Читать книгу Viden om vand - Группа авторов - Страница 13

Der findes et utal af forskellige eksperimentelle teknikker, der kan bruges til at bestemme den præcise struktur af et enkelt vandmolekyle. Med massespektrometri kan vi bestemme massen af et enkelt vandmolekyle, og den mest præcise måling viser, at et vandmolekyle vejer 2,992236×10^-26 kg. Små og store tal er svære at anskueliggøre, men forestiller man sig, at hver person her på Jorden fik udleveret 5 milliarder vandmolekyler, så ville man i alt have 1 µg, altså en milliontedel af et gram. I 1 liter vand, der som bekendt vejer 1 kg, er der altså 3,3×10²⁵ vandmolekyler. I kemien bruger vi betegnelsen mol, når vi skal holde rede på antallet af molekyler. 1 mol svarer til 6,02×10²³ molekyler, så 1 kg eller 1 liter vand svarer således til 55 mol. Oftest ser man derfor, at molekylernes masse gives som den molare masse, altså massen af 6,02×10²³ molekyler. For vand er den molare masse derfor 18,0 g/mol.

Den præcise geometri af et vandmolekyle kan også bestemmes meget nøjagtigt. Til det formål anvender man spektroskopi. Lys kan, som bekendt, have mange forskellige farver. Øjet kan se røde, gule, grønne og blå farver. Bruger man mere fintfølende måleintrumenter, kan man måle farver, der ikke kan ses af øjet. Mikrobølger, infrarødt lys, ultraviolet lys og røntgen er således også farver, blot usynlige for øjet. Lyser man på vandmolekylerne og måler, hvilke farver der absorberes af vandet, kan man meget nøjagtigt bestemme molekylets geometri. Afstanden fra oxygenatomet til de to hydrogenatomer er 0,95718 ångstrøm, hvor 1 ångstrøm svarer til 10^-10 meter. Denne afstand kalder vi for bindingslængden. Vinklen mellem de to oxygen-hydrogen-bindinger er 104,474 grader. Hvis figure 2.1b angav det præcise billede af vandmolekylet, så skulle vinklen faktisk have været 109,5 grader. Tager man eksempelvis et rundt æble og placerer fire tandstikkere i det, så de er længst muligt fra hinanden, vil vinklen mellem tandstikkerne være 109,5 grader. Det er ikke helt tilfældet for vandmolekylet, fordi de to frie elektronpar, der peger mod hjørnerne 3 og 4, fylder lidt mere end de elektronpar, der bruges til at binde hydrogenatomerne til oxygenatomet. Derved klemmes bindingerne lidt sammen, og vinklen bliver mindre, 104,474 grader.

Figur 2.2

Vandmolekylets bindinger er ikke stive, men snarere som en fjeder, der kan vibrere. Bindingerne kan både strækkes og bøjes, og på hjemmesiden www.vand.au.dk kan du finde en animation, der viser vandmolekylets vibrationer.

Når vi senere skal se på vand i flydende og fast form, viser det sig, at netop bindingslængderne og vinklen imellem de to oxygen-hydrogen-bindinger er afgørende for strukturen af eksempelvis iskrystaller og afgørende for, hvor tæt det er muligt at pakke eller stable vandmolekylerne. Inden vi når dertil, skal vi dog først se på, hvordan et vandmolekyle kan bevæge sig. Det viser sig nemlig, at vandmolekylets struktur ikke er statisk. Molekylerne er faktisk i konstant bevægelse, og både bindingerne og vinklen vibrerer hele tiden.