Eigenschappen van water

Een belangrijke eigenschap van water (chemisch aangeduid met H₂O) is het feit dat de grootste soortelijke massa (ofwel soortelijke gewicht, s.g.) ligt bij 4^oC. Dus ijs is lichter dan water en blijft daarom drijven. Zuiver water van 4^oC heeft per definitie een s.g. van 1, zodat 1 liter zuiver water precies 1 kilogram weegt. Zodra water kouder wordt dan 4^oC, dan rangschikken de moleculen zich in een rooster, waardoor ze meer ruimte innemen en het s.g. afneemt. IJs van 0^oC heeft een s.g. van 0,917 en zal dus op het water drijven. Ook warmer water is lichter. Het s.g. van water van bijvoorbeeld 20^oC is 0,997. Door deze eigenschap van water is de aarde niet in een ijsklomp verandert. Stel dat ijs zwaarder zou zijn dan water. In dat geval zou het naar de bodem zinken, zodat de warmte van de zon er moeilijk of zelfs helemaal niet meer bij kan komen. Hierdoor zou er zich op de bodem van de oceanen een permanente laag ijs bevinden, die de temperatuur van de aarde beduidend lager zou maken dan dat deze nu is.

Het s.g. van water wordt ook bepaald door de stoffen die er in zijn opgelost. Opgelost keukenzout (natriumchloride, chemisch aangeduid als NaCl) is in de natuur een belangrijke factor en de belangrijkste stof in zeewater. Water wordt zwaarder als het meer zout bevat. Zeewater met een concentratie zout van ongeveer 35 promille heeft een s.g. van 1,028. Daarmee is zout zeewater zwaarder dan zoet rivierwater. Als een rivier in zee stroomt, dan zal het zoete rivierwater nog geruime tijd bovenop het zoutere zeewater blijven drijven. Omgekeerd bestaat er een zoute onderlaag in een rivier die in zee uitstroomt. Deze zogenaamde zouttong kan zich een heel eind landinwaarts uitstrekken.

Temperatuur

De temperatuur van het Nederlandse oppervlaktewater verandert voortdurend onder invloed van de seizoenen. Kort gezegd is het 's winters koud en zomers warm. De temperatuur in ondiepe wateren is over de hele diepte van de waterkolom ongeveer gelijk. Warmte van de zon zorgt overdag voor opwarming en 's nachts zorgt uitstraling voor afkoeling van de bovenste waterlaag. Door menging krijgt de hele waterkolom dezelfde temperatuur. De menging gebeurt ten dele door convectiestroming, die het gevolg is van de verschillen in s.g. van watermassa's met een verschillenden temperatuur. Het koelere water 's nachts zakt naar de bodem en het bodemwater komt dan naar boven.

Een belangrijke oorzaak van menging is de wind. Deze zorgt voor een sterke turbulentie, waardoor tot op grote diepte de waterlagen door elkaar worden gegooid.

In de loop van het voorjaar en het begin van de zomer neemt de wind gemiddeld af en zal er minder menging optreden. In een dieper meer kan hierdoor de bovenste waterlaag zodanig opwarmen, dat er een verschil in temperatuur tussen oppervlak en bodem ontstaat. Hierdoor kan er 's nachts geen menging meer optreden. Er ontstaat hierdoor een temperatuursgradiënt, waarbij de bovenste waterlaag warm is en de onderste waterlaag koud. Hier tussenin bevindt zich een relatief dunne laag, waarin de temperatuur snel verandert. Deze tussenlaag wordt de spronglaag of thermocline genoemd. Als de temperatuur in de bovenlaag verder stijgt, dan wordt het verschil tussen het oppervlaktewater en het bodemwater steeds groter. De temperatuursgradiënt wordt sterker en komt dieper te liggen. In de bovenlaag (wordt ook wel het epilimnion genoemd) is het temperatuursverloop gering. De wind kan hier voor voldoende menging zorgen en de bovenlaag redelijk homogeen houden. De spronglaag schermt de bodem, het hypolimnion, af van het bovenliggende epilimnion. Aangezien deze situatie zich in ons land alleen 's zomers voordoet, wordt de situatie de zomerstagnatie genoemd. Als in de herfst de temteratuur afneemt en de wind sterker wordt, dan ontstaat er op een gegeven moment een situatie dat de spronglaag niet sterk genoeg meer is om de stratificatie in stand te houden. De gehele watermassa wordt dan opnieuw gemengd en het de temperatuur over de hele waterkolom wordt weer gelijk.

In erg diepe meren en in de oceanen zijn spronglagen aanwezig die in het geheel niet meer verdwijnen en daarmee permanent het epilimnion van het hypolimnion scheiden.

Zuurstof

Zuurstof (chemisch aangeduid met de letter O) is een gas dat planten en dieren nodig hebben om te kunnen leven. Het wordt door planten als bijproduct van de fotosynthese gemaakt en uitgescheiden. Fotosynthese is het proces waarbij planten uit koolzuurgas en water voedingsstoffen maken in de vorm van suikers. Deze voedingsstoffen worden door dieren (en in mindere mate ook door planten) weer gebruikt om energie te produceren, waarna als afvalstoffen weer koolzuurgas en water vrijkomen.

De concentratie zuurstof in water is veel lager dan in de lucht. Lucht bevat ongeveer 21 volumeprocent zuurstof. Dat komt neer op grofweg 300 gram zuurstof per kilogram lucht. In met zuurstof verzadigd water van 15°C zit 10,15 mg zuurstof ofwel 0,01015 g per kg. Waterorganismen en landorganismen hebben dan ook verschillende methodes ontwikkeld om de zuurstof uit hun omgeving te kunnen opnemen.

De concentratie van zuurstof in water is afhankelijk van de temperatuur en de druk. Bij een hogere druk kan er meer zuurstof worden opgelost en omgekeerd kan bij een hogere temperatuur juist minder zuurstof worden opgelost. Het grafiekje geeft de concentratie zuurstof voor 100% verzadiging bij verschillende temperaturen en bij 1 atmosfeer luchtdruk.

Het transport van zuurstof vanuit de lucht naar het water en vervolgens naar de verschillende diepere waterlagen vindt hoofdzakelijk plaats door convectiestroming en turbulentie veroorzaakt door de wind. Hierdoor zal in het algemeen overal in de waterkolom evenveel zuurstof aanwezig zijn.

Als er echter een spronglaag is ontstaan, dan vindt er geen of nog maar heel weinig uitwisseling plaats tussen het epilimnion en het hypolimnion. Hierdoor kan er vrijwel geen zuurstof van het oppervlak meer doordringen in de diepere waterlagen. In de buurt van de bodem kan er dan een zuurstoftekort optreden. Om geen sterfte onder vissen en andere waterdieren te laten optreden, geldt als vuistregel dat er een minimum van 5 mg/l O₂ aanwezig moet zijn. Vooral als een spronglaag lang aanwezig blijft en er veel zuurstofverbruik bij de bodem plaatsvindt, dan kan er een tekort gaan optreden. (Dit is één van de redenen dat er nogal eens stemmen opgaan om diepe meren maar vol te gooien. De problemen die er ontstaan door het optreden van een spronglaag zijn in het algemeen minimaal en dit plan is ook om andere redenen slecht.)

Bij voedselrijk water kunnen er algen gaan groeien. Door fotosynthese van de algen in de bovenste waterlaag in de buurt van het zonlicht kan dan een verhoging van de zuurstofconcentratie optreden tot boven de 100% van de verzadigingswaarde. De algen zakken in de loop van de tijd naar beneden en blijven vervolgens op de spronglaag hangen. Hierdoor ontstaat er een ophoping van algen bij de spronglaag en daarmee een extra verhoging in de zuurstofconcentratie. Er ontstaateen soor van 'neus' in de grafiek met de concentratie.

Vooral door het effect van fotosynthese, turbulentie en stagnatie ontstaat er een zeer dynamisch en gevarieerd patroon van concentraties aan zuurstof in het water. Een enkele meting aan zuurstof zegt dan ook weinig. Vooral tijdreeksen en metingen in verschillende dieptelagen geven een beeld van wat er aan de hand is in het water.

Koolzuur

Koolzuur (chemische aanduiding voor de gasvorm is CO₂) is voor planten essentieel om de fotosynthese te kunnen uitvoeren. Door middel van de fotosynthese maken zij voedingsstoffen en gebruiken daarvoor koolzuur en water. Het gedrag van koolzuur in water is veel ingewikkelder dan dat van zuurstof. Koolzuur gaat namelijk als het in water wordt opgelost een reactie aan met allerlei andere stoffen. Om te beginnen vormt het samen met water een zuur, waarbij de reactie zowel heen als terug kan lopen:

Het zuur splitst zich vervolgens weer in een waterstofion en een bicarbonaation volgens:

Het bicarbonaation splitst zich verder in opnieuw een waterstofion en een carbonaation volgens:

Het voorkomen van de verschillende vormen is afhankelijk van de pH van het water. Bij een pH van 4 en lager is alle koolzuur aanwezig in de vorm van CO₂. Bij een pH>12 is er alleen nog carbonaat CO₃^2- aanwezig. Zodra er kalk in de buurt is, CaCO₃, dan kan er veel meer koolzuur in het water voorkomen. Kalk is zeer slecht in water oplosbaar. Zodra er koolzuur bij komt, dan gaat de kalk over in calciumbicarbonaat, wat veel beter oplosbaar is, volgens:

Zolang er kalk aanwezig is, kan het bicarbonaat worden aangevuld. Hierdoor kan er veel meer koolzuur in het water voorkomen, dan zou kunnen als het alleen in opgeloste vorm voor zou komen. Als water met veel calciumbicarbonaat wordt gekookt, dan wordt een deel van het koolzuur weer verdreven en slaat er kalk neer. Er bestaat dus een een evenwicht tussen kalk, bicarbonaat en koolzuur dat o.a. afhankelijk is van de pH.

Als er onder invloed van planten CO₂ wordt onttrokken, dan verandert het evenwicht en daarmee de pH. Door verschuiving van het evenwicht probeert het systeem in eerste instantie de verandering op te vangen, er bestaat dus een pH-buffer. Als de onttrekking erg groot wordt, zoals bij een algenbloei, dan kan de pH oplopen tot waarden van 9 en zelfs 10. Indien er geen kalk in het water zit en er dus geen pH-buffering plaatsvindt, dan kan de pH zakken tot onder de 5. Vooral als er organische zuren aanwezig zijn, dan kan de pH van het water in de buurt komen van de 4.

Met dit onderwerp hangt het begrip 'hardheid' van het water samen. De hardheid van water geeft de totale hoeveelheid calcium en magnesium in het water aan. Magnesium komt in veel mindere mate in water voor, maar reageert vrijwel op dezelfde manier als het calcium. Je kunt onderscheid maken tussen de tijdelijke en de permanente hardheid. Tijdelijke hardheid wordt veroorzaakt door carbonaten en bicarbonaten. Deze twee stoffen verdwijnen door koken, omdat dan een deel van het CO₂ uit het water verdwijnt en er kalk neerslaat. De permanente hardheid wordt veroorzaakt door calcium- en magnesiumzouten anders dan (bi)carbonaten, dus bijvoorbeeld chloriden of sulfaten. Deze stoffen verdwijnen niet door het water te koken. De combinatie van de tijdelijke en de permanente hardheid geeft de totale hardheid. Deze wordt uitgedrukt in Duitse hardheidsgraden. Per definitie is 1 graad Duitse hardheid gelijk aan 10 mg calciumoxide (CaO) per liter water. Water met minder dan 8 graden Duitse hardheid wordt zacht water genoemd. Meer dan 18 graden Duitse hardheid is hard water.

IJzer

IJzer (chemische aanduiding: Fe) is een metaal en het komt in verschillende vormen voor: de gereduceerde tweewaardige (ferro) vorm en de geoxideerde driewaardige (ferri) vorm. In het zuurstofrijke epilimnion komt vrijwel alleen de ferri-vorm voor, die daar dan aanwezig is als ferrihydroxyde Fe(OH)₃. Deze verbinding heeft sterk de neiging door middel van polymerisatie in een colloïdale suspensie te komen (het vormt heel kleine deeltjes die in het water blijven zweven, zoiets als melk). Daarnaast bindt het zich aan organische deeltjes en vormt zo organische ijzercomplexen. Als de zuurstofconcentratie te laag wordt, beneden de 1,5 mg/l, dan wordt het ijzer gereduceerd en gaat over in de ferro-vorm. Dit zal 's zomers vooral gebeuren in of vlak bij de bodem. Ferro-verbindingen lossen veel beter op dan de ferri-verbindingen. Hierdoor zal er bij erg lage zuurstofconcentraties ijzer uit de bodem oplossen. Dit zal voor een deel gebeuren als ferrofosfaat Fe₃(PO₄)₂. Op deze manier wordt er fosfaat uit de bodem vrijgemaakt en in het water gebracht.

Fosfaat

Fosfaten zijn verbindinge van het element fosfor (chemischeaanduiding: P). Zij zijn belangrijk voor de groei van planten en werken in de praktijk als meststof. In een zuurstofrijke omgeving zal het meeste fosfaat worden gebonden in de vorm van het driewaardige ferrofosfaat. Aangezien deze stof zeer slecht oplosbaar is, slaat het neer op de bodem en verdwijnt op deze manier uit de waterkolom. Het blijft natuurlijk wel aanwezig als een bron van fosfaten voor de toekomst. Als in de zomer de zuurstofconcentratie bij en in de bodem erg laag wordt door het optreden van een spronglaag, dan kan een deel van het fosfaat in het hypolimnion weer vrijkomen in de vorm van het tweewaardige ferrifosfaat FePO₄. Zodra in de herfst de spronglaag verdwijnt en het met fosfaat verrijkte bodemwater plotseling naar het zuurstofrijke wateroppervlak komt, dan ontstaat er ineens een rijke voedingsbodem voor algen. Je ziet dan ook vaak in het najaar nog een kleine algenbloei optreden, die wordt veroorzaakt door deze plotseling optredende natuurlijke voedingsbron.

Fosfaat kan verder worden gebonden aan organische deeltjes in de vorm van polyfosfaten. Organische deeltjes kunnen overigens ook organismen zijn, zoals algen en watervlooien. Deze organismen scheiden afvalstoffen uit, die rijk zijn aan fosfaten. Die afvalstoffen worden door bacteriën afgebroken, waarbij opnieuw fosfaat vrijkomt. Dit kan dan vervolgens weer door algen worden opgenomen. Op deze manier ontstaat een kringloop, waarbij een groot gedeelte van het fosfaat in de organismen zit. De totale hoeveelheid fosfaat in het water kan erg groot zijn, terwijl er aan vrij fosfaat in het water zelf weinig aanwezig is.

Stikstof

Stikstof (chemische aanduiding: N) is, naast fosfaat, de belangrijkste voedingstof voor planten. Aangezien stikstofzouten goed oplosbaar zijn, ontstaat een heel ander beeld dan bij de fosfaten. Stikstof vormt als gas bijna 80% van de atmosfeer. Door b.v. bliksem en menselijke activiteiten ontstaan er stikstofoxiden, die in water kunnen oplossen en daar nitriet (NO₂^-) en nitraat (NO₃^-) vormen. Verder komt er door afbraak van organisch materiaal en reductie in de bodem ammoniak vrij (NH₃). Vooral nitraat is een voedingsstof voor planten. Het kan door bacteriën via denitrificatie weer worden omgezet in gasvormig stikstof.
Voor veel van de omzettingsprocessen van stikstof zijn bacteriën verantwoordelijk. Deze kunnen stikstof uit de lucht vastleggen, ammoniak oxideren naar nitriet en weer verder oxideren naar nitraat. Juist door deze natuurlijke bronnen is bemesting met stikstof in het water lastig tegen te gaan.

Andere stoffen

Water bevat naast de hiervoor genoemde stoffen nog vele, vele andere stoffen. Deze komen in het algemeen maar in zeer kleine hoeveelheden voor. Door biologische activiteit zijn dat in het algemeen organische verbindingen. Daarnaast zijn er ook giftige stoffen aanwezig, zowel organische als niet-organische. In brak-en zeewater spelen bepaalde zouten een belangrijke rol. De concentratie zouten in zeewater ligt rond de 35.000 mg/l, ofwel 35 gram zout per liter, dus 35 promille. Dit is hoofdzakelijk keukenzout, natriumchloride NaCl. Andere belangrijke stoffen zijn calcium, magnesium en kalium voor de kathionen en sulfaat en carbonaat voor de anionen. Het totale gewicht van de in het water aanwezige stoffen wordt gemeten door het water te laten verdampen, waarna de overgebleven rest wordt gewogen. Deze droogrest vindt u bijvoorbeeld als waarde terug op het etiket van flessen mineraalwater. Als de droogrest bij hoge temperatuur wordt ver-ast, dan ontstaat de gloeirest. Hieruit zijn de organische stoffen en het carbonaat verdwenen. De gloeirest is een maat voor de hoeveelheid aanwezige zouten.