Nenavadna navadna voda

Daleč najbolj pogosta tekočina na Zemlji je obenem tudi daleč najbolj nenavadna.
Fotografija: Če voda ne bi imela takšnih neobičajnih lastnosti, se življenje na Zemlji verjetno ne bi razvilo. Foto Shutterstock
Odpri galerijo
Če voda ne bi imela takšnih neobičajnih lastnosti, se življenje na Zemlji verjetno ne bi razvilo. Foto Shutterstock

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.



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.

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).


 

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.



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
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.



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

Preberite še:

Komentarji: