Vand

Søren Rud Keiding

Description

Vand ligner på overfladen et simpelt molekyle. To hydrogenatomer og et oxygen = H2O, og så har vi formlen for den unikke forbindelse, der overalt danner basis for liv og planter og fordeler Solens energi på kloden. Men leder vi efter ophavet til vands både vanvittige og vitale egenskaber, bliver denne gennemsigtige væske mere grumset. På nær for Søren Rud Keiding, klarsynet kemiker ved Aarhus Universitet, der har gennemskuet, at det er vands indre tiltrækningskraft, der får det nok vigtigste molekyle i universet til at opføre sig anderledes end alle andre stoffer.

Sujets

• Philosophie et théologie
• Philosophy

Informations

• Publié par: Aarhus University Press
• Date de parution: 01 novembre 2021
• Nombre de lectures: 0
• EAN13: 9788772195513
• Langue: Danish

Extrait

S REN RUD KEIDING
T N
KE
PAU
SE
R
MIN PASSION FOR VAND
LEGOKLODSER OG VANDMOLEKYLER
Jeg er kemiker, og mit arbejde er b ret af dr mmen om, at vi kan forst og forklare den fysiske verden ved at pille den fra hinanden. Skiller vi tingene ad, helt ned til de mindste bestanddele, kan vi se, hvordan alting er opbygget af atomer. Det er lidt som en Legobil, som jeg har besluttet mig for at skille ad. N r jeg er f rdig, ligger der en masse forskellige klodser p bordet foran mig.
Der findes i runde tal 100 forskellige atomer, og hvis vi studerer atomerne grundigt, kan vi forst , hvordan verden er sat sammen, og hvordan den fungerer, ved at se, hvilke atomer de forskellige ting best r af.
Men desv rre - eller m ske heldigvis - er det ikke s enkelt. Vi kan jo tage eksemplet med Legobilen igen: Typisk best r en s dan leget jsbil af 200 klodser, nogle af dem er der flere af, mens andre kun optr der i et enkelt eksemplar. Nu skiller jeg bilen ad og l gger alle klodserne i en kasse og ryster den lidt. Kassen sender jeg til en anden legesyg kemikollega og beder hende om at h lde indholdet ud p bordet og g tte, hvad de 200 klodser bliver til i samlet form. Det er oplagt ikke nemt. De fire hjul kunne m ske v re en hj lp, og m ske g tter min kollega p en barnevogn eller en kontorstol?
Selv med kun 200 Legoklodser er der n sten et uendeligt antal m der at s tte klodserne sammen p , og det er langtfra sikkert, at kollegaen kigger ned i kassen og siger: Aha, en bil . Jeg har pr cis den samme udfordring med min kemiske dr m: Den fungerer rigtigt godt, n r jeg skiller tingene ad i atomer. Det er relativt nemt at se, at diamanter, oksek d, computerchips og guitarstrenge best r af helt bestemte atomer, blandet i s rlige forhold og sat sammen p en bestemt m de.
S n r jeg reducerer materialerne til deres mindste bestanddele, kan jeg godt forst , hvordan de er konstrueret og i et vist omfang ogs nogle af materialernes egenskaber. Men min tilgang fungerer ikke n r s godt, n r jeg pr ver at g den anden vej. Hvis jeg f r en kasse med atomer og bliver bedt om at lave en guitarstreng, en oksefilet, eller hvad ved jeg, s er det faktisk ganske udfordrende.
TO HYDROGEN OG EN OXYGEN = H 2 O
Det bedste eksempel p denne udfordring er vand: verdens mest forunderlige og vigtige stof. Umiddelbart skulle man ogs forvente, at vand er et meget simpelt stof, som vi ved alt om. Ser vi for eksempel p , hvilke atomer der skal bruges for at bygge et vandmolekyle, er det ret enkelt: Vand best r af et molekyle, der betegnes H 2 O. Vandmolekylet er igen sat sammen af tre atomer. Et oxygenatom og to hydrogenatomer. Trods denne simple og vel ogs relativt velkendte atomare sammens tning k mper jeg - og en stor del af verdens fysikere, astronomer, kemikere, biologer og geologer for blot at n vne nogle - stadig med at forst , hvad der g r vand s specielt, og hvordan vandmolekylets tre atomer kan give anledning til s mange fantastiske egenskaber.
Sender jeg en kasse med vandmolekyler til en kemikollega, kr ver det nok ikke s meget fantasi at forestille sig, hvad det kan blive til. Alle molekylerne er ens, og samler vi dem igen, s bliver de - lidt afh ngigt af temperaturen - enten til vanddamp, flydende vand eller til is. Min kollegas udfordring, n r hun samler vandmolekylerne, er alts ikke s meget, hvad de bliver til, men hvilke egenskaber de har og ikke mindst hvorfor. S vi forst r i store tr k de egenskaber, der er knyttet til de enkelte vandmolekyler, men n r vi samler dem, er der stadig mange af de kollektive egenskaber, der er sv re at beskrive.
Vand har selvf lgelig et hav af specielle egenskaber, som vi kender rigtigt godt: Kogepunktet er meget h jt, is flyder i vand, is isolerer godt mod kulde, is optr der i mere end 13 forskellige krystalformer, vand kan - n sten - ikke presses sammen, og vand kan underafk les til -41 grader, f r det fryser. Men grundl ggende set mangler vi stadig en beskrivelse af, pr cis hvordan disse kollektive egenskaber opst r.
NOBELPRISER I SIGTE?
Jeg har sagt det til kollegaer og studerende og gentager det gerne: Der venter en nobelpris til den eller de forskere, der kan forklare pr cist, hvorfor vand har s mange forunderlige egenskaber. Og svaret kan ikke bare v re, at det er, fordi vand best r af H 2 O. Vi skal kunne beskrive kvantitativt, hvordan de enkelte vandmolekyler sidder sammen i forhold til hinanden, og hvordan de bev ger sig og sammen er med til skabe vandets karakteristiske egenskaber.
S vi mangler en byggevejledning for vandmolekylerne. K ber vi en kasse Legoklodser, f lger der en - ofte ganske lang - opskrift med, der fort ller, hvordan vi s tter de forskellige klodser sammen. Det er den type opskrift, vi fortsat mangler for vandmolekylerne. Udfordringen med vandmolekylerne er tilmed dobbelt: Dels sidder vandmolekylerne fuldst ndig som Legoklodserne bundet i bestemte positioner i forhold til hinanden; de har med andre ord struktur. Dels kan de ogs forlade deres faste position og bev ge sig rundt mellem hinanden, s vi har dynamik og bev gelse, men ikke struktur.
Ser vi p vanddamp, alts vandmolekyler ved en temperatur over cirka 100 grader, s dominerer dynamik og bev gelse over struktur: Molekylerne i vanddamp sidder sj ldent fast i forhold til hinanden, men bev ger sig i stedet stort set frit rundt mellem hinanden. Med is, alts vand med en temperatur under 0 grader, er det stik modsatte tilf ldet. Her flytter vandmolekylerne sig n sten ikke, men sidder i fastl ste positioner i forhold til hinanden. Der er struktur, men meget lidt bev gelse.
Endelig er der flydende vand eller vand, som vi bare kalder det, underforst et, at det er flydende. Det kan begge dele. Det indeholder b de molekyler, der bev ger sig frit rundt mellem hinanden, og molekyler, der er fastholdt i strukturer og ikke flytter sig ud af stedet. I flydende vand skifter molekylerne desuden hele tiden karakter, s et frit vandmolekyle vil jeblikket efter v re bundet og vice versa. S flydende vand er alts kendetegnet ved frihed og bundethed, ved s vel struktur som bev gelse.
Og her begynder eksemplet med Legobilen at blive lidt utilstr kkeligt. Med al respekt for en moderne Legobils mange finurligheder s er der trods alt kun struktur. Har vi en gang sat Legoklodserne i deres rigtige position, s bliver de siddende og er med til at skabe den f rdige Legobil. Klodserne skifter ikke hele tiden position og s tter sig nye steder. Legobilen er ikke flydende.
Det er derfor, det er s sjovt at studere vand og is r flydende vand. Ikke nok med at vand er et meget vigtigt, m ske det vigtigste stof, vi kender, det er ogs fantastisk, forunderligt og us dvanligt, fordi dets egenskaber ikke passer med den m de, vi normalt beskriver andre stoffer p . De er enten faste eller flydende. Vand er b de struktur og bev gelse, og det kan skifte mellem forskellige strukturer p ubegribelig kort tid.
US DVANLIGE EGENSKABER
T T, T TTERE OG MINDRE T T
Hvis vi tager en liter vand fra den kolde hane, har det en temperatur p cirka 10 grader celsius. P en meget pr cis k kkenv gt vil det veje 999,5 gram, alts n sten et kilogram. S for alle praktiske form l er vands densitet alts et kilogram per liter. Da jeg var dreng, kaldte man det for stoffets v gtfylde , et af de ord, som Danmarks ber mte kemiker og fysiker H.C. rsted konstruerede i begyndelsen af 1800-tallet. Senere kaldte man det b de massefylde og t thed , og i dag er vi n et til at bruge ordet densitet .
K ler vi vandet ned til 4 grader, s stiger densiteten, og en liter vand vejer nu 0,5 gram mere end ved 10 grader. Det er ikke s m rkeligt, og det er der ingen grund til at skrive en bog om. Alle de v sker, vi kender i dag - og de kan t lles i millioner - har den egenskab, at densiteten stiger, n r temperaturen falder.
Men k ler vi vand l ngere ned end 4 grader, s sker der noget besynderligt: Densiteten begynder at falde, og en liter vand med en temperatur p 1 grad vejer nu mindre end en liter vand ved 4 grader. Det er intet mindre end en sensation, for vi kender intet andet stof, der har et densitetsmaksimum , f r det bliver til et fast stof. Og det forts tter: K ler vi vandet yderligere ned, s det bliver til is, s falder densiteten med hele 10 %, hvilket betyder, at is flyder p vand.
Det f nomen kender alle, der har lavet en sommerdrik med isterninger eller set billeder fra Ishavet ved Gr nland: Is flyder p vand, og vi ser kun toppen af isbjerget eller isterningen. Helt pr cist kun de verste 10 % svarende til forskellen i densitet mellem vand og is. Vand p fast form, is, har med andre ord en markant lavere densitet end vand p flydende form. I dag kender vi til mange millioner forskellige stoffer, og alle har de den modsatte egenskab: Stoffet i fast form har altid en h jere t thed end stoffet i flydende form, dvs. at den faste form synker til bunds i den flydende form.
Vandets densitet er alts maksimal ved 4 grader. Drikker du et glas isvand, kan du derfor opleve - hvis alts du er dygtig til at skelne mellem koldt og lunkent vand - at vandet i toppen af glasset er omkring 0 grader, mens vandet i bunden af glasset m ler 4 grader. Vandet med en temperatur p 4 grader synker til bunds, mens det koldere vand flyder ovenp . S der er koldt p toppen i et glas vand. Alle andre v sker vil v re koldest i bunden og varmest p toppen.
VAND VERSUS OLIVENOLIE
En anden s rlig egenskab ved vand er, at vi skal bruge meget energi for at ndre dets temperatur. Vi siger derfor, at vand har en h j varmekapacitet. Konsekvensen af dette f nomen oplever vi alle, men m ske er ikke alle bekendt med baggrunden? Lad os tage et eksempel: Temperaturen i Herning i Midtjylland svinger meget mere fra dag til nat end temperaturen i den fynske kystby Kerteminde. Det kalder vi for henholdsvis fastlandsklima og kystklima, og forskellen mellem de to skyldes vands h je varmekapacitet.
Vands varmekapacitet er h j - unormalt h j, fristes jeg til at sige - og et simpelt eksperiment hjemme i k kkenet kan demonstrere min p stand.
Fyld en kasserolle