Merkelig vann og dets rolle i fremveksten av kjemi
Av Guillermo Gonzalez, 10. september 2024. Oversatt hefra

Vann er vitenskapsvennlig så vel som livsvennlig. Michael Denton dekker de livsvennlige aspektene i sin bok The Wonder of Water. Jay Richards og jeg dekker de vitenskapsvennlige aspektene i The Privileged Planet -lenke, hvis nye utvidede og omskrevne utgave nå er ute for vår boks 20-årsjubileum.

Det flytende fundamentet for kjemi
Vann har vært avgjørende i overgangen fra alkymi til kjemi-vitenskap. Dens unike egenskaper og allestedsnærværelse har gjort det sentralt i utallige eksperimenter og funn som formet vår forståelse av materie og kjemiske reaksjoner.
I følge de gamle grekerne var vann et av de fire grunnelementene på jorden. Denne troen vedvarte i århundrer og la grunnlaget for alkymi, en proto-vitenskapelig praksis rettet mot å transformere materie, særlig å gjøre basismetaller til gull og søke livets eliksir. Selv inntil 1700 -tallet trodde forskere fortsatt at vann var et grunnstoff, et element. Vann var det viktigste stoffet i alkymistens laboratorium, og tjente som det universelle mediet for å studere reaksjoner.

Gnister til en revolusjon: Splitting av "elementet"
I 1783 reagerte Antoine-Laurent Lavoisier, i dag ansett som grunnleggeren av kjemivitenskapen, hydrogen og oksygengasser i et kammer med en gnist og produserte rent vann. I et annet eksperiment, denne gangen som involverte oppvarmet jern og vann, viste han at vann er sammensatt av hydrogen og oksygen. Dessverre henrettet 'opplyste' franske revolusjonære lavoisier i 1794. Noen år senere, motivert av Alessandro Volta oppfinnelse av det elektriske batteriet, ledet de britiske forskere Anthony Carlisle og William Nicholson først en elektrisk strøm fra et batteri gjennom vann (en prosess kalt elektrolyse). Da vannet forsvant, dukket det opp to gasser. En av dem var hydrogen, og den andre oksygen. Dette var en elegant bekreftelse på Lavoisiers tidligere resultater.

Bilde 1. Vanndråpe

Disse eksperimentene viste at vann, lenge betraktet som et element (grunnstoff), faktisk var en forbindelse sammensatt av enklere elementer. Som et resultat var vann ikke lenger et element. Skillet mellom elementer, som er sammensatt av en enkelt type atom, og forbindelser, som er kombinasjoner av elementer, ble en hjørnestein i kjemisk vitenskap. Lavoisier var den første som oppdaget denne sannheten.
Den populære naturforfatteren Rutherford Platt kommenterte betydningen av denne oppdagelsen:
"Som en milepæl i fremdriften med å sonde naturens hemmeligheter, er splitting av et molekyl vann i to H-er og et O, sammenlignbart med splitting av atomer i vår tid. Før dette hadde forskere ingen ledetråder til sammensetningen av vann. . . og H2O førte til anerkjennelse av elementene og moderne kjemi." -Vann: The Wonder of Life (Englewood Cliffs, N.J.: Prentice-Hall, 1971), p. 16

Da vannet falt fra hverandre, fant kjemien sammen
Nedbrytningen av vann i hydrogen og oksygen hadde vidtrekkende implikasjoner for kjemi. Det banet vei for utvikling av atomteori, da forskere forsøkte å forklare hvordan og hvorfor elementer kombinerte seg for å danne forbindelser.

Vanndekomponerings-eksperimentene la også grunnlaget for støkiometri -lenke, den kvantitative studien av reaktanter og produkter i kjemiske reaksjoner. Det faste 2: 1 -forholdet mellom hydrogen og oksygen i vann ble en modell for å forstå kjemiske proporsjoner og reaksjoner.
Elektrolyse viste seg å være en fruktbar metode for å isolere nye elementer. Mange ble oppdaget i de to tiårene etter elektrolyseeksperimentet med vann. Elementene var på en eller annen måte elektriske. Kjemikere begynte å lære om hvordan elektriske ladninger var involvert i kjemiske reaksjoner og introduserte ioner. I 1834 foreslo Michael Faraday sine elektrolyselov, relatert til strømmen som passerte gjennom en elektrolyttvæske og mengden materiale som er avsatt eller konsumert ved en elektrode. Elektrolyse skulle bli veldig viktig for storskala industrielle prosesser som starter senere det århundre.

H2O: Et kjemisk vidunder
Vann er den mest tallrike forbindelsen i universet, laget av det mest tallrike elementet og det tredje (meste). Det er også en av de enkleste forbindelsene. Uten tvil var enkelheten en faktor i de tidlige suksessene til Lavoisier, Carlisle og Nicholson. Hvis noen mer kompleks væske erstattet vann som livets medium, for eksempel formamid (HCONH2), ville det vært mye vanskeligere å skille de bestanddelene fullt ut.
Benjamin Wiker og Jonathan Witt oppsummerer fint disse funksjonene i vann:

"Det som er ganske rart, ganske uventet, er at selv om vann ikke i seg selv er et element, er det en av de enkleste forbindelsene - omtrent det korteste trinnet mulig fra elementer til en forbindelse. Den enkelheten gjorde det relativt enkelt å ta det fra hverandre, å gjenkjenne de to delene som elementære, og å sette dem sammen igjen - et enormt intellektuelt sprang." -En meningsfull verden, s. 128
Det var sannsynligvis også nyttig for tidlige kjemi -eksperimenter at jordas atmosfære er relativt enkel i sammensetningen; 99 prosent av molekylene er laget av to bare to elementer, oksygen og nitrogen. De fleste av de resterende 1 prosentene er inert argon, og nitrogen er stort sett ikke-reaktivt. Ingen tvil om at det hadde noe å gjøre med Lavoisiers oppdagelse av oksygen som et element (og uavhengig, Joseph Priestley).

Bilde 2. Vanns kjemiske sammensetning- som man kom fram til etterhvert

Vannets molekylstruktur gir det flere unike egenskaper som har vært avgjørende for kjemisk eksperimentering og forståelse. Den polare naturen, som følge av ujevn fordeling av elektroner mellom oksygen og hydrogenatomer, lar den oppløse et bredt spekter av stoffer. Polariteten bidrar også til de uvanlig høye koke- og smelte-punktene for et molekyl av størrelsen, noe som gjør det stabilt i flytende form ved romtemperatur - en kritisk faktor for mange kjemiske prosesser - og kritisk for livet på jorden.

Kanskje viktigst av alt: vannets status som universelt løsningsmiddel har gjort det uvurderlig i kjemi. Evnen til å løse opp flere stoffer enn noen annen væske har gjort det mulig for kjemikere å studere et stort utvalg av reaksjoner i løsninger.

Bilde 3. Kroppen i behov for mye vann -pr dag

Det universelle stadiet for molekylært drama
Vanns rolle som reaksjonsmedium kan ikke overdrives. Evnen til å lette oppløsningen av stoffer, spesielt ioniske forbindelser, har vært avgjørende for å studere kjemiske reaksjoner. Konseptet med ioner oppsto da salt ble oppløst i vann. I vandige oppløsninger står ioner fritt til å bevege seg og samhandle, noe som muliggjør et bredt spekter av ioniske reaksjoner som ville være umulig i andre medier.

På slutten av 1800 -tallet introduserte Arrhenius sin teori om syrer og baser fra sin teori om ioner. Syrer og baser er definert i form av hva som skjer når et stoff oppløses i vann. Oppførselen til syrer og baser i vann hjalp forskere med å klassifisere materialer og forstå deres egenskaper, og la grunnlaget for mer avanserte kjemiske konsepter.
Dessuten fungerer vann ofte som mer enn bare et passivt medium. Det kan fungere som en katalysator, og fremskynde visse reaksjoner uten å bli konsumert. Et vanlig eksempel er jernrust. I mange biokjemiske prosesser er vann en aktiv deltaker, og tjener som reaktant eller produkt i hydrolyse og kondensasjons-reaksjoner.

Merkelig og fantastisk vann
Hvorfor ville den vanligste forbindelsen i universet være den mest unomale, en av de enkleste og essensiell for livet? Nevnte jeg hvordan vannets gjennomsiktighet for lys er høyest, nær toppen av solens spekter og også til den maksimale følsomheten for menneskets syn? Vanlig, unomal og enkel: Det er en interessant kombinasjon. Det er også ærlig talt, merkelig.

Bilde 4. Guillermo Gonzalez

Senior stipendiat, Center for Science and Culture

Guillermo Gonzalez er senior stipendiat ved Discovery Institute's Center for Science and Culture. Han mottok sin doktorgrad. i astronomi i 1993 fra University of Washington. Han har gjort postdoktor arbeid ved University of Texas, Austin og ved University of Washington og har mottatt stipendier, tilskudd og priser fra institusjoner som NASA, University of Washington, Templeton Foundation, Sigma XI (Scientific Research Society) og National Science Foundation. I 2024 var han medforfatter av YA-romanen 'The Farm at the Center of the Universe' med Jonathan Witt.

Oversettelse, via google oversetter, og bilder ved Asbjørn E. Lund