Een druppel water
Inleiding
Zonder water zou er geen leven mogelijk zijn. Jouw lichaam bestaat uit ongeveer 70% water. Water kan in drie toestanden voorkomen:
- Vast (ijs)
- Vloeibaar (water)
-
Gas (waterdamp)
De toestand kan door verhitting of afkoeling (of door de aanpassing in druk) veranderen.
Hoe verandert de toestand van water?
Wanneer je ijs zachtjes verwarmt, begint het te smelten en vormt het een vloeistof. Wanneer je het verder verwarmt, verandert het rond 100° Celsius in een gas.
Waarom gebeurt dit?
Water is een molecule met de chemische formule H2O, of twee waterstofatomen die verbonden zijn aan één zuurstofatoom. In het ijs zijn de deeltjes stevig op elkaar gepakt en worden ze vastgehouden door chemische verbindingen, de waterstofverbindingen. De deeltjes trillen de hele tijd. Wanneer je ijs verwarmt, worden die trillingen heviger door de energie die je toevoegt. Sommige verbindingen breken, waardoor de deeltjes vrijer kunnen bewegen. Op deze manier wordt ijs vloeibaar. Wanneer er nog meer warmte wordt toegevoegd, krijgen de deeltjes voldoende energie om alle verbindingen te breken en als gas of stoom te ontsnappen.
De eigenschappen van water
De fysische eigenschap van een materie die beschrijft hoe vast de individuele deeltjes van een stof op elkaar gepakt zijn, wordt Dichtheid genoemd.
Dichtheid (D) is de maateenheid van de hoeveelheid materie (massa of m) in een bepaalde ruimte (volume of V) en wordt als verhouding weergegeven:
D = m/V.
Het verschil in de dichtheden van de materie op Aarde is de drijvende kracht achter de zee- en windstromen en de verschuiving van de tektonische platen.
Meestal neemt de dichtheid van een materie toe wanneer het van een gas naar een vloeistof, en van een vloeistof naar een vaste stof overgaat. De dichtheid neemt ook toe wanneer de temperatuur afneemt, omdat een lagere temperatuur de atoomdeeltjes minder doet trillen. De atomen bewegen minder rond en zijn dus dichter op elkaar gepakt. Maar bij water is dit anders!
Water heeft enkele zeer ongewone fysische en chemische eigenschappen, waardoor het een van de belangrijkste stoffen op onze planeet is.
Bekijk de video-opname van ESA-astronaut Frank De Winne die enkele demonstraties geeft over water in de gewichtloze toestand van het internationaal ruimtestation ISS. Onderwijzers kunnen deze clip samen met onderstaande nota’s gebruiken om jonge kinderen het water op Aarde en in de ruimte te helpen vergelijken.
1. Vast water, hoe ongewoon!
Waarom is vast water (ijs) ongewoon? Je zou verwachten dat een vaste materie zoals ijs zou zinken. Maar je weet dat ijs blijft drijven, zoals ijsblokjes in een drankje. Vul een plastic fles met water en sluit ze bovenaan. Plaats ze in de diepvriezer en bekijk ze de volgende dag opnieuw. Je zal misschien merken dat de dop los is gekomen en dat de fles water wat is uitgezet.
De vaste vorm van water (ijs) is MINDER dicht dan de vloeibare vorm. De dichtheid van zuiver water bedraagt bij vier graden 1,0g/cm³, terwijl de dichtheid bij nul graden Celsius slechts 0,92 g/cm³ bedraagt. Vloeibaar water en ijs hebben verschillende dichtheden omdat de moleculen in ijs verder van elkaar staan, waardoor ze meer plaats innemen dan een molecule vloeibaar water.
In de ruimte: Frank neemt een stukje ijs en plaatst het in een druppel water. Wat gebeurt er met het ijs in de druppel? Blijft het drijven, zinkt het, of gebeurt er iets anders?
Antwoord:
In het internationaal ruimtestation is alles GEWICHTLOOS en is er dus geen ZWAARTEKRACHT. Zwaartekracht is wat ons verhindert weg te zweven van de Aarde. Als je iets gooit zal het altijd op de grond vallen. Auw!
Deze aantrekking waardoor alles naar de Aarde wordt getrokken heet de zwaartekracht. Net als de astronauten (en alles wat niet goed vastgebonden is), zal alles in het ISS rondzweven. Zelfs water. Het ijs zal niet drijven of zinken maar vrij rond de waterdruppel bewegen.
2. De polariteit van water
Water is een dipolaire molecule. Water heeft H2O als chemische formule: twee waterstofatomen vastgebonden aan één zuurstofatoom.
Een watermolecule heeft geen globale lading, maar het heeft wel een lichte negatieve lading in de regio van de waterstofatomen en een lichte positieve lading in de regio van de zuurstofatoom. Dit heet een dipool. De globale lading van de watermolecule is neutraal, de positieve en negatieve ladingen zijn gelijk en neutraliseren elkaar.
Demonstratie van de dipolariteit van het water
Materiaal:
- Een waterbron (een kraan bijvoorbeeld)
- Een glazen staaf of plastic lat
Methode:
- Laat een kleine straal water uit de kraan vloeien.
- Neem je staaf of lat en plaats deze dicht bij de de waterstraal. Gebeurt er iets?
- Wrijf je staaf of lat een paar keer over een stukje stof of t-shirt. Breng het dicht bij de straal water. Wat gebeurt er nu? Waarom gebeurt dit volgens jou?
In het internationaal ruimtestation gebruikt Frank De Winne een stukje plastic (in plaats van een glazen staaf) om een lading te veroorzaken (bijvoorbeeld een positieve + lading). Door dit stukje plastic tegen zijn kleding te wrijven, ontstaat er op de oppervlakte een positieve lading. Als hij het bij een waterdruppel brengt zal de lading van het plastic de omgekeerde lading van de watermolecule aantrekken (de negatieve lading van de zuurstof).
Denkvraag
Waarom kan Frank geen waterstraal gebruiken in het ruimtestation ISS? Wat gebeurt er met de waterdruppel wanneer hij het stukje plastic dichterbij brengt?
Antwoord:
De lat of het staafje zal de straal aantrekken door zijn positieve lading en zal de negatieve lading in de watermolecule aantrekken.
Als Frank de plastic lat dicht bij het water houdt zou de druppel moeten bewegen terwijl hij het stukje plastic beweegt. De negatief geladen zuurstof wordt aangetrokken door de positieve lading op de plastic lat.
Frank kan in het ruimtestation ISS geen waterstraal gebruiken omdat alles er rondzweeft (alles is gewichtloos) en het water op die manier gemakkelijk in de elektrische toestellen kan dringen en schade kan veroorzaken. Het water moet in een speciale drinkwaterzak worden bijgehouden en moet daarna worden gedweild.
3. Oplosbaarheid van water
Water beschikt over de zeer belangrijke eigenschap dat het vele vaste stoffen en gassen kan oplossen. Wat gebeurt er wanneer je suiker (vaste stof) in je koffie voegt?
Suiker is oplosbaar in water. Sommige stoffen zijn onoplosbaar (ze lossen niet op). Kan je een voorbeeld vinden?
Om uit te proberen: wat lost in water op?
Materiaal:
Suikerklontje, korreltjes zout, oploskoffie en koffiebezinksel, kleine stukjes hout (spaanders, hooi), kleine stukjes plastic, stukjes kaarsvet, glazen bokalen, (roer)lepel, waterbron en een vuilnisbak voor het afval.
Methode
- Voeg een per een de verschillende materialen in een bokaal met water en kijk of ze wel of niet oplossen. Je zal misschien moeten roeren.
- Maak een tabel waarin je noteert wat oplost en wat niet.
Op Aarde kunnen we gemakkelijk zien wanneer iets oplost, vooral wanneer het een kleur heeft. Het lijkt in het water te “verdwijnen”. Wanneer we het in onze thee of koffie doen, smaakt het zoet (VOORAL NIET PROEVEN in de klas).
Zou in de ruimte, waar de omstandigheden verschillend zijn als op Aarde, suiker ook oplossen in thee? We weten dat alles zweeft maar zal de suiker gewoon rondzweven in het water of zal het dan ook oplossen?
Frank zal proberen om suiker op te lossen in zijn thee. Wat zou er volgens jou gebeuren als het water warmer zou zijn? Of als hij zou roeren?
Astronauten krijgen special zakjes met thee en suiker in. Ze moeten warm water toevoegen en goed schudden om de suiker op te lossen en de thee te mengen. Hoe weet Frank of zijn thee zoet is?
Antwoord:
Frank proeft van zijn thee, hij is zoet. In de ruimte lost suiker dus wel degelijk op in water.
