Przedziwny płyn

Pisanie o zaskakujących własnościach wody to igranie z ogniem lub – żeby użyć bardziej pasującego idiomu – stąpanie po kruchym lodzie, bo w internecie aż roi się od różnych szarlatanów usiłujących wmówić nam, że woda ma „pamięć” lub można ją „ustrukturyzować”.

To, że istnieją różne rodzaje wody, słyszymy więc zwykle z ust różnych mniej lub bardziej szkodliwych specjalistów od wyciągania pieniędzy z kieszeni naiwnych klientów. Wydawałoby się, że naukowcy w XXI wieku powinni o wodzie wiedzieć wszystko i na gruncie poważnej nauki nie powinniśmy się spodziewać żadnych rewelacji. Tymczasem niedawno w czasopiśmie „Nature” pojawiło się doniesienie o tym, że dwa znane izomery wody różnią się radykalnie własnościami chemicznymi. Tego nikt się nie spodziewał.

Woda na dwa sposoby

Izomery to cząsteczki składające się z tej samej liczby poszczególnych pierwiastków, ale różniące się budową. To, że izomery różnią się własnościami chemicznymi, nie jest rewelacją – przykładem może być etanol i eter dwumetylowy, z których jeden to popularny w całym świecie alkohol, a drugi to gaz używany w aerozolach, rozważany też jako alternatywne dla LPG paliwo. Oba związki składają się z dwóch atomów węgla, sześciu atomów wodoru i jednego atomu tlenu, tylko inaczej uporządkowanych.

Pewnym zaskoczeniem może być fakt, że istnieją izomery wody, której cząsteczka, H2O, jest bardzo prosta. Na pierwszy rzut oka nie bardzo jest tu miejsce na jakiekolwiek kombinacje. Izomery wody powstają w inny sposób i związane są z kwantowymi własnościami jąder wodoru. Jedną z takich własności jest spin, do pewnego stopnia analogiczny do znanej z życia codziennego właściwości obracania się wokół własnej osi – choć trzeba zaznaczyć, że cząstki nie są w rzeczywistości małymi bączkami. Ponieważ w cząsteczce wody są dwa atomy wodoru, ich jądra mogą mieć zgodne bądź przeciwne kierunki spinu (równoległe lub przeciwrównoległe), co można sobie w przybliżeniu wyobrazić jako obracanie się w tym samym kierunku lub w kierunku przeciwnym. Tak powstają dwa izomery: orto-woda – dla spinów równoległych – i para-woda (nie mylić z parą wodną) dla spinów przeciwrównoległych.

Do niedawna wydawało się, że rozróżnienie to nie ma wielkiego znaczenia z punktu widzenia reakcji chemicznych, i naukowcy byli przekonani, że oba rodzaje wody reagują z innymi substancjami jednakowo. Tymczasem zespół badaczy z Bazylei pod kierunkiem prof. Stefana Willitscha udowodnił, że dwa rodzaje wody reagują z jonami N2H+ w różnym tempie. Para-woda reaguje o 25 proc. szybciej niż orto-woda. Eksperyment był możliwy dzięki opracowaniu przez profesora Jochena Küppera z Hamburga urządzenia do separowania dwóch rodzajów wody. Urządzenie to wykorzystuje fakt, że para-woda i orto-woda mają odrobinę inne własności magnetyczne, więc mieszaninę tych dwóch rodzajów molekuł można rozdzielić, wykorzystując pole elektryczne.

Z praktycznego punktu widzenia odkrycie to niewiele dla nas oznacza. Woda w temperaturze powyżej 50 kelwinów (czyli od -223 st. Celsjusza wzwyż) zawiera mniej więcej po równo orto- i para-wody, a cząsteczki wody wymieniają się dosyć swobodnie elektronami, tak więc szklanka czystego izomeru w temperaturze pokojowej staje się mieszaniną izomerów po około godzinie. Separator zbudowany przez Küppera jest na tyle skomplikowany, że trudno będzie sprzedawać go jako instalację do domu zapewniającą „cudowną” wodę, jak w przypadku „strukturyzatorów”. Warto więc o tym pamiętać już dziś, ponieważ niewykluczone, że w najbliższych latach jakiś sprytny oszust postanowi podpiąć się pod opisywane tu odkrycie, kusząc „separatorem izomerów wody”, którego cudowne zastosowania medyczne miałyby rzekomo wynikać z artykułu zamieszczonego w prestiżowym czasopiśmie „Nature”. Tak działa wszak pseudomedycyna. Zanim jednak przyjrzymy się niewiarygodnym tezom piewców medycyny alternatywnej, pomówmy chwilę o samej wodzie. A ma ona naprawdę unikatowe własności.

O pożytkach z kry lodowej

Po pierwsze, nie „powinna” być cieczą w temperaturze pokojowej. Inne hydraty (związki wodoru) kuzynów tlenu z tablicy Mendelejewa, czyli siarki, selenu i telluru mają temperatury wrzenia poniżej zera st. Celsjusza. Wyjątkiem jest polon, którego związek H2Po wrze przy 36 st. Celsjusza i topnieje przy minus 35 st. Tymczasem, jak wiemy, woda wrze w stu st. Celsjusza i topnieje w 0 st. Jest to niezwykła sytuacja, ponieważ tego typu „rodziny” związków chemicznych mają zwykle silnie zbliżone do siebie właściwości.

Mało tego – woda jako jedna z niewielu substancji ma tę własność, że od pewnego momentu wraz z ochładzaniem się rozszerza. Zwykle ochładzanie sprawia, że substancje się kurczą, tymczasem woda ma największą gęstość w temperaturze 4 st. Celsjusza, a przy dalszym ochładzaniu jej objętość zaczyna rosnąć. Dzięki temu woda przez wieki kształtowała naszą planetę, cykliczne topnienie i zamarzanie wody jest bowiem w stanie skruszyć nawet najtwardszą skałę (co doskonale widać po każdej zimie na naszych drogach). Mechanizm takiej erozji można łatwo zaobserwować, zostawiając szklaną butelkę z wodą w lodówce lub przed drzwiami domu zimą.

Fakt, że lód ma mniejszą gęstość niż ciekła woda, ma też fundamentalne znaczenie dla życia na Ziemi, ponieważ w temperaturze 4 st. Celsjusza woda jest wciąż ciekła, a za sprawą swojej względnie wysokiej gęstości spływa na dno zbiornika. Dzięki temu jeziora, morza i oceany zamarzają od góry, a przy dnie długi czas pozostają w stanie ciekłym, chronione przed dalszym zamarzaniem działającą izolująco czapą lodu, który pływa wszak po wodzie. Pozostając w stanie ciekłym, woda pozwala na podtrzymywanie czynności fizjologicznych organizmów, gdyż to ona transportuje składniki odżywcze i produkty przemiany materii. To wynika skądinąd z kolejnej niezwykłej właściwości wody – jest ona świetnym rozpuszczalnikiem.

Choć przywykliśmy do tego, że trudno jest umyć tłuste talerze bez płynu do mycia naczyń, tak naprawdę niewiele substancji nie rozpuszcza się w wodzie, szeroko rozumiane detergenty (w sensie potocznym, nie chemicznym) mają zaś za zadanie ułatwić wodzie rozpuszczenie brudu przez zmniejszenie jej napięcia powierzchniowego. Niewiele z nich, zwłaszcza tych stosowanych w gospodarstwach domowych, faktycznie wchodzi w reakcję chemiczną z samym brudem.

Woda jest tak dobrym rozpuszczalnikiem, że praktycznie nie istnieje w stanie czystym. Co więcej, gdybyśmy pili jedynie prawdziwie czystą wodę – destylowaną – to na dłuższą metę odbiłoby się to na naszym zdrowiu, bo odcięlibyśmy się od niezbędnych do funkcjonowania naszego organizmu mikroelementów. Woda destylowana nie jest szkodliwa, ale nie jest ani smaczna, ani zdrowa. Natomiast wodę z rozpuszczonymi składnikami organicznymi i nieorganicznymi z przyjemnością spożywamy, niezależnie, czy przybiera ona postać coca-coli, soku owocowego, lampki dobrego wina, czy aromatycznego bulionu.

Butelki do nabijania ludzi

Jest taki dość przerażający związek chemiczny. To główny składnik kwaśnego deszczu. Przyczynia się do efektu cieplarnianego. Może powodować poważne poparzenia. Powoduje erozję najtwardszych nawet skał, przyspiesza korozję wielu metali, można go znaleźć we wszystkich tkankach nowotworowych. Jeśli po takim opisie rodzi się w nas chęć wyjścia na ulicę z transparentem zakazującym używania owego związku – a chodzi oczywiście o wodę – to znaczy, że daliśmy się nabrać na manipulację językiem naukowym. Podobnie rzecz się ma z wszelkiej maści magnetyzerami, polaryzatorami, heksagonerami i strukturyzatorami wody.

Ot, „woda strukturalna”, „strukturowana” czy „strukturyzowana”, którą sprzedają szarlatani, miałaby rzekomo przechowywać „życiodajny” układ heksagonalny cząsteczek wody. Cząsteczki H2O faktycznie układają się w sześciokąty, głównie w lodzie (stąd wynika choćby kształt płatków śniegu), ale również w fazie ciekłej, przy czym – ze względu na naturalną ruchliwość cząstek – w ciekłej wodzie struktury takie trwają krótko: około 100 femtosekund, czyli mniej od jednej bilionowej sekundy. Nawet więc jeśli „strukturyzatory wody” naprawdę stymulują powstawanie w niej struktur heksagonalnych, to w kategoriach skuteczności sprzęty takie nie różnią się od łyżeczki do herbaty. Wystarczy wodę zamieszać – a tak naprawdę i tego nie trzeba w ogóle robić – by samoistnie zaczęły się w niej tworzyć struktury heksagonalne, które po jednej bilionowej sekundy znikną.

Osobną sprawą jest homeopatia, której zwolennicy często odwołują się do tzw. pamięci wody. Homeopatia polega na podawaniu różnych substancji, nierzadko trucizn, tak rozwodnionych, że często łatwiej trafić szóstkę w totolotka, niż znaleźć choć jedną cząsteczkę pierwotnej substancji czynnej w podawanym roztworze. Stąd pokrętne tłumaczenie, że woda użyta do rozwadniania substancji czynnej „zapamiętuje”, co zostało w niej rozpuszczone, i przenosi tę informację do organizmu. Podobnie jednak jak ze strukturami heksa- gonalnymi, wszelkiego typu chwilowe uporządkowanie, które mogłyby przejąć cząsteczki wody w kontakcie z substancją aktywną, rozpada się w czasie liczonym w najlepszym razie w miliardowych częściach sekundy. Pomińmy już milczeniem niezwykłą inteligencję wody, która „zapamiętuje”, co było substancją leczniczą, a co detergentem po myciu retort lub zanieczyszczeniem w wodzie destylowanej, dzięki czemu w „leku” homeopatycznym miałaby się mieścić tylko informacja pożyteczna, o tym zaś, co bezużyteczne czy wręcz szkodliwe, woda miałaby „zapomnieć”.

Rurki, upały i lody po tanzańsku

Zostawmy na boku mitologię wody i wróćmy do jej rzeczywistych własności. Związek ten w stanie ciekłym ma gigantyczne napięcie powierzchniowe. Spośród spotykanych w życiu codziennym cieczy większe ma tylko rtęć. Ogromne napięcie powierzchniowe wody nie tylko umożliwia nartnikom śmiganie po powierzchni stawu w bezwietrzne dni. To także efekt kapilarny sprawiający, że drzewa są w stanie transportować wodę i składniki mineralne (rozpuszczone w niej, a jakże!) z korzeni do koron nawet na duże wysokości. Efekt jako pierwszy opisał Leonardo da Vinci, obserwując szklane rurki zanurzone w wodzie. Woda na ściankach naczynia wspina się delikatnie, tworząc menisk wklęsły (to dlatego, że woda jest takim dobrym rozpuszczalnikiem i tak dobrze przywiera do powierzchni, zwilża praktycznie wszystko). Jeśli ścianki naczynia są wystarczająco blisko, napięcie powierzchniowe wody jest w stanie podciągnąć ciecz odrobinę wyżej niż pierwotny poziom i w ten sposób ciecz wędruje w górę. Jeśli rurka jest odpowiednio cienka, woda może tym sposobem po ściankach podróżować wysoko. W wielkiej rurze o promieniu jednego metra lustro wody unosi się zaledwie o 0,014 mm; w cieniutkiej rureczce o promieniu 0,1 mm potrafi wspiąć się nawet o 14 cm.

Woda ma też unikatowe własności związane z magazynowaniem i przekazywaniem ciepła. System chłodzenia naszego organizmu (i wielu innych organizmów stałocieplnych) opiera się na odparowywaniu wody, która, przechodząc w stan gazowy, jest w stanie odebrać sporo ciepła – energia potrzebna do odparowania kilograma wody jest przeszło sześć razy większa niż potrzebna do doprowadzenia tegoż kilograma do wrzenia (startując z temperatury pokojowej). Dzięki temu między zagotowaniem zupy w garnku a jej całkowitym przypaleniem mija wystarczająco dużo czasu, byśmy byli w stanie zareagować i zmniejszyć gaz. I dzięki temu jesteśmy też w stanie jakoś przeżyć w upalne dni. Gdy się pocimy, nadmiar ciepła z naszego organizmu odbiera parująca woda, a wrażenie orzeźwiającego chłodu nie jest tylko złudzeniem – parująca woda obniża temperaturę naszej skóry nawet o kilka stopni.

Termiczne własności wody potrafią być zagwozdką również dla naukowców. Jednym z wciąż nierozwiązanych problemów jest pytanie, dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. Zjawisko zwane jest efektem Mpemby, od Erasto Mpemby – tanzańskiego naukowca, który zaobserwował ten fakt jeszcze jako chłopak, gdy na zajęciach praktycznych w szkole robili lody. Chłopiec miał na tyle dużo odwagi, że zapytał o zaobserwowane przez siebie zjawisko wizytującego szkołę dr. Denisa Osborne’a z college’u w Dar es Salaam. Choć rówieśnicy z klasy i nauczyciel wyśmiali kolegę, zaintrygowany pytaniem Osborne powtórzył eksperyment w swoim laboratorium i kilka lat później wspólnie z Mpembą opublikował artykuł naukowy na ten temat. Do dziś nie ma dobrego i jednoznacznego wytłumaczenia tego efektu – ale sam eksperyment każdy z nas może przeprowadzić w domu. Później można zaś wrzucić kostkę lodu do szklanki z napojem (czyli roztworem substancji rozpuszczalnych w wodzie) i obserwując pływający po powierzchni lód cieszyć się z faktu, że ciepło topnienia wody jest na tyle duże, iż mała kostka jest w stanie schłodzić dużą szklankę napoju o kilka ładnych stopni. ©