der især kom til at spille en vigtig rolle i den organiske kemi. For vands vedkommende mente man, at strukturen var lineær, som H-O-H, da man ikke havde grund til at formode andet. At dette ikke er tilfældet, men at de tre atomer udspænder en vinkel på ca. 105 grader, stod først klart i 1920’erne.
Figur 1.7
Daltons grundstofsymboler fra 1808. Nr. 1 angiver hydrogen, nr. 2 nitrogen, nr. 3 carbon og nr. 4 oxygen. Blandt de kemiske forbindelser er nr. 21 “et atom af vand eller damp, bestående af 1 oxygen og 1 hydrogen, holdt i fysisk kontakt af en stærk affinitet.” Nr. 22 forestiller ammoniak, nr. 31 svovlsyre, nr. 33 alkohol og nr. 37 sukker.
Vand er ikke blot et stof, der spiller en afgørende rolle i det moderne samfund både på det sociale, økonomiske og videnskabelige plan, det er også et begreb med en rig historie. Ved at følge hvordan vand er blevet forstået gennem videnskabshistorien, får vi en fornemmelse af, hvor forskellig vores nuværende opfattelse er fra fortidens; men vi indser også, at den moderne opfattelse trods alt skyldes en lang historisk proces, der ofte har været præget af fejltagelser og forkerte teorier. Sådan er videnskabshistoriens melodi.
2
Vands fysiske og kemiske egenskaber
Lektor, ph.d. Birgit Schiøtt og
professor, dr.scient. Søren Rud Keiding,
Kemisk Institut, Aarhus Universitet
Den kemiske formel for vand er nok den mest kendte formel af alle; vand er H2O. I det følgende vil vi beskrive nogle af de karakteristiske egenskaber ved vand – og i det omfang, det er muligt, prøve at give forklaringer på nogle af de forunderlige egenskaber ved vand. Naturvidenskabelige undersøgelser starter oftest udefra og arbejder sig derefter gradvist indad, indtil man når til stoffets mindste bestanddele. Det er lidt ligesom det nysgerrige barn, der splitter sit yndlingslegetøj i atomer for at se, hvor legetøjets fascination er gemt. For både barnet og forskeren er taktikken, at når de først har fundet ud af, hvordan tingene er sat sammen, så vil de også tit kunne forstå egenskaberne og funktionen af de ting, de studerer. Helheden er altså et resultat af egenskaberne af enkeltdelene og den måde, de er sat sammen på.
I dette kapitel om vands grundlæggende fysiske og kemiske egenskaber prøver vi at gå den modsatte vej; vi går indefra og ud. I stedet for at starte med vand på flydende eller fast form, starter vi med en grundig beskrivelse af det enkelte vandmolekyle, hvorefter vi gradvist bringer molekylerne sammen; først to molekyler, så fire molekyler osv., indtil vi har det, vi kender som vanddamp. Dernæst presser vi molekylerne tættere sammen, så vi får flydende vand, og endelig til sidst får vi vand på fast form, også kendt under navnet is.
Det bringer os til det måske overraskende resultat, at selvom vi fuldstændigt kan beskrive det enkelte vandmolekyle, så kan naturvidenskaben endnu ikke bruge denne beskrivelse til fuldstændigt at forklare egenskaberne ved flydende vand og is. Man kan forklare en stor del af egenskaberne, eksempelvis smeltepunkt, kogepunkt og frysepunkt, men flere af specielt flydende vands mærkelige og forunderlige egenskaber lader sig endnu ikke forklare. Selvom vand i flydende form er den mest almindelige og mest udbredte væske – tænk bare på, hvor meget vand der er i havene – så adskiller vand sig på en lang række punkter fra alle de andre væsker, vi kender: Vand er mærkeligt. Det er netop kombinationen af det mærkelige og den enorme betydning, vand har for vores liv i og uden for kroppen, der gør vand til et af de mest spændende og undersøgte emner inden for moderne naturvidenskabelig forskning.
Figur 2.1a og 2.1b
a) Atomerne i et vandmolekyle.
b) Vandmolekylet i centrum af en terning.
Hydrogenatomerne peger mod hjørnerne 1 og 2, mens de to frie elektronpar peger mod hjørnerne 3 og 4.
Det enkelte vandmolekyle: H2O
Skal man sige det lidt firkantet, så er det vigtigste element i hele grundlaget for den enorme fremgang i rigdom og velstand, som vores del af verden har oplevet de seneste 100 år, det periodiske system. Alt, hvad vi består af og omgiver os med, er opbygget af atomer. Der er ca. 110 forskellige grundstoffer, og disse kan sættes sammen i en endeløs række af stoffer, som vi kalder for kemiske forbindelser eller molekyler. Den luft, vi indånder, består således af oxygen- og nitrogenmolekyler, der hver især er bygget op af henholdsvis to oxygenatomer, O2, og to nitrogenatomer, N2. Det kød, vi spiser, består af en række fedt- og proteinmolekyler, der er bygget op af carbonatomer, hydrogenatomer, nitrogenatomer, oxygenatomer og svovlatomer – og vand består, som nævnt, af to hydrogenatomer og et oxygenatom, H2O.
Hvert enkelt atom består af en meget tung og meget lille kerne, og omkring kernen er der en sky af elektroner. Desto flere elektroner, desto højere nummer har atomet i det periodiske system. Hydrogenatomet har kun én elektron og står derfor først, mens uran har 92 elektroner og står mod slutningen i det periodiske system.
Danskeren Niels Bohr var i begyndelsen af forrige århundrede med til at udvikle den teori, kvantemekanikken, der i dag danner grundlaget for vores forståelse af det periodiske system og dermed atomerne og molekylerne. Når der dannes molekyler ud fra atomerne, er det elektronskyerne, der ‘limer’ atomerne sammen. Det, som vi kalder en kemisk binding, er altså elektronskyen, som bruges til at holde sammen på molekylets enkelte atomer. Elektronskyen har negativ elektrisk ladning, og atomkernerne har positiv elektrisk ladning. Det er den elektriske tiltrækning mellem modsatte ladninger, der holder et molekyle sammen. Dette er det vigtigste princip, vi skal bruge i vores forståelse af vands egenskaber: Modsatte ladninger tiltrækker hinanden, hvorimod ens ladninger frastøder hinanden. Det vil sige, at negativ ladning tiltrækker positiv ladning, og positiv ladning frastødes af positiv ladning, ligesom negativ ladning frastødes af negativ ladning. Med dette som udgangspunkt prøver vi at se lidt nærmere på vandmolekylet.
Elektroner og kemisk binding
Hydrogenatomet indeholder en elektron, og omkring oxygenatomet er der otte elektroner. Det er de 10 elektroner, vi kan bruge til at holde sammen på vandmolekylet. I oxygenatomet er det kun de yderste seks elektroner, valenselektronerne, der bidrager til den kemiske binding, sammen med de to elektroner, der kommer fra hydrogenatomerne. Elektroner foretrækker at danne par to og to, så i et enkelt vandmolekyle kan man skematisk fordele elektronerne som vist på figur 2.1a.
Der går to elektronpar til at binde oxygenatomet sammen med de to hydrogenatomer, og der er to overskydende elektronpar i figurens højre side, angivet med et δ-. Kender man oktetreglen, vil man genkende de otte elektroner, der indgår i bindingen af vandmolekylet. Hvis man tæller alle de negative og positive ladninger (kerner og elektroner), kan man se, at der er i alt 10 negative ladninger og 10 positive ladninger, dvs. vand er et neutralt molekyle. Disse ladninger er dog ikke ligeligt fordelt i molekylet. Der er en overvægt af positive ladninger ved de to hydrogenatomer og en overvægt af negative ladninger, hvor de to overskydende elektronpar holder til.
Allerede her er vi ved hemmeligheden bag vands mærkelige egenskaber; ladningerne i vandmolekylet er ikke ligeligt fordelt, da der, som det ses på figuren, er flere negative ladninger i molekylets højre side og flere positive ladninger i molekylets venstre side. I kemi siger man, at vand er polært. Nu er vand jo ikke todimensionelt, som figur 2.1a antyder. Skal man illustrere,
