Wikijunior:Natuurkunde/Water

Gezocht: Wikibookianen die een beroep hebben waar natuurkunde bij gebruikt wordt en die in het hoofdstuk "Einde" heel kort iets willen vertellen over hun beroep.

Alleen maar lekker fris?

Water ken je waarschijnlijk als dat natte, doorzichtige spul. Bijna tweederde van het oppervlak van de aarde is bedekt met water. Veel van dat water kunnen wij niet gebruiken: het is zout water, dat je vooral in zeëen en de oceanen vindt. Het water van rivieren en meren is zoet en dat is heel belangrijk voor ons. We doen er van alles mee, sommige mensen gebruiken 150 liter per dag. Je zou denken dat het water een keer opraakt. Maar dat is niet zo, daar zorgt de natuur voor.

Natuur

Bij 0 graden Celsius of lager bevriest het water en dan is het geen vloeistof meer maar een vaste stof, ijs. Bij 100 graden of hoger gaat water koken.

De waterkringloop

Veel water in de oceanen, meren en van bloemen verdampt door de zon. In de lucht koelt de waterdamp af en ontstaan er regendruppels. Die regendruppels bevriezen en gaan aan elkaar kleven. Zo ontstaan wolken, die door de luchtstroom vooruit geblazen worden. Die wolken worden zo zwaar door de bevroren regendruppels, dat ze gaan zakken. De warme lucht laat de bevroren regendruppels smelten. De regendruppels vallen naar beneden, de val naar beneden is soms zo koud dat ze bevriezen in hagel, maar je zou mischien denken dat het dan sneeuw wordt maar nee daarvoor moet het dan eerst hagel worden en dat moet dan weer verdampen als die damp dan eenmaal bevriest dan begint het sneeuw te vormen. Die sneeuw valt op de bergen en na verloop van tijd gaat de sneeuw weer smelten. Dat water komt naar beneden en vormt een rivier, die rivier komt naar het laagste punt en dat is de zee. Het water verdampt dan weer, en zo gaat het maar door: dat heet “kringloop”.

Mens

Je lichaam bestaat voor meer dan de helft uit water. Water is er dan ook een belangrijke bouwstof voor. Zonder water kan je bloed niet stromen, het is nodig om stoffen in je lichaam op te lossen en te vervoeren. Het water zorgt er ook voor dat jij kunt plassen. In je plas zitten allemaal afvalstoffen die je lichaam niet meer nodig heeft, die afvalstoffen worden vermengd met water en dan is het plas. Als je lichaam heel warm is, verdampt het water via je huid om af te koelen; dat noemen we zweten. Als je niet meer zou drinken ga je na een dag of drie dood.

Thuis water gebruiken

Wij gebruiken thuis ook water. Zo gebruiken we bijvoorbeeld bij het tandenpoetsen ongeveer 0,5 - 2 liter water. De WC doorspoelen kost ca. 8 liter, koken en afwassen 4 liter per persoon per keer, douchen 20 liter en handen wassen 2 liter. In totaal gebruiken we ongeveer 130 liter water per persoon per dag. Het mag ook niet veel meer zijn. 825 liter in zes dagen is echt het maximum.

Soorten water

Een onderwaterzicht

Er zijn verschillende soorten water:

• Drinkwater: dit drinken we en gebruiken we om bijvoorbeeld onze mond mee om te spoelen na het tandenpoetsen
• Grondwater: dit is water dat in de grond zakt. Grondwater dat wordt opgepompt vanaf een diepte van ongeveer 400 meter, is bijna meteen drinkbaar. Dat komt, doordat het gefilterd wordt door lagen klei en zand.
• Bron/Mineraal water: dit is water dat ook in de grond is gezakt maar het is anders dan normale grond water want in bronwater zit er ook allerlei mineralen in en somige soorten kan je drinken en anderen niet die zijn dan voor je huid.
• Oppervlaktewater: dit is het water van rivieren, meren en kanalen. Oppervlaktewater mag je over het algemeen nooit drinken, omdat er bacteriën en giftige stoffen in kunnen zitten.
• Zeewater: water uit zeeën en oceanen. Dit mag je niet zomaar opdrinken. Hoewel bijna al het water op de wereld zeewater is, wordt het bijna nooit gebruikt om drinkwater van te maken. Dat is te duur.
• Duinwater: dit is water dat in de duinen is gezakt. Het wordt daardoor goed gefilterd, maar het opgeloste zout zit er nog in. Stoffen die in water zijn opgelost, kun je namelijk nooit uit een vloeistof filteren. Alleen destilleren helpt.
• Regenwater: dit is water dat in de vorm van regen naar beneden komt. Dit kon je vroeger goed drinken. Maar nu niet meer, omdat er giftige stoffen in terecht zijn gekomen door landbouw, fabrieken, auto's ... .

Waterverontreiniging

Vervuild water

We leggen waterverontreiniging uit aan de hand van een eenvoudig voorbeeld. Na het eten moet je afwassen. Je doet afwasmiddel in het water en wast af. Als je klaar bent is het water vervuild door vet, etensresten en het afwasmiddel.

Water wordt ook vervuild door fabrieken, door zware metalen, zoals cadmium en lood. Cadmium is slecht voor de nieren en lood kan bloedarmoede veroorzaken. Een fabriek produceert thermische vervuilingen. Dat wil zeggen, dat ze afvalwater produceren dat erg warm is. Bij het lozen van dit water in oppervlaktewater gaat de bestaande fauna en flora kapot.

Ook door de land- en tuinbouw komen er giftige stoffen in het water. Door bestrijdingsmiddelen bijvoorbeeld die worden gebruikt om gewassen tegen onkruid en insecten te beschermen. Ook overbemesting vervuilt water. Overbemesting betekent: teveel mest gebruiken. Daardoor komen er veel schadelijke stoffen in het grondwater.

Zuivering

Waterzuiveringsinstallatie

Het vieze water gaat door het riool naar de rioolwaterzuiveringsinstallatie. In een rioolwaterzuiveringsinstallatie wordt het water gezuiverd. Eerst stroomt het water door een rooster dat de grote stukken afval tegen houdt. Vervolgens stroomt het water héél langzaam door een voorbezinktank. Daardoor zakt veel van het afval naar de bodem. Daarna komt het in een beluchtingstank. Daar wordt rioolwater met bacteriën vermengd. De bacteriën 'eten de afvalstoffen op'. Om goed te kunnen werken, hebben ze ook nog zuurstof nodig. Dat wordt er ook doorheen geblazen. In de nabezinktank zinken de laatste afvaldeeltjes naar de bodem. Vervolgens wordt het gezuiverde water terug naar de rivier gepompt.

Het enige waar je dan nog mee zit, is het afval op de bodem van de bezinktanks, het rioolslib, en alles wat niet door het rooster is gekomen. Dat wordt op slibdroogvelden gedroogd en het meeste wordt vervolgens verbrand in speciale ovens.

Proef: Je eigen rioolwaterzuiveringsinstallatie
Benodigdheden: plastic fles met dop, schaar, watten, fijn zand, grof zand, fijne steentjes, grind, water, aarde Knip de onderkant van een plastic fles af, doe de dop op de fles en hou hem op z'n kop, leg in het bovenstuk een laagje watten, leg daar weer op volgorde op: een laag fijn zand, een laag grof zand, fijne steentjes en grind. Maak nu wat water vies met aarde en zo. Giet het water langzaam in de fles. Haal de dop van de fles af, boven een glas of beker. Het water is nu veel schoner. Maar je kunt het niet drinken
Wat heb ik geleerd:

De waterkringloop

De waterkringloop

De waterkringloop vindt plaats tussen aarde en atmosfeer. Het water uit de atmosfeer komt als regen, sneeuw, mist of hagel naar beneden. Het zakt de bodem in en vormt een rivier die uitmondt in zee. Ook planten, dieren en mensen bestaan voor een groot deel uit water. Doordat het water dan verdampt, komt het weer in de atmosfeer en dan is de waterkringloop rond.

Vast, vloeibaar en gasvormig

Aggegratietoestanden

In de natuurkunde wordt het volgende model van een stof veel toegepast:

• de moleculen van een stof veranderen nooit als een stof van fase verandert. Ze blijven hetzelfde.
• de moleculen bewegen sneller als de temperatuur hoger wordt
• de moleculen van een stof trekken elkaar aan. De aantrekkingskrant wordt sterker als de molecule dicht bij elkaar zitten, als ze bij elkaar vandaan bewegen, wordt deze zwakker

Met het model van de stof kun je de fasen zo voorstellen:

• Vast: de moleculen trillen rond een vaste evenwichtsstand. Want iedere molecuul heeft een vaste plaats. De afstand tussen de moleculen is klein en de aantrekkingskracht groot.
• Vloeibaar: de moleculen bewegen langs elkaar: ze hebben geen vaste plaats meer. De onderlinge aantrekkingskracht is een stuk kleiner, maar toch nog voldoende om de moleculen bij elkaar te houden.
• Gas: de moleculen bewegen los van elkaar. De afstand tussen de moleculen is groot, de aantrekkingskracht is klein.

Faseovergangen

Er zijn zes faseovergangen:

• stollen/bevriezen (vloeistof wordt vaste stof)
• smelten (vaste stof wordt vloeistof)
• condenseren (gas wordt vloeistof)
• verdampen (vloeistof wordt gas)
• sublimeren (vaste stof wordt gas)
• rijpen (gas wordt vaste stof)

Smelten en stollen

Als de temperatuur van een vaste stof stijgt, gaan de moleculer meer trillen. De afstand tussen de moleculen wordt dan groter en de onderlinge aantrekkingskracht wordt kleiner. Bij een bepaalde temperatuur trillen de moleculen zo hevig dat ze niet meer op hun eigen plaats blijven. De stof wordt dan vloeibaar. Het smelt. En als de temperatuur daalt, kunnen de moleculen weer op 1 plaats vasthouden. Het stolt.

Verdampen en condenseren

In een vloeistof worden de moleculen door hun onderlinge aantrekkingskracht bij elkaar gehouden. Er ontsnappen wel moleculen uit de vloeistof. De snelheid van de moleculen is dan zo groot, dat de aantrekkingskracht van de moleculen ze dan niet in de vloeistof kan houden. Het verdampt.

Als de temperatuur van een gas daalt,wordt de snelheid van de moleculen lager.Uiteindelijk kan de onderlinge aantrekkingskracht de moleculen weer bij elkaar houden. Het condenseert. Bijvoorbeeld als waterdamp tegen een koude ruit condenseert.

Proef: Smelten, rijpen en condenseren
Benodigdheden: ijsklontje, waterdamp (bijvoorbeeld kokend water in een waterkoker), adem Als je ijs smelt, krijg je water. Leg een ijsklontje op je hand. Het ijs 'haalt' de warmte uit je hand. Je hand wordt dan koud en het ijsklontje smelt. Op bijvoorbeeld een velletje papier, smelt het ijs veel langzamer. Dit komt doordat het ijs om te smelten warmte nodig heeft; die warmte wordt onttrokken aan zijn omgeving. De lichaamstemperatuur ligt nu eenmaal hoger (en blijft op peil) dan op het stukje papier. De volgende twee stukken van deze proef moet je doen als het winter is. We hebben gezien dat als je water afkoelt, het uiteindelijk bevriest tot ijs. Maar wist je dat het zelfs mogelijk is om waterdamp in één keer te bevriezen? Je ziet dit in de koelkast: de waterdamp uit de producten vormen ijskristallen op de wand. In de winter als het buiten vriest, heeft het raam een lagere temperatuur dan 0 graden. Laat er maar eens wat waterdamp op komen uit de waterkoker! Je zult zien dat het bevriest. Dat heet 'rijp'. Wij ademen ook waterdamp uit. Als je op een koude dag in de auto zit, moet je maar eens tegen een ruit uitademen. Dan wordt de uitgeademde waterdamp weer water!
Wat heb ik geleerd: Water komt in verschillende vormen voor

Drinkwater

De bereiding

Voor de bereiding van drinkwater wordt in Nederland gebruik gemaakt van zoet water. Zoet water komt voor als oppervlaktewater in rivieren en meren en als grondwater.

Sinds 1850 worden deze soorten water gebruikt als drinkwater:

• infiltratiewater
• oppervlaktewater
• duinwater
• grondwater.

Het water wordt schoner als het in de bodem zakt omdat er in de bodem bacteriën leven die de verontreinigingen uit het water halen en als voedsel gebruiken.

Waterwingebieden zijn gebieden waar de drinkwaterbedrijven grondwater omhoogpompen. Als het omhoog is gepompt, wordt het belucht. Beluchten is het intensief in contact brengen van grondwater uit de waterwingebieden met lucht.

• hierdoor ontsnappen alle geuren
• hierdoor vormt opgeloste ijzer, bruine vlokken die met behulp van zandfilters uit het water verwijderd kunnen worden

Duinwater is bijvoorbeeld erg geschikt voor het bereiden van drinkwater. Maar dit water is wel beperkt. Om de voorraad zoet water op peil te houden (in de duinen) wordt gezuiverd rivierwater in de duinen geleid. Dit wordt infiltratiewater genoemd.

Het bereiden van drinkwater uit oppervlaktewater

Eerst gaan ze alles bezinken. Door grote spaarbekkens zakt een deel van zwevende vaste deeltjes naar de bodem. Daarna stroomt het water door steeds fijnere zeven. Zwevend vuil en algen blijven hierin achter. Dan worden er vlokken gevormd. Door hulpstoffen vormen deze vlokken in het water waarop viezigheden zich hechten aan deze vlokken. Daarna bezinken de vlokken mét verontreinigingen. Dan wordt het weer gefiltreerd om de resterende vlokken te verwijderen. Daarna worden de bacteriën gedood. UV-straling doodt de ziektekiemen, ozongas doodt ziektekiemen, maar ook schadelijke stoffen. Vroeger werd er chloor gebruikt om ziektekiemen te doden máár er ontstonden wel schadelijke stoffen door chloor. Daarom doen ze het nu anders. Tot slot wordt het water geabsorbeerd. Dat betekent dat je het in contact brengt met microscopisch kleine korreltjes actieve kool. Deze kunnen opgeloste stoffen aan hun oppervlak vasthouden. De smaak- en geurstoffen absorberen aan het oppervlak van de korreltjes. De actieve kool noem je het absorptiemiddel. Een filter zorgt ervoor dat de actieve kool mét de verontreinigingen zich weer scheidt van het water. En dan is het water schoon.

Zuiver?

Water kan op twee manieren zuiver zijn:

• Voor het dagelijkse gebruik: het is veilig om te drinken.
• Voor scheikundeproeven: de stof bestaat uit één soort molecuul, in dit geval alleen watermoleculen

Regen

Niet al het water is gewoon zuiver. Met zeewater kun je dat wel snappen: dat is erg zout. Maar regenwater is ook geen zuiver water omdat het stoffen met zich meebrengt zoals zuurstofgas of koolstofdioxidegas. Zure regen ontstaat als de lucht verontreinigd is. Dan komen ook de verontreinigingen met de regendruppels mee.

Kalk

In het water dat wij gebruiken om te koken en onze tanden te poetsen zit kalk. Grondwater met veel opgeloste kalk noem je hard water. Grondwater met weinig opgeloste kalk noem je zacht water. Je zou zeggen: kalk is schadelijk. Maar kalk is niet schadelijk, het is juist gezond. Daarom halen de drinkwaterbedrijven niet alle kalk uit het water.

Schadelijke stoffen

In water kunnen weleens schadelijke stoffen zitten. Dit mag natuurlijk niet te veel zijn, anders kun je heel erg ziek worden. Voorbeelden van schadelijke stoffen die in water kunnen zitten:

• Natrium. Hier mag maximaal 120 milligram per liter van in zitten
• Nitraat. Hier mag maximaal 50 milligram per liter van in zitten
• IJzer. Hier mag maximaal 0,2 (!) milligram per liter van in zitten
• Kwik. Hier mag maximaal 0,001 (!!) milligram per liter van in zitten
• Pesticiden. Hier mag maximaal 0,0005 (!!!) milligram per liter van in zitten. 0,0005 milligram!