Voda: Ali nisu dvije varijante?

Nova rendgenska analiza opovrgava tragove za "dvije tekućine u jednoj"

Da li je voda u tekućem stanju homogena ili se sastoji od dvije miješane strukturne varijante? © McVay, sitox / iStock
čitati naglas

Ali ne dvije faze? Čini se da je tekuća voda homogenija nego što je sugerirano u nekim analizama. Jer tragove za "dvije tekućine u jednoj" istraživači nisu mogli potvrditi u novoj rendgenskoj analizi. Tako, barem na sobnoj temperaturi, čini se da molekule vode formiraju homogenu, iako labavu strukturu s relativno redovito raspodijeljenim vezama. Prava priroda vode je stoga ponovno sporna.

Ma koliko voda bila sveprisutna, molekula H2O ponaša se neobično fizički i kemijski. Može se spontano raspasti zbog takozvane samo-disocijacije, tvoreći više desetaka različitih ledenih oblika i pokazujući anomaliju gustoće - gušća je od tekućine na četiri stupnja nego u kristalnom obliku. U tekućem stanju voda također tvori vrlo složenu mješavinu "molekularnih nakupina" koje u djeliću sekunde mijenjaju svoju strukturu i raspored.

Dvije faze ili kontinuitet?

No, struktura tekuće vode bila je misterija istraživačima više od 100 godina. Wilhelm Conrad Röntgen predložio je da se tekuća voda sastoji od smjese dviju različitih faza. Gušće "nakupine" čvršće vezanih, raspoređenih molekula izmjenjuju se s nevezanim molekulama vode. U stvari, istraživači su otkrili tragove takve dvojne prirode vode u 2017. godini - ali samo na ultrahladnim temperaturama.

Pobuđenje molekule vode s X-zrakama (plava). Emitirana svjetlost (ružičasta) daje informacije o energetskom stanju i vezama molekule. skistila / HZB

"Ali to je u suprotnosti s fizičkom teorijom prema kojoj je takav sustav iznad kritične točke homogen i bez višefaznih oblika", objašnjavaju Johannes Niskanen iz Helmholtz centra Berlin za materijale i energiju i njegovi kolege. Takozvani model kontinuuma pretpostavlja da su molekule H2O lagano i neuredno umrežene putem vodikovih veza i ne tvore dvije faze.

Tetrahedron u labavom rasporedu

Ali koji je model pravi? Da bi dobili više jasnoće, Niskanen i njegov tim još su jednom proučavali uzorke vode koristeći nekoliko različitih rentgenskih spektroskopskih metoda. To im je omogućilo da izvuku zaključke o energetskom stanju i broju i rasporedu vodikovih veza u tekućoj vodi. prikaz

Rezultat: Na sobnoj temperaturi znanstvenici nisu otkrili znakove dvofazne prirode tekuće vode. Umjesto toga, identificirane veze molekula H2O sugerirale su relativno homogenu strukturu: prosječno 1, 74 vodikovih veza po molekuli, gdje kisik djeluje kao donator protona ili akceptor, kako su utvrdili istraživači. Zajedno s kovalentnim vezama unutar molekule H2O, to rezultira u gotovo četiri veze, što omogućava tetraedarski raspored.

"Ne trebaju dvije faze"

"Otkrivamo kako se svi zapaženi parametri rendgenskih zraka mogu u potpunosti i dosljedno objasniti modelima kontinuuma u kojima tekuća voda ima gotovo tetraedarsku koordinaciju na sobnoj temperaturi", kažu znanstvenici. Prema njihovom mišljenju, to sugerira da su dvije faze pronađene u ultrahladnoj vodi odsutne, barem na sobnoj temperaturi. (Zbornik radova Nacionalne akademije znanosti, 2019.; doi: 10.1073 / pnas.1815701116)

Izvor: Helmholtz centar Berlin za Materials and Energy GmbH

- Nadja Podbregar