Water

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Nuvola single chevron right.svg Voor het gelijknamige trigram, zie Water (trigram).
Water als vaste stof, vloeistof en gas

Water (H2O; aqua of aq.; zelden diwaterstofoxide of oxidaan[1]) is de chemische verbinding van twee waterstofatomen en een zuurstofatoom. Water komt in de natuur voor in de drie verschillende hoofdfasen: als vloeistof, als vaste stof en als gas. Bij kamertemperatuur is water een vloeistof zonder specifieke kleur en geur. Al het leven op aarde bestaat grotendeels uit en is afhankelijk van water. Water bedekt 71% van het aardoppervlak.

Fysische eigenschappen[bewerken]

Het fasediagram van water. Op de verticale as is logaritmisch de druk uitgezet in pascal, op de horizontale as is de temperatuur uitgezet in kelvin.
In dit diagram kan afgelezen worden bij welke temperatuur en druk water gasvormig (V, vapour), vloeibaar (L, liquid) of vast (S, solid) is. Bij het tripelpunt (TP) kan water in drie fasen voorkomen. Boven het kritische punt (CP) is er geen scheidingsvlak meer tussen vloeistof en gas.
Kokend water bij gewichtloosheid
Wetenschappelijk experiment met een waterbrug

Aggregatietoestanden[bewerken]

Water kan in drie hoofdfasen of aggregatietoestanden bestaan: ijs, vloeibaar water en waterdamp. Ofwel: vaste stof, vloeistof en gas. De temperatuurschaal van Celsius is gebaseerd op de overgang tussen deze toestanden: ijs smelt (wordt vloeibaar) bij 0 °C en water kookt bij 100 °C (bij normale atmosferische druk). Water kan zowel vanuit vaste stof als vloeistof verdampen. Als water verdampt vanuit vaste stof (ijs) heet dat sublimeren. Ook omgekeerd kan waterdamp overgaan tot de vloeibare toestand, dit noemt men condenseren, en overgaan tot de vaste toestand, dit noemt men rijpvorming. Het kook- en ook het smeltpunt is afhankelijk van de druk: het kookpunt ligt lager bij lagere druk en het smeltpunt ligt lager bij hogere druk. Het eerste betekent dat de aardappelen niet gaar worden als ze op de top van de Mount Everest worden gekookt; het tweede dat bij het schaatsen een laagje water tussen de ijzers en het ijs ontstaat, zonder welk het schaatsen een stuk minder snel zou gaan. De vaste toestand van water kent overigens ten minste elf verschillende ijsfasen, optredend bij verschillende drukken en temperaturen, elk met hun eigen kristalstructuur.[2] Het fasediagram van water is buitengewoon ingewikkeld.

Er is ook een toestand waarbij ijs, vloeibaar water en waterdamp tegelijk voorkomen. Dit heet het tripelpunt van water, dat optreedt bij een bepaalde druk en temperatuur (0,01 °C).

Bij normale atmosferische druk kunnen ook "oververhit water" en "onderkoeld water" voorkomen. Dat is water dat respectievelijk warmer dan 100 °C of kouder dan 0 °C is, maar nog steeds in de vloeistoffase is. Dit komt onder andere voor als water verhit wordt in een zeer schoon en effen vat, bijvoorbeeld in een bekerglas, bij de geringste fysische verstoring begint het water te koken onder explosieve verschijnselen. Dit verschijnsel wordt kookvertraging genoemd. Onderkoeld water kan plotseling overgaan in de vaste toestand door bij voorbeeld een trilling, er wordt dan zeer snel ijs gevormd.

Absorptie en verstrooiing[bewerken]

Schoon, vloeibaar water krijgt een blauwe kleur als gevolg van verschillen in absorptie en verstrooiing van blauw en rood licht: water absorbeert rood licht 100 maal meer dan blauw licht en verstrooit blauw licht 5 maal meer dan rood licht. De kleur wordt echter pas duidelijk zichtbaar als het water meer dan een paar decimeter diep is.

Dichtheid[bewerken]

Bij standaard atmosferische druk heeft water zijn grootste dichtheid (999,972 kg/) bij een temperatuur van circa 3,984 °C boven het smeltpunt. Hierdoor heeft water de uitzonderlijke eigenschap dat de vaste stof minder dicht is dan de vloeistof en dus op de vloeistof kan drijven; kouder water zet uit en warmer water ook. Daardoor bevriest een watermassa in de natuur van boven naar beneden. Het ijs isoleert daarbij het vloeibare water eronder. Dit effect speelt een grote rol bij het leven in sloot en plas. Mogelijk heeft deze eigenschap ook een grote rol gespeeld bij het ontstaan van leven op aarde, immers zowel diep onder extreem dikke ijslagen als diep onder warm oppervlaktewater kan zich vloeibaar water met een stabiele temperatuur van 4 °C bevinden.

Soortelijke warmte[bewerken]

Water heeft een buitengewoon grote soortelijke warmte; voor de vloeistof is dit 4186 joule per kilogram per kelvin. Dat wil zeggen dat er 4186 joule nodig is om een liter water een graad in temperatuur te laten stijgen. Hierdoor hebben systemen die veel water bevatten, zoals levende wezens, maar ook de aarde als geheel een nogal stabiele temperatuur; de invloed op het klimaat is vooral zichtbaar in gebieden met een zeeklimaat.

Kringloop[bewerken]

Nuvola single chevron right.svg Zie waterkringloop voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Op aarde bestaat er een waterkringloop waarbij zeewater verdampt, in de atmosfeer condenseert en als neerslag weer terugvalt, waarna rivieren en grondwater het weer terugvoeren naar de zee. Zeewater wordt ook wel zout water genoemd omdat er vele zouten in opgelost zijn. Bij het verdampen van zeewater blijven de zouten achter in zee, waardoor neerslag geen zout bevat, dit noemt men zoet water. De overgang tussen zoet water en zout water, de tijnaad, is niet altijd even duidelijk (bijvoorbeeld in rivieren met getijden), deze mengeling van zoet en zout water noemt men brak water.

Op de aarde komt ongeveer 1.400.000.000 km3 water voor. Hiervan bevindt 97% zich als zout water in oceanen en zeeën. De rest is onderverdeeld in zoet en zout grondwater (23.300.000 km3), ijs (24.000.000 km3), oppervlaktewater (meren en rivieren, 190.000 km3) en waterdamp in de atmosfeer (14.000 km3). De verhoudingen variëren enigszins door verschillende factoren, waaronder het klimaat.

Water in de chemie[bewerken]

Water
Structuurformule en molecuulmodel
Structuurformule van water
Structuurformule van water
Molecuulmodel van water
Molecuulmodel van water
Algemeen
Molecuulformule
     (uitleg)
H2O
IUPAC-naam water
Andere namen oxidaan
Molmassa 18,01528 g/mol
CAS-nummer 7732-18-5
EG-nummer 231-791-2
Beschrijving Kleurloze vloeistof
Waarschuwingen en veiligheidsmaatregelen
Fysische eigenschappen
Aggregatietoestand vloeibaar
Kleur kleurloos
Dichtheid 0,998 g/cm³
Smeltpunt 0 °C
Kookpunt 100 °C
Goed oplosbaar in Ethanol, methanol, azijnzuur, aceton, acetonitril
Slecht oplosbaar in Apolaire oplosmiddelen
Viscositeit 1,00 × 10-3 Pa·s
Brekingsindex 1,3330 (589 nm, 20 °C)
Geometrie en kristalstructuur
Kristalstructuur hexagonaal (zie ijs)
Dipoolmoment 1,85 D
Thermodynamische eigenschappen
ΔfGog -228,57 kJ/mol
ΔfGol -237,13 kJ/mol
ΔfHog -241,82 kJ/mol
ΔfHol -285,83 kJ/mol
Sog, 1 bar 188,83 J/mol·K
Sol, 1 bar 69,91 J/mol·K
Evenwichtsconstante(n) pKa = 15,74
Analytische methoden
Klassieke analyse Karl Fischer-titratie
Waar mogelijk zijn SI-eenheden gebruikt. Tenzij anders vermeld zijn standaardomstandigheden gebruikt (298,15 K of 25 °C, 1 bar).
Portaal  Portaalicoon   Scheikunde

Een watermolecuul is een chemische verbinding van twee waterstofatomen en een zuurstofatoom. De molecuulformule is H2O. Een zelden gebruikte, maar systematische chemische naam voor water is oxidaan. Bij die benaming ligt de nadruk op water als hydride van zuurstof.

Chemische eigenschappen[bewerken]

Het watermolecuul is een dipool: omdat de waterstofatomen niet symmetrisch liggen ten opzichte van het zuurstofatoom is één kant van het watermolecuul elektrisch geladen ten opzichte van de andere kant. In overeenkomst met de octetregel heeft het zuurstofatoom in water zijn elektronen als volgt verdeeld: twee keer twee elektronen voor de binding met de twee waterstofatomen, en twee keer een vrij elektronenpaar. Door de polariteit van het watermolecuul, trekken deze moleculen elkaar dus sterk aan, wat het ten opzichte van andere stoffen lage smeltpunt, hoge kookpunt en de hoge smeltwarmte en verdampingswarmte verklaart. De polariteit van water verklaart ook waarom zouten (ionen) en polaire stoffen (zoals suiker) zo goed in water oplossen.

Watermoleculen kunnen opsplitsen in een (zuur) H3O+-ion en (base) OH--ion. Deze reactie wordt de autoprotolyse van water genoemd:

\mathrm{H_2O\ +\ H_2O\ \rightleftharpoons\ H_3O^+\ +\ OH^-}

In zuiver water bij een temperatuur van 298 K zijn de concentraties van beide ionen 10-7 mol/l. De pH van het water is dan 7 (-log10-7=7). De pH-neutraliteit wordt dus veroorzaakt door het feit dat beide ionen in gelijke concentraties aanwezig zijn.

Water is dus een amfolyt, wat wil zeggen dat de stof zowel zuur, als basisch kan reageren. Voegen we een zuur aan het water toe, dat een zwakkere base is dan het water zelf, dan neemt een watermolecuul een proton op en vormt het hydronium-ion (H3O+), het water reageert nu basisch met het zuur. Is er een sterkere base dan het water zelf aanwezig dan vormt er een basisch deeltje: het hydroxide ion (OH-), het water reageert als zuur met de base.

Water is door zijn eigen molecuulbouw zeer polair, dit komt doordat er tegenover de twee H-atomen het relatief zware O-atoom gebonden zit, de binding is polair-covalent waardoor er een klein ladingsverschil ontstaat binnen het molecuul. De relatief grote molecuulmassa maakt water een uitstekend oplosmiddel voor vele zouten, de polaire watermoleculen hechten zich gemakkelijk aan de sterk geladen ionen waardoor deze uit hun kristalrooster getrokken kunnen worden. Ook polaire stoffen als aceton en ethanol mengen hierdoor gemakkelijk in water, in alle verhoudingen.

Water kan onedele metalen oxideren onder vorming van waterstofgas. Bij zeer onedele metalen zoals natrium en kalium verloopt die reactie snel (met vuurverschijnselen), bij minder onedele metalen zoals ijzer verloopt de oxidatiereactie veel langzamer en gelijkmatiger. Een goed voorbeeld van een explosieve reactie tussen een metaal en water is die van natrium en water, waarbij naast natriumhydroxide en waterstofgas ook nog een grote hoeveelheid energie gevormd wordt:

\mathrm{2\ Na\ + 2\ H_2O\longrightarrow\ 2\ Na^+\ +\ 2\ OH^-\ +\ H_2}\ +\ E

Water in de levende natuur[bewerken]

Ieder levend wezen heeft water nodig

Elk organisme bestaat voor meer dan 50% uit water.[bron?] Planten ca 80% en dieren ca 60%. Het menselijk lichaam bestaat voor ongeveer 65%[3] uit water, afhankelijk van leeftijd en geslacht.

Dit water bevindt zich bij organismen in de cellen en in extracellulaire vloeistof. organismen verliezen water door verdamping en uitscheiding. Daarom moeten ze ook water opnemen.

Zowel planten als dieren kunnen aanpassingen hebben aan droge omstandigheden.

Water en humanitaire ontwikkeling[bewerken]

Jongen in Jakarta wast zich (2004)

Water, en met name goed drinkwater is erg belangrijk voor de mens. Het speelt dan ook een belangrijke rol in de ontwikkeling van de Derde wereld. Meestal wordt onderwijs als belangrijkste factor gezien, maar water is een niet te verwaarlozen middel om bij te dragen aan het succes van dit onderwijs. Zowel de medische gevolgen als de hygiënische aspecten van een watertekort, met daarbij ook de tijd die het kost om water bij een ver gelegen pomp te halen, verminderen de tijd die leraren en leerlingen aan school kunnen besteden.

Er kan een waterconflict ontstaan als er niet voldoende schoon water voorhanden is in een gebied of land. Waterschaarste heeft niet alleen betrekking op drinkwater, maar ook op water dat gebruikt kan worden voor de landbouw, industrie, transport (bijvoorbeeld de Suezcrisis) en ontspanning. Er zijn regio's in de wereld waar water een schaars goed is door klimatologische omstandigheden of infrastructurele problemen of ontbossing. Dit betreft bijvoorbeeld het Midden-Oosten, het oostelijke deel van de Verenigde Staten van Amerika en de Sahara maar ook landen in de Tropen.

Anno 2010 heeft 89% van de mensen toegang tot schoon water.[4] Ongeveer een tiende van de wereldbevolking heeft nog geen directe toegang tot schoon drinkwater. Daarbij hebben 2,4 miljard mensen onvoldoende hygiëne als gevolg van watergebrek. Per dag sterven wereldwijd 6000 mensen door gebrek aan water. Er is aangetoond dat water een positief effect op het onderwijs in arme landen heeft. Een studie van de Wereldbank wees uit dat een school in Tanzania, toen er een waterpomp op een kwartier lopen in plaats van een uur kwam, een 12% hogere opkomst gerealiseerd kreeg. Toen de haaltijd van water op een plek in Bangladesh werd verkort, leverde dit een 15% hogere opkomst op.[5] In Nederland is water een van vier prioritaire thema’s van het Nederlandse ontwikkelingsbeleid.[6]

Overig: symbolische betekenis[bewerken]

Wijwaterbakje in een Poolse kerk

Water is vanuit de Klassieke Oudheid beschouwd als een van de natuurelementen naast aarde, vuur en lucht.

In het christendom en het jodendom neemt water een aparte plaats in. De beschavingen in het Oude Egypte en het Koninkrijk Israël lagen in die tijden in of langs droge, woestijnachtige gebieden. Zonder water was men daar gedoemd te sterven. De enkele keren dat het regende was het vaak een dusdanige hoeveelheid dat niets ontziende modderstromen en overstromingen ontstonden.

In veel religies staat water symbool als een reinigend middel.

In de oorspronkelijk Hebreeuwse tekst wordt in Genesis de hemel aangeduid met een dualis dat water(en) betekent.[7] God scheidt de hemelse wateren van de aardse wateren, de zeeën.[8]

Rooms-katholieken kennen het wijwater. Dit water is gezegend door een bevoegd priester en kan in de kerk gebruikt worden of meegenomen naar huis voor gebruik. Men doopt dan de vingers in een gevuld wijwaterbakje, en maakt een kruisteken. Het sprenkelen van dit water op de vloer zou hen die in het vagevuur vertoeven, ten goede komen.

Zie ook[bewerken]

Icoontje WikiWoordenboek Zoek water op in het WikiWoordenboek.
Bronnen, noten en/of referenties