The New Mystery Of Water

{h1}

Forskere forstår pludselig ikke strukturen af ​​dette mest basale stof.

Med forskere afkodning af DNA og ødelægge åbne atomer kan man antage, at videnskaben om dagligvand, livets mest basale stof, forstås godt. Men nyere eksperimenter, der undersøger, hvordan vandmolekyler knytter sammen, har fundet ud af modstridende resultater.

Videnskabsmænd indrømmer nu, at de ikke forstår det indviklede af, hvordan vand fungerer.

"Vandets struktur - grunden til dens ejendommelige egenskaber - er et stort spørgsmål inden for kemi og fysik," siger Richard Saykally fra University of California, Berkeley.

Konfliktende studier

Vand blev presset ind i det videnskabelige rampelys i april, da et forskergruppe under ledelse af Anders Nilsson fra Stanford Linear Accelerator Center fremlagde bevis for, at vand er mere løst bundet end tidligere antaget.

Svaret har ikke været alt det indbydende. "Mange mennesker har en meget stærk holdning til vand," sagde Nilsson i et telefoninterview.

På en nylig konference om vand blev nogle af deltagerne holdt op hele natten og debatterede disse resultater. Saykally var en af ​​dem. Han kalder resultaterne fra Nilssons gruppe en drastisk revision af, hvordan vand forstås.

"Hvis de har det rigtige, vil de vinde en nobelpris," siger Saykally WordsSideKick.com.

Men han tror ikke, de har ret. I den 29. oktober udgave af tidsskriftet VidenskabSaykally og hans samarbejdspartnere offentliggjorde resultater, der modsiger revisionisternes resultater.

Manglende forståelse

Vand udgør 70 procent af jordens overflade og er hovedkomponenten - ca. 80 procent - af alle levende ting. Men det er langt fra almindeligt.

Mærkelige ting

Vandets unikke egenskaber:

Den faste form flyder på den flydende form. Denne egenskab forklarer også, hvorfor vandrør vil briste, når de fryser - noget modsat af næsten alle andre simple stoffer. Kviksølvtermometre eksploderer f.eks. Ikke, når temperaturen falder under frysepunktet for kviksølv.

De temperaturer, hvor vand koger og fryser, er begge højere end andre molekyler af tilsvarende størrelse.

Vand har en stor varmekapacitet; det kan tage meget varme uden at temperaturen øges meget. Dette gør det til et særligt godt kølemiddel til en radiator, og det er hovedårsagen til, at temperaturerne er moderate for kystsamfundene - da havet er langsomt afkølet eller opvarmet.

Vandets høje overfladespænding - dens tendens til at bekæmpe at blive trukket fra hinanden - forklarer hvorfor det danner dråber, og hvorfor det klatrer op langs et halm. Det kan også spille en rolle i, hvordan vandstrider går på vand.

WordsSideKick.com

Den faste form af vandis - flyder i stedet for at synke, som med de fleste stoffer. Vand butikker varme meget godt. Og dens høje overfladespænding viser, hvordan dens molekyler hader at komme fra hinanden. Forståelse af vandets egenskaber kræver detaljeret undersøgelse af dets molekylære interaktioner.

"Vi tror, ​​vi forstår alt, hvad der handler om et enkelt vandmolekyle," sagde Saykally. "Hvad vi ikke forstår så godt, er, hvordan de interagerer med hinanden."

Et enkelt molekyle vand ser ud som et bogstav V, med et iltatom i bunden og to hydrogenatomer øverst. Disse atomer deler nogle af deres negativt ladede elektroner, der danner en stærk forbindelse kaldet en kovalent binding.

Oxygenatomet griber mere af de delte elektroner, hvilket gør det lidt negativt, hvilket betyder, at hydrogenendene er lidt positive. Dette lille skift i opladning er, hvad der tiltrækker vandmolekyler til hinanden.

Saykally beskriver hvert vandmolekyle som at have hænder og fødder. Hænderne er de positivt ladede hydrogenatomer, mens fødderne dobler væk fra den negative side af iltet.

"Hænder kan ikke få fat i hænder og fødder kan ikke få fat i fødder," siger Saykally, men hænder kan låse på fødderne, i det der hedder en hydrogenbinding.

Hydrogenbindinger er 10 gange svagere end kovalente bindinger, men de er nøglen til vandets mysterier.

Bryde obligationerne

I is graver hvert molekyle fødderne og hænderne på sine fire nærmeste naboer. Placeringen af ​​disse naboer danner en tetrahedron, eller tresidet pyramide.

Når isen smelter, er det store spørgsmål, hvad der sker med denne form. Det traditionelle billede, som Saykally forsvarer, er, at vandet fortsat ser ud som is med fire hydrogenbindinger omkring hvert molekyle. Forskellen i den flydende form er, at ca. 10 procent af hydrogenbindingerne på et givet tidspunkt er brudt.

Nilssons gruppe hævder derimod, at vandet påtager sig en ny struktur, hvor et molekyle i det væsentlige kun går på to af sine naboer - med kun en hånd og en fod. Ved stuetemperatur er 80 procent vandmolekyler i denne tilstand, mens resten har de traditionelle fire hydrogenbindinger.

Implikationen af ​​denne nye tobondsmodel er, at flydende vand vil blive sammensat mest af kæder og måske lukkede ringe, i modsætning til det tættere netværk af tetraeder.

Bag kontroversen

De to grupper baserer deres separate billeder på forskellige fortolkninger af røntgendata. Når en røntgen rammer en vandmolekyle, banker den en tæt bundet elektron ud til molekylets kant. Det ligner at sparke planeten Mercury ud til kredsløbet af Pluto.

Fysikerne målte denne knockout-energi, som afhænger af vandmolekylets miljø. På en måde fungerer elektronens Pluto-kredsløb som et mikroskop, som forskere bruger til at se, hvilken type obligationer et molekyle har lavet med sine naboer.

Tolkning af disse mikroskopdata er dog ikke let. Nilssons gruppe brugte computersimuleringer, som de kontrollerede ved at teste på enklere stoffer, som is. Da de så på deres vandmålinger, fandt de, at computeren gav den bedste pasform med den løsere to-bindingsstruktur.

Men Saykally tror ikke, at simuleringerne kan overføres til flydende vand.

Saykallys gruppe undgik behovet for datamodeller ved at måle, hvordan vandtemperaturen ramte røntgenmålingerne. Ved højere temperaturer bøjes båndene og strækker sig, og mikroskopet skal kunne se det.

Nilsson finder på sin side ikke Saykallys metode overbevisende. "Der er mange antagelser i hans analyse," sagde Nilsson. Han mener også, at temperaturmålinger fra Saykallys hold kan være forkerte sammenlignet med hans egen gruppes data.

Nilsson og Saykally er ikke bare forskere, der argumenterer for et punkt. De er også venner. Og der er en ting, de er enige om: "Debatten viser, at vi ikke forstår vand meget godt - i hvert fald i mikroskopisk skala," sagde Nilsson.

Saykally kunne ikke tænke på et eksperiment, der snart løser uenigheden. "Problemet vil udfolde sig et stykke tid," sagde han. Han håber også, at han og hans ven kan komme sammen snart over en øl og nyde nogle af de særlige egenskaber ved det vandige stof, mens de diskuterer sagen yderligere.


Video Supplement: The Mystery of Water - What we know is a drop..




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com