Vand, vand og atter vand
Hvad er det, der er så interessant ved vand, og hvorfor bliver vi ved med at undersøge vand og fortælle historier om det?

Vand findes i tre velkendte tilstandsformer: gas, væske og fast form, eller bedre kendt som vanddamp, flydende vand og is. Vi kan rimeligt præcist beskrive egenskaberne ved både damp og is, men den præcise beskrivelse af flydende vand er stadig en
meget stor udfordring.

 

Det gør vi først og fremmest, fordi vand er det molekyle, der er den afgørende forudsætning for, at vi er til. Men det skyldes også, at vi stadig ikke helt forstår de molekylære mekanismer, der er afgørende for vands fysiske, kemiske og biologiske funktioner.

Selvom vand, H2O, er et af de mindste molekyler, der findes, er det uden tvivl det vigtigste molekyle i hele universet – i hvert fald for mennesket. 

Indtil videre kender vi kun til biologisk liv på Jorden, og den type liv, som vi kender, er totalt afhængig af vand. Vand er selve livets molekyle: uden vand, intet liv.

Så i vores (selv)optagethed af, hvem vi er, og hvorfor vi er så unikke, spiller vandet en afgørende rolle. Man kan sige, at biologisk liv i den form, vi kender det, er fuldstændigt tilpasset til de helt usædvanlige egenskaber, som vand besidder. Lad os tage et par eksempler.

Livets molekyle

Når vand fryser til is, udvider det sig, og isen får derved en lavere tæthed (densitet) end flydende vand. Det giver anledning til det velkendte fænomen, at is flyder i vand. Det er børnelærdom, at kun 10 % af isbjerget rager op over vandet, det vil sige 90 % af isbjerget er gemt under havoverfladen. Det svarer nøje til, at densiteten af is er cirka 10 % lavere end densiteten af flydende vand.

Man mener, at de første primitive livsformer dannedes i vand, og her har isen spillet en central rolle ved at beskytte og isolere de tidligere livs- former mod ekstrem kulde. Når en vandpyt eller en sø fryser til is, sker det ovenfra, og der dannes et låg af is, som meget effektivt isolerer de nedre dele af søen mod at fryse til is.

Så selvom temperaturen er meget lav, kan mange vandpytter faktisk overleve en kold vinternat uden at bundfryse. Dermed mind- skes risikoen for, at primitive organismer lider frysedøden.

Når temperaturen falder, fryser vand til is

Alle andre væsker fryser nedefra og bund- fryser således meget lettere. Og når saltvand fryser, så presses saltet ud af vandet. Finder man et isbjerg i Arktis og sutter på det, vil det smage ferskt – ikke salt.

Det betyder omvendt, at koncentrationen af salt i havene omkring isbjergene er høj. Da saltvand har en meget højere densitet end ferskvand, synker det kolde salte vand mod bunden, og vi har sat gang i den strømning, som vi kalder for Golfstrømmen.

Det er Golfstrømmen, der sikrer, at vi har tålelige temperaturer i vores del af verden. Eksempelvis kan man drive landbrug langs Norges vestkyst, hvorimod der i Canada på tilsvarende breddegrader er meget koldere. 

Den landbrugsjord, som afgrøderne vokser i, stammer fra klipper og sten, der nedbrydes af vand. Vandmolekylerne er meget små og trænger nemt ind i klippestykkerne, og på grund af overflade- spændingen trækkes flere molekyler med.

Når temperaturen falder, fryser vandet til is og udvides, hvorved klippestykkerne sprænges i stadigt mindre stykker, der opblandes med organisk materiale og danner lands- brugsjorden.

Vand og varme

Overfladespændingen skyldes de såkaldte hydrogenbindinger, som vi skal beskæftige os en del med i denne artikel.

Hydrogenbindinger er svage bindinger, der virker mellem vandmolekylerne, og de er ansvarlige for de meget usædvanlige egenskaber, som vand besidder. Eksempelvis har vand en meget høj varmekapacitet. Det koster således meget energi at opvarme vand eller sagt på en anden måde: Varmt vand indeholder meget energi.

Et lille eksperiment kan overbevise om rigtigheden af dette udsagn: Man tager et glas vand og et glas med olivenolie og varmer begge væsker op til 55 grader. Derefter finder man en mere eller mindre frivillig forsøgsperson og hælder den varme olie på vedkommendes venstre underarm og det varme vand på vedkommendes højre underarm.

Fakta

Denne artikel stammer fra bogen '25 søforklaringer - Naturvidenskabelige fortællinger fra Søauditorierne'. Bogen bringes i samarbejde med Aarhus Universitetsforlag. Køb bogen her. I løbet af efteråret er det muligt at deltage i flere fordrag, der blandt andet omhandler emner omtalt i bogen. Foredragene bliver holdt i Aarhus, Herning, Horsens og Vejle

Reaktionen er meget forskellig. Olien giver en lun og behagelig fornemmelse af varme, mens vandet giver anledning til en smertelig oplevelse. Forskellen i oplevelse skyldes netop forskellen i varmekapacitet: Selvom de to væsker har samme temperatur, indeholder vandet mere energi.

Vand er fantastisk til at sikre konstante temperaturer

Den store varmekapacitet betyder også, at vand er fantastisk til at sikre konstante temperaturer. Mennesker befinder sig bedst med en kropstemperatur på 37 grader. Bare nogle få tiendedele højere temperatur, og mange mænd må holde sengen i flere dage!

Når vand fordamper, skal alle hydrogenbindingerne brydes, og det kræver en masse energi. Stiger vores kropstemperatur, begynder vi derfor at svede, og når sveden fordamper fra kroppens overflade, transporteres store mængder af energi væk og sikrer mod overophedning.

Det er også varmekapaciteten, der ligger bag de klassiske klimabegreber: fastlandsklima og kystklima.

Der er forskel på Bornholm og Herning

Måler man temperaturen på Bornholm, vil udsvingene mellem de højeste og laveste temperaturer være lavere end eksempelvis i Herning. På Bornholm vil den omgivende Østersø være med til at stabilisere temperaturen, mens Herning, der ligger midt i landet, har større udsving i temperaturen.

I lille skala betyder det, at Herning har fastlandsklima, mens Bornholm har kystklima. Alt sammen på grund af de svage hydrogenbindinger, der findes mellem de enkelte vandmolekyler.

Sådan kan jeg blive ved med at give eksempler på vands særlige egenskaber og den helt afgørende betydning, vand har for vores eksistens. Men, og her kommer en indrømmelse, når vand stadig er et varmt og aktuelt emne blandt forskere, skyldes det ikke kun vandets betydning for livet i almindelighed og os mennesker i særdeleshed.

Årsagen er snarere, at der stadig er egenskaber ved vand, som vi ikke forstår og ikke kan beskrive. Det er med andre ord forundringen og udfordringen, der er den største drivkraft for forskeren. I tilfældet vand kan vi jo så samtidig glæde os over, at emnet også har kolossal betydning.

Tiltrækkende naboer

Og hvad er det så egentlig, der er så svært med vand, og hvorfor har vi ikke for længst forstået alle de molekylære mekanismer, der får vand til at være så betydningsfuldt?  Som tidligere nævnt er det hydrogenbindingerne mellem de enkelte vandmolekyler, der er udfordringen.

Tager man et enkelt vandmolekyle, består det af et oxygenatom (O), der sidder bundet til to hydrogenatomer (H), hvilket giver den velkendte kemiske formel for vand: H2O. Den kemiske binding mellem oxygen og hydrogen er meget stærk.

En kemiker måler bindingsstyrken i enheden kilojoule per mol, hvor 1 mol svarer til cirka 6×1021 vandmolekyler. Målt i denne enhed har O-H bindingen en styrke på 463 kJ/mol, og det er en meget stærk kemisk binding.

Vandmolekylet er således meget stabilt, og det er meget svært at splitte vand til oxygen og hydrogen. En stærk kemisk binding opstår, når negativt ladede elektroner danner par mellem atomerne. Oxygen har i alt otte elektroner, og hydrogen har én elektron.

Vandmolekyler er polariserede

O-H bindingen etableres, når elektronen fra hydrogen danner par med en af elektronerne i Oxygen. I vand er der to hydrogenatomer, og derfor kan man sige, at der efter dannelsen af vand er i alt seks elektroner i overskud. To af disse sidder så dybt inde i oxygenatomet, at de ikke spiller nogen rolle for vandmolekylet, og der er således kun fire elektroner i overskud.

Man kan forestille sig, at disse fire elektroner danner to elektronpar, der sidder på 'bagsiden' af vandmolekylet. På den ene side af vandmolekylet sidder der således to hydrogenatomer, som har afleveret deres negativt ladede elektroner til O-H bindingerne.

Hydrogenatomerne i vand er således positivt ladede. Da der sidder to negativt ladede elektronpar på den modsatte side, er vandmolekylet med andre ord ladningspolariseret: Den ene side af vandmolekylet er fortrinsvis negativt ladet, mens den modsatte side er positivt ladet.

Bindinger mellem vandmolekyler er hydrogenbindinger

Figuren illustrerer strukturen af et enkelt vandmolekyle. Det centrale oxygenatom (rødt) er bundet til to hydrogenatomer med stærke kemiske bindinger. Hver af disse bindinger består af en elektron fra hydrogen og en elektron fra oxygen, der sammen danner et elektronpar, som er vist med hvid farve. De resterende elektroner i oxygen kan danne to 'ledige' elektronpar, der sidder på den anden side af oxygenatomet. De fire elektronpar stritter således ud i alle fire verdenshjørner og bruges til at lave hydrogenbindinger til andre vandmolekyler.

Når vi bringer flere vandmolekyler sammen, har den negative ende af vandmolekylerne en tendens til gerne at ville binde sig til den positive ende af deres nabo-vandmolekyler. Derved opstår der altså bindinger mellem vandmolekylerne, og det er dem, vi kalder hydrogenbindinger.

En hydrogenbinding er altså med andre ord blot to nabo-molekyler, der foretrækker en særlig indbyrdes orientering, hvor positiv og negativ ladning er over for hinanden.

I forhold til den 'rigtige' kemiske binding mellem oxygen- og hydrogenatomerne er hydrogenbindingerne langt svagere, omkring 20 kJ/mol. Når vand er cirka 20 grader, betyder det, at hydrogenbindingerne hele tiden brydes og dannes, og vi har vandet i dets flydende form.

 

Temperaturstigninger giver molekylerne fart på

Øger vi temperaturen, betyder den øgede varme, at molekylerne får så meget fart på, at hydrogenbindingerne ikke længere kan holde sammen på vandet, som fordamper.

Vælger vi omvendt at sænke temperaturen til under frysepunktet, er der ikke længere varme nok til hele tiden at bryde hydrogenbindingerne, og de bliver til stabile bindinger, og vandet fryser til is. Det er en hårfin balance.

Når temperaturen falder fra 20 grader til 0 grader, svarer det faktisk til en ændring i varmeenergien på kun 8 %. Alligevel har det helt afgørende betydning for, om vandmolekylerne er på flydende form eller på fast form (is). Netop denne hårfine balance mellem hydrogenbindinger, der brydes og dannes, er den første udfordring i forståelsen af flydende vand. 

 

Vand er i konstant forandring

Næste udfordring er at forstå de karakteristiske geometriske egenskaber ved hydrogenbindingerne. Som nævnt ovenfor forudsætter hydrogenbindingerne en særlig indbyrdes orientering af vandmolekylerne.

I en samling af vandmolekyler, hvor alle vandmolekylerne danner perfekte hydrogenbindinger til deres naboer, vil hvert vandmolekyle være bundet til netop fire nabo-vandmolekyler (se figur). Og så har vi is.

Man kan bruge en firkantet kasse til at illustrere dette. Placerer vi et vandmolekyle i kassens centrum, kan vi vælge at lade de to (positivt ladede) hydrogenatomer pege opad i retning af kassens låg og to af de hjørner, der sidder i låget.

De negativt ladede elektronpar vil således pege nedad i retning af kassens bund, og de vil samtidig være drejet 90 grader, så de er under de positioner i låget, hvor der ikke sidder et hydrogenatom. Når vandmolekylerne mødes, binder de hjørner, hvor der er hydrogenatomer, til de hjørner, hvor der er elektronpar. Samtidig skal kasserne være orienteret, så der går en lige linje fra det ene oxygenatom til det næste.

Samler vi en masse vandmolekyler og lader dem danne perfekte hydrogenbindinger, hvor hvert vandmolekyle har fire korrekt orienterede naboer, har vi lavet is. De smukke isblomster, der kan opstå, når vand fryser til is, opstår netop på grund af de særlige krav, der er til vandmolekylernes ind- byrdes orientering.

 

Geometrien er afgørende for effekten

Ud over hydrogenbindingernes styrke, der betyder, at de hele tiden brydes og dannes ved stuetemperatur, og den særlige orientering, vandmolekylerne skal have for at danne bindingerne, er der en sidste egenskab, man skal have med for at (prøve at) forstå vands egenskaber. Hydrogenbindingerne er nemlig kooperative.

Vandmolekylerne er nemlig særligt socialt anlagt og så snart et vandmolekyle har lavet en hydrogenbinding, øges sandsynligheden for, at den næste binding også kan dannes. Det er geometrien, der er afgørende for denne særlige effekt: Når en hydrogenbinding er dannet, kommer molekylerne til at vende rigtigt, hvilket gør det nemmere at etablere den næste binding.

Hvis vi forestiller os, at vi har et superkamera, der kan tage billeder af de enkelte molekyler i vand – dvs. fastfryse (!) bevægelsen af væsken – så vi kan se præcis, hvor hvert enkelt vandmolekyle befinder sig, så venter der nogle overraskelser: Store områder af væsken vil faktisk ligne is, dvs. vandmolekylerne sidder perfekt bundet, så hvert molekyle har præcis fire naboer.

Disse områder strækker sig over flere hundrede vandmolekyler. Andre områder er næsten perfekte, og her har vandmolekylerne to eller tre naboer, der sidder perfekt, og endelig er der områder, hvor der er ingen eller kun en hydrogenbinding.

 

Vand er en blanding af to komponenter

I et moderne forskningslaboratorium anvendes lasere til en lang række undersøgelser. Udover de forsøg, der beskrives i teksten, kan lasere også bruges til at holde og flytte små mikroskopiske partikler. I den viste opstilling kan man holde celler ved hjælp af laserlys og undersøge cellemembranernes styrke.

I disse områder er afstanden mellem vandmolekylerne faktisk mindre end i de perfekt bundne områder. Når vandmolekylerne ikke har den rigtige indbyrdes orientering og således ikke kan lave hydrogenbindinger, kan de faktisk sidde tættere sammen.

Så det billede af væsken, som superkameraet giver, viser, at vand består af en blanding af to komponenter. Den ene komponent er en næsten perfekt iskrystal, hvor alle vandmolekylerne sidder bundet til hinanden med hydrogenbindinger, og den anden komponent består af vandmolekyler, der stort set ikke har hydrogenbindinger til nabomolekylerne.

Disse enten vender forkert eller har for meget fart på og kan derfor som beskrevet ovenfor sidde tættere på hinanden. Af samme grund kalder vi ofte denne komponent for HDL (High density liquid), mens komponenten, der er perfekt hydrogenbundet, kaldes for LDL (Low density liquid).

 

Vandets struktur ændrer sig hurtigt

Det lyder jo besnærende simpelt blot at kunne betragte vand som en blanding af to komponenter, HDL og LDL, hver med sine rimeligt velforståede egenskaber. Men så simpelt er det ikke! For vælger vi at tage et nyt billede med vores superkamera, blot et næsten uendeligt kort øjeblik efter det første billede, ser vandet helt anderledes ud. Nu er de vandmolekyler, der før var en del af LDL-vandet pludselig blevet til HDL-vand og omvendt.

Vand er med andre ord meget dynamisk, og strukturerne ændrer sig utroligt hurtigt. Tidsskalaen for disse dynamiske ændringer er 1 picosekund, hvor et picosekund svarer til 10-12 sekund, altså en tusindedel af en milliarddel af et sekund. Sagt på en anden måde vil hvert enkelt vandmolekyle i løbet af et sekund opleve, at dets hydrogenbindinger brydes og dannes cirka 1.000 milliarder gange.

Så udfordringen i beskrivelsen af vands egenskaber er ganske simpelt, at vand på grund af hydrogenbindingerne har nogle ganske særlige strukturer, og at disse strukturer hele tiden dannes og udviskes. Selvom vi endnu ikke har et superkamera, der kan bruges til at følge det enkelte mole- kyles bevægelse, har vi noget, der næsten kan det samme: femtosekundlaseren.

 

Femtosekundlaseren – en slags superkamera

Femtosekundlasere er nok en af de seneste årtiers teknologiske frembringelser, der har haft størst betydning for vores forståelse af den atomare og molekylære verden. Femtosekundlaseren udsender ultrakorte lyspulser med en varighed på ned til fem femtosekunder.

Et femtosekund er 10-15 sekunder og svarer altså til en tusindedel picosekund. Femtosekundlaseren bruges i dag inden for alle grene af fysik, kemi og molekylærbiologi – både som kraftig lyskilde i mikroskoper og til at følge molekylernes bevægelser.

Femtosekundlaseren findes også i vores dagligdag. Når vi henter informationer fra nettet eller fører samtaler ved hjælp af mobiltelefon, foregår dette ofte ved hjælp af lyspulser fra en femtosekundlaser. I den medicinske verden bruges femtosekundlaseren blandt andet til at fjerne tatoveringer eller til øjenkirurgi, der betyder, at man i en årrække kan undgå at bære briller.

 

Man kan ikke lave billeder af enkelte molekyler

Desværre kan man ikke med femtosekundlaseren lave billeder af de enkelte molekyler, så vi har endnu ikke helt adgang til det superkamera, jeg tidligere efterlyste. Kunne man kombinere femtosekundlaseren med det såkaldte STM-mikroskop, der faktisk kan se enkelte atomer og molekyler (når de ligger næsten helt stille!), ville man være nået et skridt tættere på superkameraet.

Groft sagt kan man altså eksperimentelt studere enten dynamik eller struktur, men det er endnu for svært at gøre det samtidig. Heldigvis hænger de to ting sammen, så når man studerer vandets dynamik med femtosekundlaseren, får man også en masse information om strukturen.

I det følgende kigger jeg på, hvordan man rent faktisk kan bruge femtosekundlaseren til at studere vand, og jeg ser specifikt på, hvordan salte opfører sig i vand.

 

Sig bøh til molekylerne

En af de helt centrale egenskaber ved vand er dets evne til at opløse salte. Som tidligere nævnt har det betydning for, hvordan enorme mængder af energi og næringsstoffer transporteres rundt på kloden, og det har også betydning for, hvordan vand fungerer i biologisk sammenhæng.

Almindeligt køkkensalt, natriumklorid (NaCl), opløses ganske nemt i vand. Når et saltkorn opløses i vand, brydes bindingen mellem natrium og klorid, og der dannes en positivt ladet (Na+) og en negativt ladet (Cl-) ion. Derefter – meget hurtigt – vil vandmolekylerne arrangere sig rundt om de to ioner og stabilisere dem.

Det kræver energi at spalte natriumkloridmolekylet, men der vindes også energi, når de to ioner stabiliseres i vandet. Det samlede regnskab viser, at der vindes mere energi ved stabiliseringen, end der bruges til spaltningen. Hvis man omhyggeligt måler temperaturen, vil man derfor iagttage, at den stiger en smule, når vi opløser salt i vand.

 

Femtosekundlaseren kan anslå molekylernes vibrationer

En femtosekund 'pumpe-probe' opstilling. Fra femtosekundlaseren udgår en kraftig lyspuls, som ved hjælp af en 'stråledeler' laves til en pumpe-puls og en probe-puls. Pumpe-pulsen fokuseres på den vandprøve, vi ønsker at undersøge, og skaber derved en ønsket kemisk forandring. Det kan være en reaktion, der sættes i gang, eller blot en ændring af molekylernes retning.

Probe-pulsen, som både kan have en anden farve og polarisation, sendes gennem en forsinker, der består af to spejle monteret på en slæde, der kan flyttes meget nøjagtigt. Da lyset ifølge Einstein har en endelig hastighed, betyder det, at vores probe-pulser ankommer forsinket til prøven og derfor måler, hvad der er sket i prøven, efter at pumpe-pulsen har lavet ravage. For hver mikrometer, vi flytter slæden, forsinkes probe-pulsen med 6,6 femtosekunder! Ved gradvist at forsinke proben mere og mere kan vi således opbygge et billede af, hvad der sker i vores prøve på ultrahurtig tidsskala.

Lad os som eksempel se på, hvordan man bruger femtosekundlaseren til at undersøge, hvordan vandmolekylerne orienterer sig omkring den negative kloridion. Der anvendes altid to femtosekundpulser, når man skal studere hurtige molekylære bevægelser: Den første – kaldet pumpepulsen – laver en forstyrrelse i vandmolekylerne.

Den kan eksempelvis anslå vandmolekylernes vibrationer, den kan ændre på deres orientering, eller den kan anslå elektronerne og bringe dem i en højere energitilstand. Den næste – probepulsen – forsinkes ganske lidt i forhold til pumpepulsen og anvendes til at måle, i hvor høj grand grad forstyrrelsen fra pumpepulsen stadig er til stede blandt vandmolekylerne.

Et eksperiment med femtosekundlaseren består derefter i blot at øge tidsforsinkelsen mellem pumpe-  og probepulsen for derigennem at måle, hvor længe forstyrrelsen er til stede i vandet.

 

Vandmolekylerne har faktisk en kortvarig erindring

Hvis pumpepulsen eksempelvis ændrer på molekylernes orientering, måler probepulsen med andre ord, hvor hurtigt de enkelte vandmolekyler reorienteres. Ændrer pumpepulsen på et vandmolekyles vibration, vil probepulsen måle, hvor lang tid (snarere kort tid) det tager, inden vibrationsenergien er fordelt over alle vandmolekylerne.

Princippet bag pumpe-probe teknikken er lidt kryptisk, men man kan populært sige, at vi først begynder med at sige bøh til molekylerne, og så venter vi et lille stykke tid, før vi spørger dem, om de stadig er forskræk- kede! Spørger vi igen og igen – med stigende forsinkelse – får vi således et billede af, hvor længe – eller rettere hvor kort tid – molekylerne husker forskrækkelsen.

Jeg har lært at være varsom med at bruge udtrykket husker, idet nogle mennesker med interesse for alternativ behandling med såkaldt homøopati mener at vide, at vand har hukommelse, og at det kan huske, hvad det tidligere har været udsat for (hvilket jeg vender tilbage til sidt i artiklen).

Vandmolekylerne har faktisk en kortvarig erindring om de forskrækkelser, vi har udsat dem for, men varigheden af denne hukommelse er kun nogle ganske få picosekunder. 1 picosekund er en tusindedel af en milliarddel af et sekund, så her kan man for alvor tale om korttidshukommelse. Jeg bringer emnet op lidt senere, men koncentrerer mig foreløbig om den negative kloridion i vand.

 

Vandmolekyler danner en skal omkring ioner

Vandmolekylerne kan som nævnt absorbere lys, og især infrarødt lys absorberes effektivt af vand. Lysets bølgelænge, eller lysets frekvens, bestemmer, hvilke bevægelser i molekylet der påvirkes, når lyset absorberes.

I det ultraviolette område af spektret er det elektronerne i vandmolekylerne, der påvirkes, og i det infrarøde område er det molekylets vibrationer, der påvirkes. Bindingen mellem oxygen og hydrogen i vandmolekylet, O-H bindingen, svinger eksempelvis ved en ganske bestemt frekvens, og når lyset har den rette bølgelængde, svinger lyset med samme frekvens som molekylerne, og lyset absorberes meget effektivt.

Vibrationsfrekvensen for O-H bindingen afhænger nøje af, om det givne vandmolekyle har en hydrogenbinding, eller om det er frit. Den frie O-H binding svinger ved en lidt højere frekvens, og den hydrogenbundne O-H binding svinger ved en noget lavere frekvens.

Der er ydermere forskel på, om O-H bindingen er bundet til et andet vandmolekyle med en hydrogenbinding, eller om den er bundet til kloridionen. Er vandmolekylet bundet til kloridionen, svinger den ved lavere frekvens, end hvis den er bundet til et andet vandmolekyle.

 

Vi kan bestemme hvilke molekyler vi siger bøh til

Det betyder, at vi ved nøje at afstemme bølgelængden af vores pumpepuls, præcist kan bestemme, hvilke vandmolekyler vi vil sige bøh til!

En lidt højere frekvens vælger de vandmolekyler, der ikke er hydrogenbundne, en lav frekvens udvælger de molekyler, der sidder bundet til kloridionen, og en frekvens midt imellem udvælger kun de molekyler, der er bundet til andre vandmolekyler med hydrogenbindinger.

Samtidig kan vi også afstemme bølgelængden af vore probepulser, så vi derigennem kan opbygge et meget detaljeret billede af, hvad der sker. De vandmolekyler, der er nærmest ved kloridionen, danner en slags skal omkring ionen.

 

Kloridionen giver kun lokale konsekvenser

Der er cirka 6-8 vandmolekyler i denne skal, og de sidder bundet til kloridionen med en hydrogenbinding, der er stærkere end den, der er mellem de enkelte vandmolekyler. De enkelte vandmolekyler sidder længe omkring kloridionen, inden de udskiftes af nye vandmolekyler, så skallen omkring ionen er relativt stabil.

Reorienteringstiden for hydroxidioner som funktion af temperatur. Ved høje temperaturer reorienterer ionerne lige så hurtigt som vand, men så snart vi køler opløsningen ned under 15 grader, så reorienterer ionerne pludseligt meget langsommere end vandmolekylerne. Der sker det, at ionerne laver meget stærke hydrogenbindinger til vandmolekylerne. Udover at bremse reorienteringen betyder det også, at vandmolekylerne ikke længere kan indgå i det netværk af vandmolekyler, der laver iskrystaller.

Så snart man bevæger sig blot nogle få molekyler væk fra skallen, opfører vandmolekylerne sig, som om de var i fuldstændigt rent vand.

Med andre ord har tilstedeværelsen af kloridionen kun lokale konsekvenser. Der forekommer ikke globale forandringer i vandets egenskaber ved at komme kloridioner – eller for den sags skyld alle andre typer af molekyler – ned i det.

 

Store molekyler har sværere ved at bevæge sig

Hvis man for eksempel putter en stor mængde magnesiumklorid i vand, kan man få det til at blive tyktflydende, hvilket har fået forskere til at tro, at man ændrede på egenskaberne ved alle vandmolekylerne.

Femtosekundeksperimenterne har vist, at det ikke er korrekt. Der laves igen en relativt stabil skal omkring de enkelte ioner, mens resten af vandmolekylerne forbliver upåvirkede. Når vandet alligevel forekommer tyktflydende, skyldes det, at de skaller af vandmolekyler, der omgiver ionerne, er så store, at de har sværere ved at bevæge sig rundt i vandet.

Så for at gøre en meget lang og meget omfattende historie meget kort har de nye femtosekundeksperimenter vist, at vandmolekylerne kun har en ganske kort hukommelse, at vandmolekylerne meget effektivt kan opløse ioner ved at danne en skal omkring dem, og at der kun findes lokale og meget kortlivede strukturer i vand.

 

Optøning af fortove

En af de mest velkendte effekter af at putte salt i vand er optøning af is. Strør man almindeligt køkkensalt på et isglat fortov, vil isen i løbet af ganske få øjeblikke smelte. Det er egentlig overraskende. Ioner kan nemlig lave særligt stærke hydrogenbindinger, og derfor skulle man tro, at saltet ville være med til at styrke dannelsen af is i stedet for at smelte det. Forklaringen finder vi i hydrogenbindingernes kooperative egenskaber.

I Femtolab på Aarhus Universitet har vi studeret blandinger af vand og natriumhydroxid (NaOH). Af tekniske grunde valgte vi at bruge natriumhydroxid i stedet for natriumklorid (køkkensalt), men vi forventer, at konklusionerne ville have været de samme, hvis vi havde valgt køkkensalt.

I de aktuelle eksperimenter brugte vi pumpe-probe teknikken til at måle, hvor hurtigt hydroxidioner reorienterer i vand, og vi målte reorienteringstiden ved forskellige temperaturer.

 

Reorienteringstiden er knyttet til hydrogenbindingerne

Reorienteringstiden er meget tæt knyttet til antallet og styrken af hydrogenbindingerne: Når hydroxidionen har mange hydrogenbindinger, er det vanskeligt at dreje molekylet, og reorienteringstiden bliver lang. Når der omvendt er ganske få hydrogenbindinger, kan molekylet frit rotere, og det kommer hurtigt på plads igen.

Ved at måle reorienteringstiden ved forskellige temperaturer kan man også måle præcis, hvor meget energi der kræves for, at molekylet drejer. Ved cirka 25 grader celsius målte vi en reorienteringstid på 1,7 picosecond og en energi på 20 kJ/mol. Denne energi svarer nogenlunde til, hvad der kræves for at bryde to hydrogenbindinger.

Når vi sænkede temperaturen til under 15 grader, blev reorienteringstiden pludselig meget længere, omkring 8 picosekunder, og den energi, der kræves for at rotere molekylet, blev næsten tre gange så stor. Det tager vi – og mange andre forskere – som udtryk for, at den vandskal, der dannes omkring hydroxidionen, bliver så stabil, at når molekylet roterer, følger hele skallen med.

 

Energien er lavere på grund af den kooperative effekt

Vi skal med andre ord ikke blot betragte rotationen af hydroxidionen, men af ionen og de 6-8 vandmolekyler, der sidder i skallen. Derfor stiger reorienteringstiden drastisk, når hele skallen skal rotere med.

Men pudsigt nok er energien ikke nær så stor som forventet: De 6-8 vandmolekyler i skallen forventes hver at kunne lave en eller to hydrogenbindinger til det næste lag af vandmolekyler, hvilket giver en samlet energi, der er mange gange større end de 20 kJ/mol, vi observerede ved højere temperaturer.

Energien er lavere på grund af den kooperative effekt: Godt nok sidder 6-8 vandmolekyler meget stærkt hydrogenbundet til ionen, men de sidder forkert, så det næste lag af vandmolekyler har sværere ved at lave hydrogenbindinger til skallen.

Ionerne ødelægger altså den kooperative effekt, som betyder, at en hydrogenbinding mellem to vandmolekyler øger chancen for, at disse molekyler binder til andre vandmolekyler. Det kræver derfor mindre energi at rotere skallen, da den ikke er særligt godt bundet til de øvrige vandmolekyler.

Iskrystaller opstår, når vandmolekylerne sætter sig i præcise formationer i forhold til hinanden, hvorved der dannes et smukt og regelmæssigt mønster. Det er vist på figuren øverst, hvor de små kasser hver især repræsenterer et vandmolekyle eller i princippet et hvilket som helst andet molekyle, der er krystalliseret. Når vi tilsætter salt til iskrystallen, dannes der en lokal forstyrrelse omkring saltet. Er denne struktur stærk nok, vil den også ødelægge mulighederne for at danne iskrystaller i et stort område af krystallen, og isen begynder således at smelte, som antydet på figuren nederst.

Det er det samme, der sker på fortovet, når vi strør salt: Ionerne laver meget stærke hydrogenbindinger til de nærmeste vandmolekyler, og det hæmmer den kooperative effekt, og iskrystallerne smelter.

 

Fup og svindel med vand

Som nævnt i indledningen er denne artikel baseret på de foredrag om vand, som jeg har holdt i de seneste snart ti år. Et godt eksempel på den fascinationskraft, vand stadig besidder, er de utallige spørgsmål, som jeg er blevet stillet efter foredragene, og de mange gode samtaler om vand, som spørgsmålene og svarene har givet anledning til.

Et gennemgående spørgsmål har altid været spørgsmålet om vandets magiske evner og især spørgsmålet: Har vand hukommelse? Inden for den alternative medicin spiller homøopati en central rolle. Homøopater hævder, at vand kan huske.

Ideen er, kort fortalt, at placerer man et virksomt stof i vand, vil vandmolekylerne som beskrevet arrangere sig rundt om det virksomme stof i et bestemt mønster. Fjernes stoffet derefter, vil vandmolekylerne fastholde deres placering, dvs. skallen er intakt, selvom stoffet er væk.

Behandler man derefter folk med dette vand, vil det være virksomt mod sygdomme, da vandmolekylerne er arrangeret, som om stoffet stadig er der, men det vil være uden bivirkninger, da man jo har fjernet det virksomme stof.

 

Det ypperste ved naturvidenskab er observation

Tilsvarende hukommelseseffekter er postuleret omkring magnetiseret vand og vitaliseret informationsvand med særlige energier, det såkaldte Grandervand. Jeg har altid delt mit svar på disse spørgsmål i to dele: Først og fremmest skal man huske, at det ypperste ved naturvidenskab er observationen. At flere personer uafhængigt af hinanden under velbeskrevne og reproducerbare forhold kan observere et fænomen, gør det til en del af vores virkelighed.

Det er fuldstændigt ligegyldigt, om fænomenet er i modstrid med alle herskende teorier og verdensopfattelser, hvis vi reproducerbart kan observere det: Så er det der! Det er mit første – og alvorligste – problem med homøopati og Grandervand: Det er simpelthen ikke muligt med blindforsøg og tests at eftervise de påståede effekter på en reproducerbar måde.

Den anden del af svaret baserer sig på, hvad vi i dag ved om vandmolekylerne – nemlig at deres hukommelse er utroligt kort, og at alle strukturer i vand skabt af ioner eller magnetiske felter derfor udviskes i løbet af ganske få picosekunder. Og det er ikke foreneligt med påstandene vedrørende homøopati og Grandervand.

Denne del af svaret – at det er i modstrid med teorier og modeller – er naturligvis lidt svagere, da de jo principielt set kan være forkerte.

 

Homøopati og Grandervand er 'fup og svindel'

I forbindelse med en debat i Ugebladet Ingeniøren brugte jeg i sin tid udtrykket 'fup og svindel' om de mange påstande om vands mirakuløse egenskaber. Baggrunden for at bruge den slags stærke udtryk er den fine skelnen, der bør være mellem tro og viden.

I Matthæus-evangeliet, kapitel 14, 22-34 er det beskrevet, hvordan Jesus kommer gående på det oprørte vand og møder sine disciple i en båd. Han kalder apostlen Peter til sig, og Peter kan faktisk også gå på vandet – i hvert fald indtil han begynder at tvivle, så synker han.

Det er således en trossag, hvorvidt man kan gå på vandet, og det finder jeg ingen anledning til at anfægte. Problemet er, når videnskabelige – eller rettere pseudovidenskabelige – argumenter bruges til at underbygge påstandene. Havde kapitel 14 i Matthæus-evangeliet efterfølgende haft et afsnit, hvor man ud fra vands overfladespænding og Jesus' skostørrelse havde argumenteret for det plausible i at gå på vandet, ville jeg igen have råbt 'fup og svindel'.

Så ville det overskride grænsen mellem tro og viden, og det ville således være i modstrid med vores virkelighed baseret på efterviselige og reproducerbare observationer og de tilhørende modeller og teorier.

Så jeg kaldte og vil forsat kalde homøopati og Grandervand for 'fup og svindel', fordi fortalerne for disse metoder netop bruger pseudovidenskabelige argumenter til at forklare effekter – som for øvrigt ikke er der!
 

Seneste ForskerZonen