Stebuklingiausia molekulė – vanduo

Vanduo

Vanduo – antra medžiaga pagal gausumą Visatoje. Jis tirpina daugiau medžiagų nei bet kuris kitas tirpiklis, jame telpa neįtikėtinas energijos kiekis. Be vandens būtų neįmanoma gyvybė mums įprastu pavidalu. Ir nors vanduo dengia daugiau nei 70 proc. mūsų planetos paviršiaus, kai kuriose Žemės vietose jo katastrofiškai trūksta.

Kai kuriais požiūriais tai yra geriausiai pažįstama medžiaga – iš dalies dėl to, kad ji sudaro net 75 proc. mūsų kūno masės. Kasdien vandenyje prausiamės, jį geriame, juo valome, naudojame jį nešvarumams pašalinti. Paprastiems žmonėms vanduo yra paprastas. O mokslininkams dar liko įminti begales neįtikėtinų vandens paslapčių.

Kuo vanduo toks ypatingas?

Didžiąją žmonijos istorijos dalį buvo manoma, kad vanduo – tai vienas iš keturių fundamentalių elementų, kartu su oru, žeme ir ugnimi. Ir tik XVIII a. chemikas Antoine Lavoisier, paleidęs elektros srovę per vandenį, nustatė, kad vanduo skyla į dvi skirtingas dujas: vandenilį ir deguonį.

Vandens cheminė formulė labai nesudėtinga – H2O. Du vandenilio atomai ir vienas deguonies. Viena iš įdomiausių ir svarbiausių vandens savybių yra siejama su vandeniliniais ryšiais, kurie nuolat susidaro ir skyla tarp vienos molekulės vandenilio ir kitos molekulės deguonies. Dėl šių vandenilinių ryšių vandens molekulės viena kitą traukia kur kas stipriau, nei praktiškai bet kurios kitos medžiagos molekulės.

Vandenilinės jungtys lemia labai specifinę vandens šiluminę talpą. Tai reiškia, kad reikia sunaudoti labai daug energijos norint vandenį pakaitinti. Be to, lyginant su kitomis cheminiu požiūriu panašiomis molekulėmis (pavyzdžiui, vandenilio sulfidu), vandens virimo temperatūra yra išskirtinai aukšta. Todėl žmogus prakaituodamas gali iš organizmo pašalinti milžiniškus energijos kiekius.

Dar viena vandenilinių jungčių pasekmė – vandens kapiliarinės savybės (apie jas Albertas Einsteinas parašė pirmąjį savo mokslinį darbą). Šios savybės pasireiškia, kai skystis kyla aukštyn, tarkime, šepetėliu ar kempine. Viena vandens molekulė kitą traukia taip stipriai, kad ši trauka įveikia gravitacijos jėgą. O kai vanduo nugaruoja nuo aukščiausiai esančių medžio lapų, jis į viršų „patraukia“ vandens molekules nuo pat šaknų.

Dar viena vandenilinių ryšių pasekmė yra didelis vandens paviršiaus įtempimas. Tik dėl jo susidaro mums įprasta vandens lašų forma, o kai kurie vabzdžiai geba vaikštinėti vandens paviršiumi. Paviršiaus įtempimo jėga yra tokia stipri ir svarbi, kad kai kurie anksčiau laiko gimę kūdikiai, kurių plaučiuose nėra paviršiaus įtempimą mažinančių medžiagų, išvargsta viena bandydami kvėpuoti. Laimei, šią į pasaulį labai skubėjusių vaikų problemą išsprendė chemikai ir medikai.

Faktas, kad toje pačioje vandens molekulėje yra ir šiek tiek teigiamas, ir šiek tiek neigiamas poliai, taip pat reiškia, kad tai yra „universalus tirpiklis“, idealiai tirpinantis daugelį druskų, rūgščių, šarmų ir netgi dujų, tokių kaip anglies dvideginis, mums pažįstamas pagal burbuliukus gazuotuose gėrimuose. Tokios vandenyje tirpios medžiagos yra vadinamos hidrofilinėmis.

O štai riebalai ir aliejai yra vadinami hidrofobiniais, nes jų molekulių galuose nėra krūvį suteikiančių elementų. Todėl jos viena kitą traukia stipriau, nei jas traukia vanduo. O todėl, norint tokias medžiagas nuplauti nuo mūsų rankų ar rūbų, reikalingi muilai – medžiagos, kurių ilgų molekulių vienas galas yra hidrofilinis, o kitas – hidrofobinis. Tokios mulių savybės suteikia galimybę didelius riebalų lašus suskaidyti į mažesnius ir juos nuplauti vandeniu.

Iš vienos būsenos į kitą

Stebėtina ir tai, kad vanduo yra praktiškai vienintelė mums žinoma medžiaga, kuri, vėsdama iš skystos būsenos į kietą, ne traukiasi, o plečiasi. Iš esmės visos kitos mums žinomos medžiagos stingdamos patankėja, tačiau dėl išskirtinės vandens savybės ledo lytys plaukioja vandens paviršiumi. Jeigu ledas nesiplėstų, upės ir ežerai šaltų nuo dugno, o tai reikštų mirties nuosprendį daugybei vandens gyvybės rūšių.

Neįprastai mažą vandens ledo tankį lemia faktas, kad vandens molekulėms reikalinga šiluminė energija tam, kad jos išlaikytų atsitiktinį skysto vandens išsidėstymą. Temperatūrai mažėjant molekulės pradeda rikiuotis į tvarkingas gardeles. Tačiau tvarkingose gardelėse atstumas tarp molekulių išauga. Dėl to ledo tankis yra yra maždaug 9 procentais mažesnis nei skysto vandens.

Patarle, kad nėra dviejų vienodų snaigių sunku patikėti – juk jų kiekis, kiekvieną žiemą nukrentantis ant žemės, yra neįtikėtinai didelis. Tačiau kai pradedi galvoti apie faktą, kad vandens molekulių lede sudaromos struktūros priklauso nuo aplinkos sąlygų – temperatūros, drėgmės ir panašiai. O dar įvertinus tai, kad vidutinėje snaigėje yra apie 10 kvintilijonų (10 su 18 nulių) vandens molekulių, nesunku suprasti, kad molekulių išsidėstymo kombinacijų kiekis yra neįsivaizduojamai didelis.

Nesibaigiantis ciklas

Taip pat vanduo yra neįtikėtinai dinamiškas junginys, nepaliaujamai judantis po visą planetą garavimo, kondensavimosi, kritulių ir nutekėjimo į ežerus bei jūras cikle. Tą patį galima pasakyti ir apie gyvuosius organizmus: juose vandenilis ir deguonis – vandenį sudarantys elementai – yra nuolat sujungiami ir skaidomi vykstant fotosintezės ir kvėpavimo procesams.

Ir nors niekas, kas Žemėje yra gyva, negalėtų egzistuoti be vandens, reikėtų atkreipti dėmesį į tai, kad mes taip pat gaminame vandenį. Štai, kiekvieną kartą skaidydami gliukozės (pagrindinio cheminės energijos šaltinio) molekulę gauname net 6 molekules vandens. Žmogaus kūne ši operacija vyksta maždaug šešis septilijonus (6 su 24 nuliais) kartų per parą. Tačiau to nė iš tolo nepakanka, kad prisigamintume gyvybės palaikymui reikalingą vandens kiekį.

Visą planetoje esantį vandenį surinkus į vieną milžinišką sferą, jos skersmuo būtų arti 1400 kilometrų. Bet iš jo tik 3 proc. yra gėlas vanduo – visas likęs yra sūrus jūrų ir vandenynų vanduo. O net 70 proc. iš viso gėlo vandens yra ašigalių ledynų ir kalnų ledo kepurių pavidalu.

Kitaip tariant, tik mažutė dalis viso Žemės vandens yra prieinama žmonėms naudoti, o dėl sausrų ši dalis vis dar mažėja. Mokslininkai netgi prognozuoja, kad ganėtinai netolimoje ateityje gėlas vanduo taps netgi už naftą brangesne preke. Kas Lietuvai yra ir gera, ir bloga naujiena – viena vertus, po mūsų valstybe plyti milžiniški gėlo vandens ištekliai. Kita vertus, tų išteklių norės ir kitos, nebūtinai draugiškos ir kaimynų interesų paisančios valstybės, todėl tikėtini ir konfliktai dėl vandens.

Albertui Einsteinui klaidingai priskiriamas posakis, kad gyventi galima dviem skirtingais būdais: manant, kad gyvenime nėra nieko stebuklingo ir manant, kad viskas gyvenime yra stebuklas. Vanduo mums yra visiškai įprastas dalykas, kuriame mirksta kiekviena mūsų kūno ląstelė, tačiau fizikams ir chemikams, kurie, atrodytų, gali paaiškinti viską pasaulyje, vanduo yra vienas didžiausių stebuklų.

Reklama: vyriški chalatai