<DENNE ARTIKEL SKAL OPDELES OG NIVEAU-DELES>

Ny teori forklarer vands helt usædvanlige egenskaber

Ved at have et detaljeret kendskab til vands egenskaber har man et bedre grundlag for at forstå interaktionen mellem vandmolekyler og proteiner/lægemidler i kroppen

En bedre forståelse af vands struktur vil kunne bruges i mange teknologier, f. eks. ved fjernelse af salt fra havvand og dermed kunne give forøget adgang til rent vand.

Vand er en forudsætning for al liv på Jorden, og vands usædvanlige egenskaber er en helt afgørende faktor.
==========================

Vands mysterier forklaret

Vand er noget helt specielt, og der er meget af det. Omkring 70% af jordens overflade er dækket af vand. Livet på jorden opstod i vand, og vand er en forudsætning for alt liv. Alle livsformer, vi kender – fra den mindste mikrobe til de største hvaler – har brug for vand for at holde gang i deres biologiske processer. Mennesket består af to tredjedele vand, og vi behøver 2,5-3 liter vand dagligt for at overleve, iberegnet det vand som findes i maden.

Hvert vandmolekyle består af to hydrogenatomer og ét iltatom. Et vigtigt træk ved vand er dets polære karakter. Vandmolekylet danner en vinkel med brintatomerne for enden af benene og iltatomet ved vinkelspidsen. Da ilt har en højere elektronegativitet end brint, får iltenden af molekylet en negativ ladning i forhold til brintenden. Denne forskel bevirker, at vandmolekyler tiltrækker hinanden. De forholdsvis positive brintender tiltrækkes af de forholdsvis negative iltender. Denne tiltrækning er kendt som en brintbinding. Brintatomerne og iltatomet er bundet sammen med kovalente bindinger, som er langt stærkere end brintbindingerne. Ikke desto mindre har de forholdsvise svage brintbindinger en meget stor betydning for vandets egenskaber. De giver vand et for molekylets størrelse meget højt kogepunkt samt en høj varmekapacitet.

Brintbindingerne giver vand en række usædvanlige egenskaber, når vandet fryser. Flydende vand bliver – som hos de fleste andre materialer – tungere med faldende temperatur. Men i modsætning til de fleste andre materialer medfører brintbindingerne, at molekylerne danner en struktur, der har en lavere massefylde ved faldende temperatur som følge af den omflytning af molekylerne, der sker for at mindske deres energi ved køling helt tæt på frysepunktet. Derfor flyder is på flydende vand. Flydende vand har sin største tæthed (vægtfylde) ved en temperatur på 4° C. Denne vægtfyldeprofil er afgørende for at fisk og andre vandlevende dyr kan overleve under is, idet vandet fryser oppe fra, så der stadig er flydende vand under isen.

Vand, som afkøles ved overfladen, bliver tungere og synker ned. Derved fremkaldes konvektionsstrømme, der afkøler hele vandmassen, men når vandets temperatur kommer under 4° C, bliver vandet lettere og flyder derfor ovenpå som et lag, der til sidst danner is. Da den nedadgående konvektionsstrømning af koldt vand blokeres, når dette skifte i vægt finder sted, vil enhver større vandmasse, der fryser til is om vinteren, have hovedparten af sit vand i flydende form ved 4° C neden under isoverfladen.

Vand opfører sig meget anderledes end andre væsker. Der har været fremsat mange teorier om, hvorfor vand opfører sig så specielt. Men ingen af teorierne har på overbevisende måde kunnet forklare alle egenskaberne. Man er dog enige om, at der i isfasen indgår fem vandmolekyler i en tetraederstruktur med 4 vandmolekyler i hjørnerne og ét i midten. På denne måde er hydrogenbindingerne stærkest. Indtil for nylig antog man, at vandmolekylerne havde en lignende placering i flydende vand, om end med en mindre rigid struktur, således at der kan pakkes ekstra molekyler ind i huller i tetraederformen, hvilket forklarer at flydende vand er tættere og tungere end is. Denne forklaring er kun delvis korrekt.

Nu påstår en forskergruppe nemlig, at de ved hjælp af røntgenabsorptionsspektroskopi og andre spektroskopimetoder kan forklare vands egenskaber på en mere fyldestgørende måde end det tidligere har været muligt. Kort fortalt er flydende vand en blanding af tetraeder-organiserede tætte vandmolekyler og mindre tætte, uorganiserede vandmolekyler, og ændringer af dette blandingsforhold (som følge af temperaturen og trykket) forklarer vandets egenskaber under forskellig temperatur og tryk.

Fysikerne Anders Nilsson fra Stanforduniversitetet i Californien og Lars Pettersson fra universitetet i Stockholm kom på sporet af den nye teori for 10 år siden, hvor de anvendte en ny og meget følsom røntgenabsorptionsspektroskopi til at studere strukturen af en aminosyre (glycin). De toppe, der fremkommer i et røntgenabsorptionsspektrum siger noget om de kemiske bindinger og dermed om strukturen. Det nye og følsomme apparatur afslørede ikke blot interessante toppe for glycinstrukturen, men også for det vand, som aminosyren var opløst i. Forskerne blev begejstret over denne afsløring om vand og arbejdede videre på strukturen af vand og de kunne i 2004 publicere, at på et hvilket som helst givent tidspunkt er 85% af hydrogenbindingerne i vand svækkede eller brudte. Dette var en stor overraskelse, da man på dette tidspunkt regnede med, at det kun var 10% af hydrogenbindingerne i vand, der på et givent tidspunkt var svækkede eller brudte.

Anders Nilsson og Lars Pettersson har sammen med en række kollegaer undersøgt de kemiske bindinger og molekylstrukturen i vand i store detaljer. Til at forklare resultaterne har de taget udgangspunkt i en mere end hundrede år gammel teori, som blev foreslået af Wilhelm Roentgen, der opdagede røntgenstrålerne og udnyttelsen af dem. Ifølge Wilhelm Roentgens teori var molekylerne i flydende vand pakket på to fundamentalt forskellige måder. Denne teori vandt ikke indpas i lærebøgerne, hvor det er beskrevet, at vandmolekylerne i flydende form pakker i en enkelt struktur.

Anders Nilsson og Lars Pettersson indledte også et samarbejde med Shik Shin fra universitetet i Tokyo. Shik Shin er ekspert i røntgenstråleemissionsspektroskopi, hvor en kortere bølgelængde af røntgenstråler viser en svækket hydrogenbinding. Med den ”gamle” teori om, at molekylerne i flydende vand stort set alle indtager en ordnet, tæt tetraederstruktur, skulle man kun forvente én top, men der viste sig i spektroskopiundersøgelserne at være to toppe, som måtte svare til to forskellige strukturer i vandet. Toppen ved den kortere bølgelængde svarede til andelen af uorganiserede molekyler, hvorimod toppen men længere bølgelængde svarede til den andel af vandmolekyler, som befandt sig i en organiseret struktur. Toppen ved den kortere bølgelængde var den mest intense, hvilket tydede på, at de fleste molekyler i vandprøven befandt sig i den uorganiserede struktur. Desuden kunne man konstatere, at ved opvarmning af vandet skiftede toppen ved den kortere bølgelængde mod en endnu kortere bølgelængde, medens toppen, der afspejlede de organiserede molekyler forblev stort set uændret. Dette viser, at det er de uorganiserede molekyler, der er mest løst bundet i vandstrukturen.

På basis af yderligere målinger konkluderede forskerne, at den organiserede struktur i gennemsnit bestod af omkring 50 til 100 vandmolekyler omgivet af et hav af mere løst tilknyttede molekyler. På en billionte del af et sekund skifter vandmolekylerne mellem de to tilstande efterhånden som hydrogenbindinger brydes og gendannes.

Forskerne genanalyserede tidligere forsøg, der var blevet udført af andre forskere, og fandt ikke resultater, der stred mod deres nye teori. Anders Nilsson og Lars Pettersson nye teori er omtalt i New Scientist i februar 2010.

Anders Nilssons og Lars Petterssons teori, ifølge hvilken vandmolekylerne veksler mellem to strukturer, kan forklare mange af vands mange usædvanlige egenskaber. Her opstilles 10 egenskaber, som efterfølgende forklares ud fra den nye teori.
· Vægtfylden er størst ved 4 ° C
· Vand har en usædvanlig høj specifik varmekapacitet
· Specifik varmekapacitet er mindst ved 35 ° C
· Sammenpresseligheden falder med stigende temperatur indtil et minimum ved 46 ° C
· Vand er speciel vanskelig at sammenpresse
· Hastigheden af lyd i vand stiger ved temperaturer op til 74 ° C og falder herefter
· Vandmolekyler diffunderer lettere ved højere tryk
· Modsat mange andre væsker bliver vand mindre viskøs, ikke mere viskøs, ved højere tryk
· Når trykket øges stiger vandets ekspansion ved opvarmning
· Egenskaber som viskositet, kogepunkt og smeltepunkt er signifikant forskellig for tungt vand (der indeholder deuterium eller tritium) sammenlignet med de tilsvarende egenskaber for normalt vand

Vægtfylden er størst ved 4°C (dvs. at vand er tættest ved 4°C)Opvarmning fra 0 til 4°C nedsætter antallet af vandmolekyler i den organiserede struktur og øger antallet af uorganiserede molekyler, hvor molekylerne er pakket tættere, og derfor er vand ved 4°C tættere (tungere) end ved 0°C. Men varme får også uorganiserede molekyler til at vibrere og flytte fra hinanden. Over 4°C vinder vibrationseffekten, og vandet får derfor igen en mindre vægtfylde ved temperaturer over 4°C.

Vand har en usædvanlig høj varmekapacitet
Det kræver meget varmeenergi at hæve vands temperatur til en given værdi. Det meste af den ekstra energi bliver brugt til at flytte flere molekyler fra den ordnede tetraederstruktur til den uorganiserede struktur, og derfor er der ikke så meget energi til rådighed til at forøge molekylernes kinetiske energi og dermed temperaturen. [Varmekapaciteten af en væske angives som "den specifikke varmekapacitet", dvs. den varme, som skal bruges til at opvarme 1 kg af væsken 1°C, og vand har altså en usædvanlig høj specifik varmekapacitet].

Specifik varmekapacitet er mindst ved 35 ° C
Den specifikke varmekapacitet for de fleste andre væsker stiger kontinuerligt med sigende temperatur, men vands specifikke varmekapacitet er mindst ved 35 ° C. Ved højere eller lavere temperatur stiger vands varmekapacitet. Når temperaturen øges inden for temperaturområdet mellem 0 og 35 ° C bliver der færre og færre molekyler i den organiserede struktur, hvorved vandets evne til at absorbere varme nedsættes. Over 35 ° C er der meget få organiserede molekyler, og vandet begynder derfor at opføre sig som de fleste andre væsker.

Sammenpresseligheden falder med stigende temperatur indtil et minimum ved 46 ° C
Sammenpresseligheden af de fleste væsker stiger kontinuerlig med stigende temperatur, men også her adskiller vand sig. Med stigende temperatur vil flere vandmolekyler indgå i de tættere, uorganiserede områder, hvorved vandet bliver vanskeligere at presse sammen. Stigende temperatur har dog også den virkning, at molekylerne i de tættere, uorganiserede områder tvinges fra hinanden, og det bevirker, at molekylerne derved bliver lettere at presse sammen. Sidstnævnte effekt dominerer over 46 ° C.

Vand er speciel vanskelig at sammenpresse
Den stærke tiltrækning mellem vandmolekyler (pga brintbindingerne) holder molekylerne tættere sammen end molekylerne i andre væsker. Dette er specielt tilfældet, når den tætte, uorganiserede struktur med den højere vægtfylde dominerer.

Hastigheden af lyd i vand stiger med temperaturen op til 74 ° C og falder herefter
Dette er resultatet af samspillet mellem vandets usædvanlige vægtfyldeprofil og vandets sammenpresselighedsprofil, og hænger således direkte sammen med, at balancen mellem de to typer vandstruktur ændrer sig med temperaturen.

Vandmolekyler diffunderer lettere ved højere tryk
Højt tryk bringer flere molekyler over i den uorganiserede struktur, hvor molekylerne er mere mobile.

Modsat mange andre væsker bliver vand mindre viskøs, ikke mere
viskøs, ved højere tryk
Vandmolekylerne bevæger sig friere, når de er i den uorganiserede struktur, end når de er i den organiserede og derfor mindre tætte tetraederstruktur. Da den uorganiserede struktur er begunstiget ved højere tryk bliver vand mindre viskøs ved højere tryk.

Når trykket øges stiger vandets ekspansion ved opvarmning
Stigende temperatur bevirker, at uorganiserede områder ekspanderer hurtigere end organiserede områder, og højt tryk flytter vandmolekyler fra den organiserede struktur til den uorganiserede struktur.

Egenskaber som viskositet, kogepunkt og smeltepunkt er signifikant forskellige for tungt vand sammenlignet med de tilsvarende egenskaber for normalt vandTungt vand indeholder de tungere hydrogenisotoper deuterium eller tritium i stedet for hydrogen. De tungere isotoper ændrer de kvantemekaniske egenskaber af vandmolekylerne, hvorved balancen mellem uorganiserede og organiserede områder ændres, og herved ændres mange af vandets egenskaber.

Der er store fordele ved at have et detaljeret kendskab til vandets egenskaber. Man vil herved få et bedre grundlag for at kunne forstå interaktionen mellem vandmolekyler og proteiner/lægemidler i kroppen for derved at kunne tilvejebringe mere effektive lægemidler. En bedre forståelse af vandets struktur vil kunne bruges i mange teknologier, f. eks. ved fjernelse af salt fra havvand og dermed kunne give forøget adgang til rent vand.

Kilder:
http://www.newscientist.com/article/dn18473-the-many-mysteries-of-water.html?full=true
http://www.newscientist.com/article/mg20527466.200-the-strangest-liquid-why-water-is-so-weird.html?full=true
http://da.wikipedia.org/wiki/Vand
En Google-søgning på [+water +Nilsson +Pettersson] giver 65000 fund.