Noter om vand: Adhæsion og kohæsion. Vandmolekylet er polær

Transkript

1 Noter om vand: Adhæsion og kohæsion Af, Lektor i Naturgeografi, Ph.d., 2015 Vandmolekylet er polær Et vandmolekyle er polær eftersom elektronfordelingen ikke er konstant og at molekylet er V- formet. Det røde område har overskud af negative ladninger og det blå har underskud på negative ladninger (figur 1). Figur 1. Vandmolekyle, den positive ladning ligger forskudt mod brinten og den negative mod ilten. Det røde område har overskud af negative ladninger og det blå har underskud på negative ladninger (lone pair). Kilde: Elektrisk dipol (2014) GT. Tilgået 13. november 2014 på: De polære egenskaber ved vand har betydning for bl.a. vands fysiske egenskaber herunder de intermolekylære krafter (figur 2). Disse krafter skal vi se nærmere på i det følgende i spørgsmålet om, hvordan vands intermolekylære krafter virker dels vand og vand imellem og dels imellem vand og faste overflader her specifikt sandkorn (fx kvarts) og ler (lermineraler). Figur 2. Intermolekylære krafter mellem vandmolekyler. Kilde: Elektrisk dipol (2014) GT. Tilgået 13. november 2014 på: 1 / 5

2 Kohæsion og adhæsion for vand i kontakt med sand og ler Man taler om kohæsion om de intermolekylære krafter, der påvirker hinanden, når to ens molekyler møder hinanden, og om adhæsion, når to forskellige molekylers intermolekylære krafter påvirker hinanden. Definition for kohæsion og adhæsion lyder således: Kohæsion 1, (af lat. cohaesio 'sammenholdning, sammenhæng', af cohaerere 'hænge sammen'), er indre sammenhængskraft for et stof. Kohæsion skyldes intermolekylære kræfter og er normalt størst for faste stoffer, mindre for væsker og mindst for gasser (figur 2 og 3). Adhæsion 2, (af lat. adhaesio, af ad-haerere 'hænge ved, holde fast i'), er sammenhængskraften mellem to forskellige legemer, der berører hinanden, fx en regndråbe og en rude (figur 3). Adhæsion skyldes kræfter mellem de yderste lag af legemernes molekyler. Figur 3. Kohæsion (cohesion, rød streg) og adhæsion (adhesion, grøn streg) mellem henholdsvis vandmolekyler (blå prik) og fast stof (grøn prik). Kilde: Glossary of Surface Science Terms (2014) ramé-hart. Tilgået 13. november 2014 på: I et glas med vand kan man observere, at vandoverfladen stiger en anelse nærmest glassets sider. Det skyldes adhæsion (adhæsionskrafter), der optræder i kontakten mellem glasset og vandet, mens kohæsion (kohæsionskrafter) virker mellem vandmolekylerne. Når et kapillarrør nedsænkes i vand, stiger vandoverfladen inde i røret som følge af den overfladespænding, der opstår via adhæsion og kohæsion (figur 4). Stigningen afhænger af rørdiameteren: I smallere rør stiger overfladen mere (figur 5). 1 Kohæsion. Tilgået 13. november 2014 på: 2 Adhæsion. Tilgået 13. november 2014 på: 2 / 5

3 Figur 4. Et rør med vand (blå cirkler), hvor kapillærkrafter påvirker overfladen af vandet som følge af kohæsion (cohesion) og adhæsion (adhesion, røde pile). Vandmolekylerne er blå cirkler Kilde: Kapillärkrafter (2014) [ikke den originale kilde]. Tilgået 13. november 2014 på: & Ligesom rørdiameteren har betydning for vandstigning i kapillærrør, så gælder dette også for sedimenter. Figur 5 viser, at kapillæreffekten stiger med aftagende kornstørrelse og dermed for aftagende porediameter 3. Således er kapillæreffekten i fx finsand større end i grus, og størst i ler, som har den mindste kornstørrelse (0,002 mm eller mindre). Hertil følger, at ler eller rettere lermineraler kan være negativ ladet, hvilket kan øge adhæsionen yderligere (figur 6). Figur 5. Venstre figur: Hårdrodseffekt med stighøjde afhængig af diameteren på røret. Vandets stighøjde er størst ved mindst diameter. Højre figur: Kapillærkraften som kan opfattes ligesom hårdrodseffekten. Med mindre kornstørrelse øges kapillæreffekten da afstanden mellem kornstørrelserne (partiklerne) bliver mindre. Kilde: The Water Cycle & Ground Water Hydrology (2014). Tilgået 13. november 2014 på: 3 Dette gælder for en homogen sedimenttekstur, dvs. et sediment med ensartede kornstørrelser. 3 / 5

4 Figur 6. Kohæsion mellem vandmolekyler, og adhæsion mellem ler-mineraler og vandmolekyler. Kilde: Soil Liquids and Gases (2014) Department of Geography, Hunter College. Tilgået 13. november 2014 på: De intermolekylære krafter har også betydning for, hvilken hastighed vand strømmer i forskellige sedimenter. Figur 7 viser, at infiltrationen af vand i groft sand er hurtigere end i lerjord (figur 7), hvilket netop peger på betydningen af dels sedimentets kornstørrelse ift. kohæsion og adhæsion og dels et polært vandmolekyle. Figur 7. Maksimal infiltration som funktion af tiden og sedimenttype. Kilde: Sestoft, A. mfl. (2005: 247). Geografihåndbogen 4.udg. Aarhus: Systime. Tilbage til naturen, så minder mange grundvandsmagasiner i Danmark om principskitsen i figur 8. Infiltrationen starter ved jordoverfladen og vandet infiltrerer den umættede zone som jordvand, hvoraf en del siden, når et grundvandsmagasin i den mættede zone. Figuren viser også, at den danske undergrund lang fra er homogen. Aflejringerne veksler mellem lag af sand/grus og lag af ler 4. Her fungerer ler som vandstandsende et lag med en langsom infiltrationshastighed (lille konduktivitet) og sand med en stor infiltrationshastighed (stor konduktivitet). Med andre ord, mens ler holder på vandet, så strømmer vandet relativt hurtigt i sand/grus-aflejringer. 4 Sand/grus og ler kan være aflejret glacialt, æolisk, fluvialt eller marint men sand/grus har typisk de samme egenskaber uhindret miljøet, og det samme gælder for leraflejringer. Forskellen beror i teksturen herunder kornstørrelsesfordelingen. 4 / 5

5 Figur 8. Sekundære og primære grundvandsmagasiner hvor de primære er store nok til at kunne bruges til vandindvinding og markvanding. Lerlag beskytter grundvandet og holder på grundvandet. Kilde: ukendt kilde. 5 / 5