EIGENSCHAPPEN VAN WATER

III. EIGENSCHAPPEN VAN WATER

Water bestaat uit moleculen H2O, waarbij sprake is van een polaire atoombinding, een tussenvorm van ionbinding en atoombinding. Het resultaat is een V-vormig molecuul met een overschot aan negatieve lading in het midden en overschotten aan positieve lading aan de uiteinden: dipool.

Bij stoffen met een dipool trekt de positieve kant van een molecuul de negatieve kant van een ander molecuul aan. Deze grote elektrostatische aantrekking tussen de moleculen is oorzaak van een hoog smeltpunt en kookpunt van water.

De dipool-dipool-attractie is bij water oorzaak van het optreden van 'waterstof-bruggen', bindingen tussen zuurstofatoom van het ene molecuul met een waterstofatoom van het andere molecuul:

Figuur 43. Larven van Anopheles sp. (A) en Culex sp. (B), hangend aan het wateroppervlak.

Dat suikers, lagere carbonzuren en lagere alcoholen een goede oplosbaarheid in water vertonen, vindt z'n oorzaak in de mogelijkheid tot vorming van waterstof-bruggen met water door genoemde stoffen.

Grote watermassa's hebben enorme klimatologische invloed, allereerst omdat zij door verdamping de luchtvochtigheid en neerslag in de omgeving kunnen bepalen.

Water heeft bovendien een zeer hoge soortelijke warmte. Hoe hoger de soortelijke warmte, hoe minder snel een stof warm wordt bij een bepaalde warmtetoevoer. De zonnewarmte doet daarom water veel langzamer warm worden dan de gesteenten. Overdag zal het water dus kouder zijn dan het land. Na zonsondergang echter gebeurt het tegenovergestelde; de gesteenten koelen snel af en het water langzaam.

Wanneer water verdampt, dan worden de bindingen tussen de watermoleculen geheel verbroken. De verdampingswarmte is voor water bijzonder hoog, namelijk 46,4 x 103

J/mol bij 0 °C en 40,3 x 10³ J/mol bij 100° C. Het verschil komt overeen met de warmte die nodig is om 1 mol. water van 0° tot 100° C te verwarmen. Het verdampen van water heeft dus een sterk afkoelend effect door onttrekking van de verdampingswarmte aan de omgeving. Dit wordt door tal van organismen gebruikt om warmte kwijt te raken. In een bos is het derhalve altijd extra koel door de verdamping van water via de bladeren. De bodem van een diep meer heeft vaak een temperatuur van ± 4° C omdat water bij 3,98° C zijn grootste dichtheid bezit.

Water onderscheidt zich van de meeste andere stoffen doordat de grootste soortelijke massa gevonden wordt in de vloeibare fase en niet in de vaste. Men spreekt van de anomalie van water.

Variaties in de dichtheid van water tengevolge van temperatuurschommelingen zijn oorzaak van verticale waterverplaatsingen en de daaruit weer resulterende

temperatuurverdeling, die op haar beurt weer van invloed kan zijn op de verspreiding van waterorganismen (fig. 44).

De soortelijke massa van water is ook afhankelijk van het zoutgehalte. Zuiver water van 4 °C heeft per definitie een soortelijke massa gelijk aan 1. Zeewater heeft bij een

zoutgehalte van 35‰, een soortelijke massa van 1,02822. Het is dus zwaarder en zal daarom in een estuarium een zoute waterlaag op de bodem vormen waarover het zoetere rivierwater naar zee schuift.

De viscositeit van water neemt bij het stijgen van de temperatuur vrij snel af; koud water is dus visceuzer dan warm water (tabel 26). De viscositeit van water heeft dus grote invloed op de snelheid waarmee kleine voorwerpen zinken. Vandaar dat de viscositeit van het water ook van invloed is op het voorkomen en de verspreiding van talloze in het water zwevende organismen en op de bezinkingssnelheid van slib en zand. Tabel 26

temperatuur water ° C viscositeit

0 100,0 1 95,3 4 86,3 10 73.3 15 63,6 20 56,2 25 49,9 30 44,9 40 36,7

Viscositeit bij 0° C op 100 gesteld.

Het grensvlak water-lucht heeft bijzondere eigenschappen, die men bijvoorbeeld aan de stijging van water in capillaire buizen en aan de bolvorm van waterdruppels duidelijk kan waarnemen. Het grensvlak water-lucht is zetel van een oppervlaktespanning

die 0,073 N per m bij kamertemperatuur bedraagt. Dit houdt in dat er een arbeid van 0,073 J nodig is om het oppervlak met 1 m2 te vergroten. De oppervlaktespanning is de oorzaak dat vloeistofdruppels bij een bepaald volume een zo klein mogelijk oppervlak willen vormen; in de vrije ruimte is dit de bolvorm.

Het oppervlaktespanningsverschijnsel vindt zijn oorzaak in het feit dat alle moleculen elkaar aantrekken (London-Van der Waals krachten). In het grensvlak water-lucht worden de moleculen minder volledig door andere moleculen omringd dan in het midden van een waterdruppel. Wanneer men nu een molecuul uit het midden van een

waterdruppel naar de grenslaag wil brengen dan moet de attractie tot een deel van de omringende moleculen overwonnen worden en dit kost arbeid. Het grensvlak water-lucht is zetel van een extra potentiële energie, die tracht een minimum te bereiken, zodat, indien mogelijk, verkleining van het oppervlak zal optreden (fig. 42).

Dankzij het verschijnsel van de oppervlaktespanning kunnen tal van lichte dieren zich op het water voortbewegen of aan het wateroppervlak blijven hangen of daarlangs kruipen (fig. 43).

Het gedrag van watermoleculen tegenover vaste oppervlakten is biologisch gezien uitermate belangrijk. Is de cohesie op een grensvlak groter dan de adhesie dan is het hydrofoob, is de adhesie daartegen groter dan de cohesie dan is het grensvlak hydrofyl. Hydrofobie van het lichaamsoppervlak of bepaalde gedeelten ervan, is voor alle

waterdieren belangrijk die aan het wateroppervlak luchtzuurstof moeten opnemen (zie Biothema 3).

IV. WARMTEHUISHOUDING

De warmtehuishouding van een watermassa wordt bepaald door opname, verdeling en afgifte van warmte. De warmteopname vindt plaats door absorptie van stralingsenergie in de bovenste waterlagen, waarbij de stralen met grote golflengte de belangrijkste rol spelen (zie tabel 27).

kleur golflengte nm extinctie*-coëfficiënt geabsorbeerd licht in %/m — 365 0,036 3,6 violet 408 0,010 0,9 blauw 473 0,005 0,46 groen 504 0,010 0,9 geel 565 0,043 4,2 oranje 613 0,25 22,2 rood 720 1,05 65,0 — 800 1,87 84,6

* extinctie = absorptie + verstrooiing Tabel 27

De radiatie die op het wateroppervlak valt is samengesteld uit hemellicht (veel blauw) en directe zonnestralen (veel rood en infrarood). Een gedeelte van de radiatie dringt door in het water en de rest wordt gereflecteerd. De mate van instraling is afhankelijk van de aard van het wateroppervlak (vlak, golfslag) en van de zenithafstand van de zon die nl. van invloed is op de spectrale samenstelling van het licht en op de invalshoek van de stralen.

Water vertoont een grote absorptie voor het langgolvige rode deel van het spectrum, terwijl het kortgolvige blauwe deel van het spectrum tamelijk goed doorgelaten wordt. De absorptie van de golflengten 600-400 nm wordt veroorzaakt door in het water

aanwezige kleurstoffen; humuszuren absorberen kortgolvige stralen. Een groot gedeelte van in het water doorgedrongen radiatie wordt omgezet in warmte. De verdeling van warmte in de diepere waterlagen vindt plaats door stroming (moleculen verplaatsen zich en nemen de inwendige energie mee) en niet door geleiding (moleculen aan hun plaats gebonden, ze geven de moleculaire energie slechts door).

Figuur 44. Jaarlijks circulatie in een holo- en dimictisch meer. a = gelaagdheid in de winter met ijsvloer, winterstagnatie, b = voorjaarscirculatie, c = zomerstagnatie en d = herfstcirculatie.

Door nachtelijke uitstraling koelt de bovenste waterlaag sterk af, de soortelijke massa neemt toe met als gevolg dat er verticale convectiestromen ontstaan.

De verticale convectiestromen en de stroming door de wind veroorzaakt, zijn er de oorzaak van dat er in diepe meren geen exponentiële temperatuurprofilering ontstaat. 's Zomers ontstaat er in diepe meren van de gematigde luchtstreken echter wel een duidelijke temperatuurstratificatie, waarbij een enkele meters dikke bovenlaag, het epilimnion met een vrijwel gelijke temperatuur, rust op een bodemlaag met een eveneens constante maar lagere temperatuur, hypolimnion, als gevolg van dichtheidsverschillen en geringe invloed van de wind.

Tussen beide lagen zit dan een spronglaag of metalimnion, waarin de temperatuur verticaal zeer sterk daalt (18° → 6°). Deze sterke temperatuurgradiënt van de spronglaag noemt men temperatuursprong of thermoline.

De bovengrens van het hypolimnion valt doorgaans ongeveer samen met de diepte tot waar het licht doordringt en waaronder geen fotosynthese kan plaats vinden.

Door gebrek aan watercirculatie daalt het zuurstofgehalte in het hypolimnion vaak tot nul zodat er alleen nog maar anoxibionten in kunnen leven: zomerstagnatie. In herfst en winter koelt het epilimnion af en vermengt zich met het hypolimnion dat daardoor

zuurstofrijker wordt. Zodra het epilimnion onder de 4° C daalt - ook na bevriezing van de bovenste laag - houdt de circulatie op: winterstagnatie.

Vraag:

1. Waarom zijn de effecten van de winterstagnatie doorgaans minder ernstig dan die van de zomerstagnatie?

Wanneer tweemaal per jaar een periode van volledige circulatie optreedt, spreekt men van een dimictisch meer. Is er alleen sprake van een zomerstagnatie en niet van een winterstagnatie in een meer, dan spreekt men van een monomictisch meer.

Men onderscheidt bij meren de volgende circulatie typen: a. koud monomictische meren (polaire en subpolaire meren). b. dimictische meren (meren van de gematigde luchtstreken). c. warm monomictische meren (subtropische meren).

d. oligomictische meren (tropenmeren).

e. warm polymictische meren (tropenmeren bij sterke nachtelijke afkoeling). f. koud polymictische meren (meren van de tropische hooggebergten).

De termen holomictisch en meromictisch hebben respectievelijk betrekking op meren met een volledige circulatie tot de bodem en een circulatie die niet tot de bodem reikt.