Vann det virkelige aqua vitae

Transkript

1 Vann det virkelige aqua vitae Vann er utvilsomt den vanligste og, for livet på jorden, den viktigste av alle kjemiske forbindelser. Den nære sammenheng mellom vannets egenskaper og betingelsene for liv, slik vi kjenner det, viser at eksistensen av vann må ha vært en forutsetning for at liv kunne oppstå. Kanskje ble dette langt på vei forstått av Thales fra Milet, selv om han kanskje overdrev noe da han for mer enn 2500 år siden fremsatte hypotesen om at vann var alle tings urstoff. Senere utvidet Aristoteles denne hypotesen til fire grunnelementer; vann, jord, luft og ild. Ved å legge til et hypotetisk femte element; ( kvintessensen ), trodde man faktisk på dette helt frem til 1661 da Robert Boyle, ofte kalt kjemiens far, satte punktum for den i boken The sceptical Chymist. Mer enn hundre år senere, i 1783, syntetiserte Henry Cavendish vann ved å brenne hydrogen i luft, men han forklarte prosessen ut fra flogiston hypotesen: som mente at vann var hydrogen minus flogiston (et slags element knyttet til varme). Dermed ble det faktisk dampmaskinens oppfinner, James Watt, som først virkelig forstod at vann ikke var et grunnelement, men en kjemisk forbindelse i. Siden da er vann det mest undersøkte av alle kjemikalier. Det faktum at vannets frysepunkt ved vårt atmosfæretrykk ligger omtrent midt i det temperaturområde der planter og dyr kan trives, medfører at vi til daglig omgås alle vannets tre tilstandsformer og kan observere overgangene mellom dem. Vann er den eneste kjemiske forbindelse vi kan si dette om. Det er derfor ikke til å undres over at vann har gjort et dypt inntrykk på oss mennesker og har fått stor betydning for vår filosofi. Det ser vi både av Grekernes tanker om vann som et grunnelement, og av at denne forbindelsen spiller en sentral rolle i alle skapelses myter. Vann er et symbol for liv, for renselse og for gjenskapelse. Vår egen kropp består av mer enn 60 % vann, og enkelte organismer (maneter)opptil 98 % vann. (kanskje burde det egentlig hete: av vann er du kommet...?) I de eldste religioner, skrevet for mer enn 4000 år siden, var Nammu urhavets gudinne og den som fødte jorden. Hun var også mor til vannets gud; Enki, som var en av de fire gudene som kontrollerte universet. I vår kristne religion heter det tilsvarende at Guds ånd svevet over vannene (som altså allerede var der!) da skapelsen fant sted og jord og himmel ble adskilt. (Første Mosebok, kp.1, v.2). Oversvømmelser spiller en viktig rolle i religiøse myter og bruken av vann ved dåp og den obligatoriske vask før bønn hos muslimer, understreker den fundamentale rolle vann spiller i ritualene. Hvor betatt vi er av havet i storm og stille, av elver og fossefall og av regn og sne, vises tydelig i alle mulige former for kunstnerisk utfoldelse. Vann finnes over alt. Ute i verdensrommet, på andre kloder og i kometer har en påvist vann i en aller annen form. Geologiske spor på Mars tyder på at det en gang fantes store mengder vann der, og på månen er det påvist vann (is) i skyggefulle kratre. En antar nå at det vannet som nå finnes på månen er brakt dit med meteorer. I de ca. 4 milliarder år månen har eksistert Vann 1

2 kan meteorer ha levert milliarder tonn vann dit. Mesteparten av dette vannet er fordampet og forsvunnet ut i verdensrommet, men ca. 1 % kan ha blitt tilbake. Hvor vannet på vår klode er kommet fra er uklart ii. Jorden synes å være omtrent like gammel som solen, dvs. ca. 4,6 milliarder år, mens de eldste sedimentære bergarter, som forutsetter at vann har vært tilstede (hav), bare er 3,9 milliarder år gamle. Det gikk altså 7 hundre millioner år før havet ble dannet, enten fordi det tok så lang tid før jorden ble såpass avkjølt at vanndampen i atmosfæren kunne kondenseres til væske, eller fordi det til å begynne med ikke fantes særlig mye vann. Dersom materien som i sin tid dannet jorden var klumper av størrelsesorden 10 3 til 10 3 meter og lignet de vanligste meteoritter, inneholdt de ca. 0,1 % vann. Dette ville resultere i 4 ganger mer vann enn det nå finnes i verdenshavene. En annen mulig forklaring er at dersom jorden, i tidsrommet fra 4,5 til 3,9 milliarder år siden, slik som månen, ble utsatt for et kraftig bombardement av meteorer med 0,1 % vann, ville disse inneholde mer enn nok vann til å fylle verdenshavene. Hvordan dette nå måtte være så er i dag 70,8 % av klodens overflate dekket av vann i en gjennomsnittlig dybde på 6000 meter slik at jorden med god grunn kan kalles vannets planet Av jordens totale vannmengde er 97 % for salt Kilde Vol. (10 3 km 3 ) % Saltvanns hav Salte innsjøer Polar is og breer Grunn vann Innsjøer Fuktighet i jord Atmosfæren Elver Totalt Årlig regn 60 Tabell 1. Hvordan vannet på jorden er fordelt til at vi kan drikke det, 2 % ligger lagret som is ved polene (75 % av jordens ferskvann), slik at bare 1 % av jorden vannmengde kan drikkes. Bare 0,05 % er tilgjengelig fra elver og sjøer, mens resten er grunnvann. De største ferskvannsreservoarene finnes altså i polkalotter og breer, og disse er for tiden i jevn tilbakegang på grunn av økende temperatur. Ved fordampning og nedbør resirkuleres vannet kontinuerlig. Ca. 70 % av nedbøren fordamper igjen raskt, mens 30 % er såkalt avrennings vann som stort sett før eller siden renner ut i havet. Menneskenes bruk av ferskvann har økt jevnt i de siste hundre år og trenden vil neppe avta. Denne situasjonen gir grunn til bekymring fordi de fleste resursene allerede er brukt til grensen av kapasiteten. Med økt forbruk følger at stadig større deler av tilgjengelig vann forurenses slik at det ikke lenger kan brukes som drikkevann. På denne måten endres også økologiske forhold. Michael Faraday skrev om dette problemet allerede i 1855 i et innlegg i The Times, men det tok enda 100 år før man tok problemet på alvor. I dag opplever 2,7 milliarder mennesker vannmangel, og det antas at urent vann krever mer enn 5 millioner liv årlig. Mangelen på rent vann er et av mange signaler om at verdens befolkning er i ferd med å bli for stor. I mange deler av verden forsøker man å bøte på vannmangelen ved å avsalte sjøvann hvilket naturligvis krever energi. Rensingen foregår som regel ved destillasjon, ionebytting eller reversert osmose. Hvor viktige slike teknikker ansees å være kan sees ut fra at det frem til 1980 var publisert mer enn arbeider over dette tema. Godt drikkevann kan inneholde 0,5 g oppløste mineraler per liter, mens det i noen tilfeller av industrielt bruk kreves en renhet på 99, % dvs. bare inneholde 0,02 ppm av urenheter. Ingen andre stoffer finnes i en slik renhet, kanskje med unntak av germanium og silisium i elektroniske komponenter. Vann 2

3 Molekylet Vann, H 2 O, er som formelen forteller sammensatt av grunnstoffene oksygen og hydrogen; ett oksygenatom og to hydrogenatomer. Både oksygen og hydrogen forekommer i tre relativt stabile isotoper: (O 16, O 17 og O 18 ) og (H 1, H 2 og H 3 ) og dermed finnes det i alt en rekke varianter av vann. Imidlertid dominerer isotopene H 1 og O 18 slik at praktisk talt alt vann er H 1 2O 18 eller bare H 2 O. Forbindelsen H 2 2O 18 (D 2 O), eller såkalt tungt vann, inneholder hydrogen-isotopen H 2 som kalles deuterium (D) og som i kjernen har et neutron ved siden av et proton og er derfor dobbelt så tungt som vanlig hydrogen. I vanlig vann finnes det ett deuterium atom for hvert 6760 vanlige hydrogenatomer og D 2 O kan fremstilles ved elektrolyse av vanlig vann fordi hydrogen (H 1 ) utskilles ved elektroden, mens deuterium anrikes i elektrolytten. Mest kjent er tungt vann kanskje fordi den ble brukt som en moderator i kjernereaktorer, og fikk en dramatisk historie under siste verdenskrig. I vann er atomene bundet sammen med enkle kovalente bindinger. Oksygen har seks elektroner i sitt ytterste skall, men har plass til åtte. Ved at oksygen og de to hydrogenatomene danner felles orbitaler får alle atomene stabile elektronkonfigurasjoner. Dette kan illustreres med en Lewis struktur slik: a. Elektronenes fordeling omkring oksygen i vannmolekylet. De grønne pilene representerer elektroner fra hydrogen. b. Vannmolekylet der de ledige elektronparene er antydet. Fig. 1 Fig. 1a. viser hvordan elektronene er fordelt i oksygenets orbitaler, og dersom vi tenker oss at disse er sp 3 - hybridisert vil de fire elektronparene i 2s og p- orbitalene ha en tilnærmet tetraedrisk struktur. Det betyr at retningene fra oksygenatomet og ut mot de to hydrogenatomene, og mot de to ledige elektronparene, peker omtrentlig mot de fire hjørnene som er lengst fra hverandre i en kube. (Fig. 1b.) Siden oksygenatomet er mer elektronegativt enn hydrogenatomene, trekkes elektronene i bindingene litt nærmere oksygen slik at bindingene blir polare, dvs. oksygenet blir litt negativt ladet og hydrogenene litt positive. Avstanden mellom hydrogen og oksygen atomene er 0,957 Å (95,7 picometer) og vinkelen mellom bindingene til hydrogenatomene er ca. 104,5 grader. Vannmolekylet er altså vinklet og dermed fører forskyvningene av ladningene i bindingene til at molekylet som helhet får et såkalt dipolmoment som er av stor betydning for vannets evne som løsemiddel. At vannet har et slikt dipolmoment og dermed vil påvirkes av et elektrisk felt, kan en lett se av at en tynn vannstråle avbøyes dersom en holder en elektrisk ladet gjenstand nær strålen. (for eksempel en kam, som en nettopp har gredd seg med.) Mange av vannets egenskaper forklares også ved at vannmolekylene har spesiell god evne til å danne hydrogenbindinger. De to positive hydrogenatomene kan samvirke med ledige elektronpar i andre molekyler og på den måten etablere en viss binding (Fig.2.) Tidligere ble slike hydrogenbindinger ansett for å være et resultat av en ren elektrostatisk tiltrekning selv om Linus Pauling allerede i 1930 hadde foreslått at hydrogenbindinger også kunne ha en viss kovalent karakter. Fig. 2 H:O:H : : Vann 3

4 Nye eksperimenter iii synes nå å styrke denne hypotesen slik at man nå mener at det er ca. 10 % kovalent natur i hydrogenbindingene i is. Denne erkjennelsen vil ha stor betydning for en teoretisk forståelse av vannets egenskaper. Når et så lite molekyl som vann, H 2 O, eksisterer som væske helt opp til 100 o C, skyldes det hydrogenbindingene mellom molekylene. I H 2 S derimot er slike bindinger ubetydelige fordi svovel er langt mindre elektro-negativt enn oksygen slik at ladnings-forskyvningen i H-S bindingene blir meget liten. Derfor koker H 2 S allerede ved 60 o C til tross for at svovel er et tyngre atom enn oksygen. Hydrogenbindingenes betydning i kjemien, kanskje spesielt innen biokjemien, kan vanskelig overvurderes. Vannets absorpsjonskoeffisient forelektromagnetisk stråling av forskjellig frekvens: rød linje. Fig. 3 En tredje meget viktig egenskap hos vannmolekylene er deres evne til å absorbere elektromagnetisk stråling. Det er interessant å merke seg at nettopp i det frekvensområdet som vi kaller synlig lys er absorpsjonskoeffisienten bare brøkdeler av milliondelen av den verdi en finner umiddelbart på begge sider av dette området. Vann er altså gjennomsiktig for den delen av spekteret som vårt øye oppfatter som lys, mens det blokkerer for både høyere og lavere bølgelengder.(se fig. 3.) Dersom ikke dette hullet i vannets absorpsjonsevne hadde vært, ville vanndampen i luften absorbert det meste av den synlige delen av solstrålingen og gitt en mørk himmel, for ikke å snakke om et virkelig svart hav. Men vanndampen absorberer varmestrålingen fra jorden og fungerer dermed som en drivhusgass som bidrar til at vi har et relativt behagelig klima. Dessuten absorberer vann også solens ultrafiolette stråler som er skadelige for levende organismer. Dermed var muligheten til stede for at liv kunne oppstå i havet (før atmosfæren fikk et skjermende ozonlag, Se KJEMI Nr. 01/2000.) Den fjerde av vannets egenskaper som er avgjørende for livet i store deler av jorden er at vann har sin største tetthet ved ca. 4 o C. Det betyr at vann faktisk trekker seg sammen ved oppvarming fra 0 til 4 o C, og at det utvider seg når det fryser. Både sprukne vannledninger i kalde vintre og isbiter som klirrer muntert i drinken er beviser for det. Når et vann fryser flyter isen på overflaten og danner et isolerende lag for vannet under og gjør det mulig for livet der å fortsette. Vann 4

5 Vannets tre faser Hvilken form vann til enhver tid forekommer i avhenger av temperatur og trykk som vist i fig. 4. Ved en atmosfæres trykk har vann fast form under 0 o C og væskeform mellom 0 og 100 o C. Dampformen forekommer ved alle temperaturer, men med forskjellig partialtrykk. Alle tre tilstandsformer spiller avgjørende roller i vårt miljø. Vanndampen i luften spiller rolle som klimagass og gir en viss drivhuseffekt. Uten en slik effekt fra slike gasser i atmosfæren ville temperaturen på jorden antageligvis være ned mot 20 o C. Dessuten fører vanndampen til skydannelse og nedbør med den betydning dette har for alt som gror. Nedbøren legger også grunnlaget for Fasediagramm for vann. en eldgammel utnytting av solenergien ved å la vann i elver og fossefall drive kraftverk i forskjellige former Fig. 4 fra kvernkall til moderne turbiner.. I væske form har vann en stor varmekapasitet som gjør at havet kan lagre og transportere enorme varmemengder og på denne måten påvirke klima. (f.eks. Golfstrømmen) Sne og is reflekterer sollyset og gir et kaldere klima, samtidig som sneen isolerer jorden under mot altfor stort varmetap. Isfasen Hydrogenbindinger i is. Vi ser at isen har en åpen tetraedrisk struktur der hvert oksygenatom har 4 nærmeste naboer. I vann har oksygenatomene 4.4 nærmeste naboer og er følgelig et tettere medium enn is. Fig. 5 I denne formen er hvert vannmolekyl ganske fast bundet til fire andre vannmolekyler gjennom hydrogenbindinger slik som vist i fig. 5. Siden isens tetthet er 0,919 g/cm 3 sammenlignet med 0,9998 g/cm 3 for vann (T = 0 o ), flyter is med ca. 1/10 av volumet over vann. Strukturen i is har en sekstallig symmetri som gir seg til kjenne i snekrystallenes heksagonale form. Dette kan en finne beskrevet i kinesiske skrifter allerede 200 år f.kr. Et sneflak består av mange små iskrystaller, og finnes i en uendelighet av former med både 3, 6 og 12 armer. Hvilken form sneflakene får er avhengig av vanndamptettheten og temperaturen der de dannes. Studiet av snekrystaller og deres variasjon med de forhold som eksisterer når de dannes er en hel vitenskap for seg selv. Is finnes i minst 12 eller kanskje 14 former som avhenger av trykk og temperatur på en innviklet måte. Den vanlige formen kalles is I, mens det for eksempel også finnes en høytrykksform (is VII) som ikke smelter før ved 80 o C. Alle formene for is ligner litt på is I, men vinkler og avstander mellom vannmolekylene varierer noe. Vann 5

6 En spesiell form for isstruktur dannes når vannmolekyler legger seg som et skall omkring relativt små molekyler som har liten eller ingen evne til å danne interaksjon med vann. Slike molekyler kalles ofte for hydrofobe og disse kan ligge som gjestemolekyler inne i hulrommene som dannes. Fig. 7. Denne form for struktur kalles klatrater og kan dannes med 12, 46, 136 osv H 2 O molekyler.eksempler på slike gjester er edelgasser og små hydrokarboner, og dannelsen av slike klatrat strukturer kan skape problemer ved transport av våt naturgass i rørledninger under høyt Fig. 7 trykk. Det er også vist at ved å pumpe CO 2 ned på store havdyp dannes slike hydratstrukturer som kan gjøre det mulig å deponere CO 2 på denne måten. Det er verd å legge merke til at i klatratstrukturen er ingen av oksygenets orbitaler rettet inn mot gjestemolekylet slik at orbitalene til to nabo vannmolekyler står rett overfor hverandre (eclipsed) som vist i fig. 7 Dette er klart forskjellig fra is-strukturen der orbitalenes retning i et vannmolekyl er vridd i forhold til nabo molekylets orbital-retninger (stagered). Energetisk sett er is-strukturen mer gunstig og klatrater er da også mindre stabile enn is(i). Siden den linjen som i fasediagrammet (fig. 4) skiller mellom væske og fast form heller litt mot venstre, betyr dette at smeltepunktet synker (med 0,0075 o per atm) ved økende trykk. Her ligger noe av forklaringen på at det er så lett å gå på skøyter. Trykket av den skarpe skøyte eggen får isen til å smelte slik at vannmolekylene danner en slags smøring under skøyten. Et velkjent eksperiment er å henge et lodd i en ståltråd spent over en isblokk. Isen vil da smelte på undersiden av tråden og fryse igjen på oversiden slik at ståltråden etter en stund vil ha passert gjennom hele isblokken som forblir like hel. Dette forholdet er helt uvanlig for de fleste stoffer og er igjen et utrykk for at væskefasen for vann er tettere enn den faste fasen. Den høye smeltevarmen for is (ca. 80 cal/g = 334 J/g) Fig. 6 gjør den til et nyttig kjølemiddel som i høy grad blir utnyttet. Væskefasen Ved én atmosfæres trykk og temperaturer mellom 0 og 100 o C er vann en væske uten lukt og smak, og med en meget svak blåfarge som skyldes svak absorpsjon av rødt lys. Når is smelter brytes den faste bindingen mellom vannmolekylene slik at disse blir delvis frigjort fra sine faste naboer. I denne tilstanden har vannmolekylene høyere energi fordi de faste bindingene delvis er brutt. Under smeltingen går all tilført energi med til å gi vannmolekylene denne energiøkningen og ikke til å øke temperaturen. Når de faste bindingene brytes, fører dette også til at det gjennomsnittlige antall nabomolekyler øker fra 4 i is til 4,4 i væskeformen og dermed til en større tetthet. Siden smeltevarmen for is bare er ca. 15 % av fordampningsvarmen, viser dette at mye av den orden som finnes i is, likevel fortsatt finnes i væsken, og at Vann 6

7 hydrogenbindingene fortsatt er aktive. Dette forklarer også vannets relativt høye kokepunkt, viskositet og overflatespenning. De fleste av oss har forundret oss over insekter som kan løpe bortover en vannflate, eller lurt på hvordan vann kan stige i trange kanaler til toppen av høye trær. Men dette skyldes nettopp det som ofte kalles overflatehinne eller overflatespenning som igjen er et resultat av bindingen mellom vannmolekylene. De molekylene som befinner seg inne i vesken, har interaksjoner i alle retninger til nabomolekyler, mens de som befinner seg i overflaten, bare har naboer innover i vesken. Derfor har molekylene i overflaten høyere energi enn de som befinner seg inne i væsken. Det trengs med andre ord energi for å skape en overflate, mens det er en energigevinst dersom overflaten kan minskes. En fri vanndråpe vil derfor innta en kuleaktig form fordi en kule har den minste overflate for et gitt volum. En vanndråpe som ligger på en overflate av et stoff som vannmolekylene ikke knytter seg til, f.eks. et nyvokset bilpanser, vil innta en avflatet kuleform fordi den deformeres av tyngdekraften. Arbeidet som må til for å øke overflaten med arealet dρ kan beskrives som dw = γ dρ, der proposjonalitetsfaktoren γ kalles overflate spenningen. Dersom det imidlertid er en gunstig interaksjon mellom vannmolekylene og molekylene i veggen i det karet de befinner seg i, vil overflate molekylene kunne minske sin energi noe gjennom denne interaksjonen og krabbe litt oppover kappilarveggen. Dette vil føre til at vi får en stadig krummere overflate og dermed et økt overflate areal slik som vis i fig.9. Krummingen av overflaten, og dermed arealet avoverflaten, kan minskes ved at vannet stiger i kapilaret og likevekt inntreffer når arbeidet med å øke overflate arealet er lik arbeidet som må til for å heve veskesøylen enda litt. På denne måten kan vann kan stige flere titalls meter inne i kapillarrørene i trær. Hvor høyt (h) vann vil stige Fig. 9 i et gitt kapillar er avhengig av kapillarets radius (r), overflatespenningen (γ), interaksjonen med kapillarveggen gitt ved kontaktvinkelen (α), vannets tetthet (ρ) og gravitasjonskonstanten (g) Et insekt som under bena har et stoff som vannmolekyler ikke vil binde seg til, vil lage små krumninger i overflaten, og dette kan være nok til å bære insektet dersom det ikke er for tungt. Dampfasen Varmer vi opp vann til 100 o C ved atmosfæretrykk gir vannmolekylene helt slipp på hverandre og går over i dampfasen. Som vi ser av fasediagrammet vil imidlertid kokepunktet variere med trykket slik at kokepunktet synker når trykket synker. Eksempelvis er kokepunktet for vann bare 70 o C på toppen av Mt. Everest (8850 moh.). At vanndamp er en usynlig gass, følger av at vanndampen absorberer lite av den synlige delen av spekteret slik som vist i fig. 3, men som drivhusgass og utgangspunkt for skydannelse og nedbør spiller den en avgjørende rolle for vårt klima. Vanndamp er også et velegnet medium for å omgjøre varmeenergi til mekanisk og elektrisk energi gjennom dampmaskiner og dampturbiner. Den såkalte industrielle revolusjon bygget jo nettopp på dette. Kjemien Vann er en meget stabil forbindelse i forhold til elementene siden relativt mye energi frigjøres ved prosessen H 2 + ½O 2 H 2 O ( G = 237,1 kj/mol) Reaksjonen mellom hydrogen og Vann 7

8 oksygen er egentlig ganske kompleks og forløper både som en enkel og en forgrenet kjedereaksjon. Hvilken mekanisme som dominerer er avhengig av trykk og temperatur, og er avgjørende for om reaksjonen forløper kontrollert, eller eksplosivt. Takket være vannmolekylenes polare karakter og deres evne til å danne hydrogenbindinger er vann det beste kjent løsemiddel både for salter og forbindelser som kan delta i hydrogenbindinger. Vann er derfor et perfekt medium for transport av stoffer i en levende organisme. Nesten alle naturlige kjemiske prosesser skjer i et vandig miljø. Ioner i løsning er som regel omgitt av et skall av vannmolekyler. Nyere forskning iv viser at molekylene i dette skallet beveger seg mye langsommere enn de øvrige, og at de har en midlere oppholdstid i dette skallet på ps (10 12 s). Dette forholdsvis stabile vannskallet har rimeligvis stor betydning for hastigheten av kjemiske reaksjoner i vann. En annen av vannets spesielle egenskaper er at det kan opptre både som syre og som base ved at det kan danne både H 3 O + og OH -ioner. Vi sier at vann er en amfolytt. Serien A til D beskriver en protonforskyvning i en serie med hydrogenbundne vannmolekyler. Dersom forskyvningen kan skje over tre molekyler eller mer og kjeden brytes, er avstanden mellom ionene så stor at de ikke rekombineres umiddelbart. Fig. 10 O H-avstandene er pm (~2,4 Å). 2H 2 O H 3 O + + OH Kw = [H 3 O + ][ OH ] = mol 2 /dm 3 Vi ser av verdien for Kw at denne dissosiasjonen strengt tatt er en ganske sjelden prosess. Bare ett av ti millioner vannmolekyler dissosierer på denne måten slik at et vannmolekyl vil ha en gjennomsnittlig levetid på ca. 10 timer. Også her spiller hydrogenbindingene en vesentlig rolle. Dersom et proton skifter plass fra ett vannmolekyl til et nabomolekyl vil levetiden for de to ionene som dannes være av størrelses orden s. Men dersom det skjer en protonforskyvning gjennom en kjede på minst tre vannmolekyler, vil de to ionene komme i en avstand av ca. 6 Å fra hverandre, og dersom denne kjeden av vannmolekyler så brytes, vil ionene kunne diffundere langt bort fra hverandre og ha en betydelig lenger levetid. H 3 O + -ionet er påvist i løsning så vel som i krystallinske hydrater og det samme er komplekser som H 5 O + 2, H 7 O + 3, H 9 O og H 13 O 6 Strukturen av det dihydrerte proton er funnet i HCL 2H 2 O: H H + O H O H H I industrien er vann en av reaktantene i en katalysert prosess ved 1000 o C ved fremstilling av hydrogengass: CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 eller i noe mindre grad: C + H 2 O CO +H 2 Vann 8

9 Begge reaksjonene følges ofte av: CO + H 2 O => CO 2 + H 2. Vann kan få helt spesielle kjemiske egenskaper dersom vi varmer det opp under høyt trykk. Ved 220 atm. kan vi varme vann i væskeform opp til 374 o C (men heller ikke mer uansett trykk) uten at det koker. I denne tilstanden, som kalles superkritisk, kan vann løse praktisk talt alt, selv olje. Like underlig er det at de fleste stoffer vil oksidere (brenne) i en slik løsning, spesielt dersom oksygen pumpes inn i systemet. En slik metode er foreslått å bruke til destruksjon av uønskede stoffer. Problemet med superkritisk vann er at det korroderer et hvilket som helst metall, også gull, slik at det er vanskelig å finne et materiale som tåler disse forholdene. En annen metode for å gjøre vannmolekylene spesielt reaktive er å bruke ultralyd som gjennom en litt komplissert prosess kan føre til dannelse av reaktive OH- radikaler. På denne måten kan CFC gasser destrueres, hvilket ellers er meget vanskelig. Vi kan ikke her komme inn på de utallige biokjemiske prosesser der vann inngår, men bare nevne at det medgår bortimot tonn vann sammen med ca. 5x10 10 tonn CO 2 hvert år til dannelse av karbohydrater gjennom fotosyntesen. Dessuten spiller vannmolekyler en vesentlig rolle gjennom hydratisering av biologiske makromolekyler som proteiner, nukleinsyrer og karbohydrater. Disse blir på denne måten stabilisert i en aktiv konformasjon. Eksemplelvis foreligger nukleinsyrene (DNA) i en rekke forskjellige former (hovedsakelig A, B og Z form) bestemt av hvor mye vann som er tilstede. Tilsvarende er proteinenes form delvis bestemt av det vanndige miljø de befinner seg i. v Når en først snakker om vann er det vanskelig ikke å nevne polyvann. Melleom 1966 og 1973 ble mer enn 500 artikler publisert om en ny tilstand for vann som ble omtalt henholdsvis som polyvann, anomalt vann, orthovann, supervann, cyclimetrisk vann, supertett vann, vannii og vann-x. Stoffet ble fremstilt i meget små mengder ved å kondensere vanlig renset vann i nylagede glasskapilarer med diameter 1 3 µm. Siden forbindelsen tydet på å være serdeles stabil ble det uttrykt engstelse for at resten av verdens vannbeholdning skulle polymerisere til denne formen. Det ble til slutt slått fast at det hele skyldes at forbindelser fra glassveggene ble sløst i det nykondenserte vannet som dermed fikk litt spesielle egenskaper. Det er ingen grunn til å harsellere over denne historien selv om det er ikke første gang vitenskapen er ute på dypt vann, og vi må håpe at det heller ikke er siste gang dette skjer. Det viser nemlig at mennesker har evnen til å observere og undre seg over nye fenomener, har fantasi nok til å forestille seg underlige løsninger, og kløkt nok til å komme frem til holdbare konklusjoner til slutt. Alt sammen nødvendige egenskaper om naturvitenskapene skal bringes fremover. Arvid Mostad, November 2006 Fotnoter i A.Greenberg. A Chenical History Tour, (Wiley) ISBN ii Sci.Am. The origins of water on earth høsten 1998 iii Phys. Rev. Lett. Jan.18 (1999) iv Science 291. (2001) v Water, a matrix of life Felix Franks. RSC paperbacks. ISBN X Vann 9