonen är rosa.

Man kan se vätebindningar mellan vätet i vatten och kloridjonen, liksom vätebindning mellan vätet i en vattenmolekyl och syret i en annan vattenmolekyl.

N, O och F är starkt elektronegativa atomslag


Elektronmolnet kring en vattenmolekyl är starkt förskjutet från väteatomerna mot syreatomen.
"Water charge distribution" av Martin Chaplin

Atomslagen N, O och F är de mest elektronegativa atomslagen i hela periodiska systemet. Elektronegativa atomer har förmågan att dra till sig elektroner.

I vatten sitter vätet på en syreatom. Vätet har en kärna med laddningen +1 och en elektron med laddningen –1. En fri väteatom har därför nettoladdningen 0. Syret drar till sig elektronmolnet mycket effektivt, vilket leder till att det blir ett positivt laddningsöverskott δ+ på väteatomen. Vatten har två väteatomer, som sitter på syret. Även den andra väteatomen får ett positivt laddningsöverskott δ+. På motsvarande sätt får syreatomen ett dubbelt negativt laddningsöverskott 2δ–.

Det positiva vätet i en vattenmolekyl kan binda till det negativa syret i en annan vattenmolekyl med så kallad vätebindning. Bindningen är ovanligt stark för att vara en intermolekylär bindning. Det beror på att vätet är nästan ”naket” när elektronmolnet dragit sig undan så effektivt från vätet. Därmed kan vätet komma mycket nära syreatomen i den angränsande vattenmolekylen, vilket gör att den elektrostatiska attraktionen blir extra stark.

Vätebindningarna ger vattnet dess egenskaper

Vätebindningarna i vatten.
Modifierad av Michal Manas, original av Qwerter (modell): CC BY-SA 3.0, bild

Vatten är det viktigaste lösningsmedlet, inte bara inom kemin, men också för livet på jorden. Vattnet har nämligen speciella egenskaper som beror på vätebindningarna mellan molekylerna.

På grund av polariteten hos vätebindningarna är vatten ett utmärkt lösningsmedel för polära ämnen såsom salter och organiska ämnen med polära grupper. Den vinklade formen hos vattenmolekylen ger en hexagonal struktur hos iskristallerna när vattnet fryser, vilket återspeglas i snöflingornas sexkantiga form. Iskristallerna hålls samman av vätebindningar. Vätebindningarnas styrka gör också att vattnets kokpunkt är mycket högre än den annars skulle vara.


Vätebindningarna ger struktur åt DNA

Vårt genetiska arv är kodat i DNA. Där finns basparen AT (Adenin och Tymin) och GC (Guanin och Cytosin). Det är viktigt att A verkligen parar med T och att G verkligen parar med C, annars skulle det bli oordning i den genetiska koden.


Basparning av Adenin och Tymin.

Basparning av Guanin och Cytosin.
"Base pair Adenine Tyhmine" av Yikrazuul" Public Domain Mark "Base pair Guanine Cytosine" av Yikrazuul" Public Domain Mark

Parningen blir rätt tack vare att A och T parar med två vätebindningar, men G och C parar med tre vätebindningar.