Nenavadna navadna voda

Daleč najbolj pogosta tekočina na Zemlji je obenem tudi daleč najbolj nenavadna.

Galerija

Če voda ne bi imela takšnih neobičajnih lastnosti, se življenje na Zemlji verjetno ne bi razvilo. Foto Shutterstock

Matej Huš

14. 5. 2020 | 06:00

14:36

A+A-

Otroci v mrzlih zimskih večerih radi postavljajo z vodo napolnjene plastenke na balkon, da jih drugo jutro pričakajo počene ali vsaj nabuhle, ker se je voda pri zmrzovanju raztegnila. To je nenavadno! Pri pouku naravoslovja vseskozi nadgrajujemo to znanje z rdečo nitjo, da ima voda nenavadne lastnosti. Medtem ko dobro vemo, katere to so, so znanstveniki manj gotovi v pojasnilih, od kod izvirajo. Še vedno pa odkrivajo nove oblike vode, denimo nedavno odkriti superionski led, ki je verjetno glavna sestavina Urana in Neptuna.

Zaradi neobičajnih lastnosti vodo pogosto imenujemo anomalna tekočina, k čemur kot najočitnejša primera navržemo raztezek ob zmrzovanju in sposobnost skladiščenja velike količine energije. Voda ni edina, a je gotovo najbolj anomalna tekočina; nad 30 °C se sicer vede običajno, pod to mejo pa zelo nenavadno.

Ko voda zmrzne, se raztegne, zaradi nižje gostote pa led plava na površini.
Voda ima nepričakovano visoko toplotno kapaciteto.
Je tudi bolj stisljiva od večine tekočin.

Pri vsaki opredelitvi neobičajnega se spodobi vprašati, v primerjavi s čim. Voda je v živim bitjem dostopnem delu Zemlje daleč najpogostejša tekočina, zato bi se lahko zdela oznaka anomalnosti neupravičena. Vseeno si jo dopustimo, ker ima nepregledna množica drugih tekočin, ki jih je resda količinsko manj, bistveno drugačne lastnosti od vode. Na drugi strani je »najobičajnejša tekočina« kakšen nepolaren ogljikovodik, denimo tetraklorometan, pa tudi bencin ni daleč.

Hvala, ker si

Na Marsovih polih so velikanska jezera do dna zmrznjenega ogljikovega dioksida. Medtem pod zamrznjeno površino Bohinjskega jezera veselo plavajo postrvi, kleni in menki. Ko voda zmrzne, se raztegne, zato zaradi nižje gostote led plava na površini. Voda se raztegne tudi, ko jo segrevamo nad 4 °C; pri tej temperaturi je najgostejša. Hkrati je led zelo dober toplotni izolator, kar upočasni ali skoraj ustavi nadaljnje zamrzovanje. Na Antarktiki je štiri kilometre pod ledenim pokrovom jezero Vostok, v katerem je tekoča voda že vsaj 15 milijonov let. Pod zmrznjenim CO₂ na Marsu pa je zgolj še več suhega ledu. Ker se trden CO₂ usede na dno, ne tvori toplotnega ščita in hitro ves zamrzne od spodaj navzgor.

Voda ima tudi nenavadno visoko toplotno kapaciteto. Da segrejemo liter vode za eno stopinjo, potrebujemo desetkrat več energije kot za enako maso železa in 3500-krat več kot za enako prostornino zraka. V obratni smeri (topla voda ima uskladiščene ogromno energije) pa blaži temperaturna nihanja v okolici. Oceansko podnebje je zato milejše od celinskega.

40

metrov
nižja bi bila
gladina
oceanov,
če voda ne bi
bila stisljiva

To sta glavni, a še zdaleč ne edini anomalni lastnosti vode, brez katerih se življenje, kakršno poznamo, verjetno ne bi moglo razviti. Voda je za večino bioloških snovi zaradi svoje polarnosti, visoke dielektrične konstante in majhnosti molekul odlično topilo. Zaradi večje stisljivosti od večine tekočin pa je morska gladina 40 metrov nižja, kot če voda ne bi bila stisljiva, kar poveča količino kopnega za pet odstotkov. Voda ima neobičajno širok temperaturni in tlačni razpon, kjer je tekoča. Je tudi edina snov, ki je v človeku dostopnem delu Zemlje redno in naravno prisotna v treh agregatnih stanjih (hlapi, tekočina, led).

Nerešena uganka: dve obliki tekoče vode

Pri počasnem ohlajanju lahko voda ostane tekoča tudi pod zmrziščem, dokler je ne zmotimo. Podhlajeno vodo lahko pripravimo doma, če v zmrzovalnik postavimo zelo čisto vodo v čisti posodi in je ne premikamo. V idealnih pogojih jo je možno podhladiti do –48 °C (temperatura homogene nukleacije).
Ena izmed nerešenih ugank je razlaga mehanizma, zakaj ima voda anomalne lastnosti. Vemo, da razlogi segajo v obnašanje vode v podhlajenem območju, saj z ohlajanjem pod –20 °C stisljivost močno naraste, kar kaže na bližajoč fazni prehod, ki pa ga niso neposredno videli. Trenutno se zdi najverjetnejša teorija Petra Poola in Harryja Eugena Stanleyja iz leta 1992, da bi globoko pod temperaturo homogene nukleacije, približno pri –73 °C in 1000 atmosferah, obstajali dve različni obliki tekoče vode (z visoko in z nizko gostoto). Številni teoretični modeli to napovedujejo, a neizpodbitnih eksperimentalnih dokazov še ni, ker je eksperimentalno delo s tekočo vodo pri tako nizkih temperaturah zaradi hitrega zmrzovanja težavno. Toda če obstaja več oblik amorfnega ledu, ki ni nič drugega kot steklasta voda, bi to lahko šlo tudi pri tekoči vodi.
Iskanje dveh oblik podhlajene vode je zanetilo znameniti spor med skupinama s Princetona, ki jo vodi Pablo Debenedetti, in Berkeleyja, ki jo je vodil David Chandler. Debenedetti je v nasprotju s Chandlerjem zagovarjal dve tekoči fazi. V letih 2011 do 2017 sta skupini z istim modelom dobili različne rezultate, zato so bile konference o vodi burne. Na koncu je Debenedetti po večletnem trudu dobil Chandlerjevo kodo in našel nekaj hroščev. Po odpravi je tudi ta koda pokazala na dve tekoči obliki vode, a prepozno, da bi Chandler to dočakal. Po potrditvi drugih skupin je jasno, da so imeli prav Poole, Stanley in Debenedetti – v opisanem modelu vode. Ali ima tudi resnična voda dve tekoči fazi, še ne vemo zatrdno.

Od kod anomalnost?

Za stare Grke je bila voda eden izmed štirih osnovnih elementov. Šele britanski kemik Henry Cavendish je leta 1766 z odkritjem vodika pokazal, da voda ni element, petnajst let pozneje pa dognal, da je sestavljena iz enega atoma kisika in dveh atomov vodika (H₂O). Tako preprosta struktura ni kazala potenciala za kakšno posebno kompleksnost, zato so se šele v 20. stoletju začeli resneje zanimati za anomalne lastnosti vode.

Danes vemo, da so osnovni razlog za večino lastnosti vode vodikove vezi. Gre za neobičajno močan privlak med molekulami, ki se pojavi, ker je vodik vezan na kisik, ki močno privlači elektrone. Vodik nastali primanjkljaj nadoknadi z močno vezavo na kisikov atom sosednje molekule. Vodikova vez je poznana že dolgo. Prvo mednarodno konferenco o vodikovi vezi je leta 1957 prav v Ljubljani organiziral lani preminuli slovenski kemik Dušan Hadži s Kemijskega inštituta, ki se je s to vezjo ukvarjal vse življenje. Vodikovih vezi ne najdemo samo v vodi, temveč tudi v različnih tekočinah, kristalih in celo v nekaterih plinih. Močna vodikova vez je razlog, da ima voda višje vrelišče in tališče od podobnih spojin. Po analogiji s sorodniki vodikovim sulfidom (H₂S), vodikovim selenidom (H₂Se) in vodikovim teluridom (H₂Te) bi se morala voda taliti pri –100 °C in vreti pri –80 °C.

Prvo mednarodno konferenco o vodikovi vezi je leta 1957 v Ljubljani organiziral lani preminuli slovenski kemik Dušan Hadži s Kemijskega inštituta.

Poleg vodikovih vezi je razlog za nenavadne lastnosti tudi zgradba molekule vode, zaradi česar lahko tvori natanko štiri vodikove vezi s sosedi. V kristaliničnem ledu je takšna struktura pravilo, v tekoči vodi pa se vodikove vezi hitro vzpostavljajo in prekinjajo.

Led ni en

V trdnem stanju voda ne obstaja v eni, temveč vsaj v enaindvajsetih oblikah – osemnajstih kristaliničnih in treh amorfnih. Na Zemlji obstaja skoraj izključno heksagonalni led (Ih), le v zgornjih plasteh atmosfere se občasno pojavlja kubični led (Ic), drugih oblik (II-XVII) ni. Pri ekstremno nizkih temperaturah ali visokih tlakih pa obstajajo druge oblike ledu, ki imajo zelo različno gostoto. Kadar tekočo vodo ohladimo močno pod ledišče v drobcu sekunde, lahko nastane amorfni led (LDA, HDA, VHDA). V njem med molekulami vode ni reda, temveč so naključno razporejene v steklasto strukturo.

Znanstveniki so superionski led ustvarili tako, da so led s pulzom laserske svetlobe segreli na več tisoč stopinj in stisnili s tlakom več milijonov atmosfer. Superionski led je črn, štirikrat gostejši od vode in vroč. Je tudi dober prevodnik, kjer so nos

Raziskovalci iz kalifornijskega laboratorija Lawrence Livermore so lani eksperimentalno prvi pripravili čisto novo obliko – superionski led. Teoretično ga je Pierfranco Demonti napovedal že leta 1988, in to s tako primitivno simulacijo, da mu marsikdo sploh ni verjel. Kasneje so to potrdile še druge simulacije, a eksperimenti so morali počakati na razvoj tehnike. Superionski led je sedaj tu: črn, štirikrat gostejši od vode in vroč. Že leta 2018 so v diamantnem nakovalu pod tlakom 25.000 atmosfer pripravili led VII, ki so ga potem s pulzom laserske svetlobe segreli na več tisoč stopinj in stisnili s tlakom več milijonov atmosfer. Za hip so dobili povsem novo vrsto ledu, ki se raztali šele pri 4700 °C. Lani pa sta Marius Millot in Federica Coppari poskus ponovila in nastalemu ledu določila strukturo z rentgensko difrakcijo. Potrdila sta superionski led (led XVIII).

Medtem ko je preostalih enaindvajset vrst ledu sestavljenih iz tako ali drugače razporejenih molekul vode, v superionskem ledu molekule razpadejo. Kisikovi atomi se razporedijo v kubično mrežo, vodikovi atomi pa oddajo elektron in kot prosti protoni skačejo po vsem kristalu. Podobno se obnašajo elektroni v kovinah in ni presenetljivo, da je superionski led tudi dober prevodnik, kjer so nosilci naboja protoni. Nekateri znanstveniki ga zaradi izgube molekulske strukture ne štejejo kot novo obliko vode, temveč kot novo obliko materije!

Raziskovalci so navdušeni, da nova oblika ledu v ekstremnih razmerah ni zabloda fizikalnih simulacij, temveč resnična oblika. Gre za utelešenje svetega grala, ko teorija napove nove lastnosti snovi, eksperimenti pa jih potem najdejo in potrdijo. Fazni diagram vode je tako dobil še 19. kristalinično obliko in se še utrdil na prvem mestu najbolj kompleksnih. Pa tako preprosta, pogosta in majhna molekula je ta voda.

Superionski led so našli tudi v naravi. Zelo verjetno je, da sta jedri Saturna in Urana sestavljeni pretežno iz njega, kažejo meritve magnetnih polj, ki sta jih opravila Voyagerja, in simulacije. Predvidevajo, da je tako še v številnih drugih ledenih velikanih v Rimski cesti. V teh planetih najdemo še kaj drugega kot vodo in prav možno je, da tudi amonijak in druge spojine takisto obstajajo v superionski trdni obliki. To pa je že zagonetka za naslednjo generacijo znanstvenikov.

Revolucionarna polivoda ali po domače znoj

Dandanes je malokdo slišal za polivodo. Razlog je dejstvo, da ne obstaja, a pred 60 leti se je zdelo drugače. Amerika, Sovjetska zveza in Anglija so besno tekmovale, kdo jo bo pridelal, kdo bo odkril lažji način za njeno pridobivanje in kje bi jo uporabili. Neredka so bila celo svarila, da gre za snov, ki bi lahko pokončala življenje na Zemlji, ker bi navadna voda ob stiku z njo postala polivoda.
In od kod sploh zamisel o polivodi? Leta 1961 je ruski kemik Nikolaj Fedjakin opazil nekaj nenavadnega: če je v zaprti posodi s črpalkami ustvaril podtlak, da je voda izhlapela, nato pa jo kondenziral v zelo tanke kapilare, je dobil nenavadno oljnato snov. Meritve so pokazale, da je desetkrat viskoznejša in za 40 odstotkov gostejša od vode. Ob zmrzovanju je postala gostejša in ne redkejša kot voda. Zavrela je šele nad 200 °C. Ker je pri poskusu uporabljal le vodo in čisto steklovino, je sklepal, da je odkril novo obliko vode. Njen infrardeči spekter se ni ujemal z nobeno spojino iz knjižnice. Zahodu je odkritje prvi leta 1966 v Angliji predstavil velikan sovjetske znanosti Boris Derjagin. Leto pozneje je britanski kemik L. J. Bellamy uspešno ponovil eksperiment. Nenadoma so vsi želeli raziskovati novost, ki jo je ameriški kemik Ellis Lippincott poimenoval polimerna voda ali polivoda. Poljudne revije so objavljale recepte za pripravo, ameriška vojska je organizirala simpozij o njeni uporabnosti.
Toda polivoda je bila tako nenavadna, da so se številni znanstveniki potihoma bali, da so zgrešili nekaj očitnega. Ameriški kemik Denis Rousseau je bil o tem prepričan in res je odkril, da ima polivoda primesi natrija, kalcija, kalija in klorida. Derjagin je v prvem ruskem članku deset let pred tem to omenil, a je malokdo prebral originalni članek. Rousseau pa je leta 1971 objavil infrardeče spektre »polivode«, znoja in natrijevega laktata (glavna sestavina znoja) – bili so praktično enaki. Še istega leta so tudi Lippincott in drugi ponovili meritve in ugotovili, da je bila »polivoda« v resnici zgolj navadna voda z veliko človeškega znoja.
»Polivoda« je najbolj znan primer patološke znanosti. Raziskovalce je zavedel lasten um. Z majhnimi vzorci so raziskovali pojav, ki bi lahko zamajal fizikalne teorije, na novo spisal učbenike, njih pa izstrelil med znanstvene zvezde. Nihče ni goljufal; vse meritve so bile korektne, rezultati realni, a vzorci kontaminirani. Bleščava slave jih je zaslepila, da razen polivode niso pomislili na druge razlage svojih opažanj.

---------------------
Dr. Matej Huš je znanstveni sodelavec na Kemijskem inštitutu, kjer raziskuje kemijske procese na ravni kvantne mehanike.