Naturvidenskab og mysticisme er det ikke modsætninger?

Transkript

1 Naturvidenskab og mysticisme er det ikke modsætninger? Kurt Heller, VUC i Hillerød Inspireret af Jens Skak-Nielsens artikel i LMFKbladet nr. 4, september 2010 og bogen: viden om Vand, vil jeg prøve at afmystificere den udbredte opfattelse, at vand har mystiske egenskaber. Jeg kendte ikke den refererede bog (viden om Vand). Min reaktion var: Nå, endnu en bog, hvor man ureflekteret accepterer, at vand er noget mystisk og glemmer at stille det gode naturvidenskabelige spørgsmål: Kan det nu også være rigtigt? Der er en lang tradition for at antage, at vand er noget mystisk. Der udgives jævnligt værker herom. 1) Hvori består så det mystiske? Tilsyneladende kun i, at flydende vands densitet stiger med temperaturen i et meget snævert interval, fra 0 C til 4 C. I resten af temperaturintervallet opfører vand sig helt normalt også efter mystikernes mening, i hvert fald omtaler de ikke yderligere mystiske egenskaber. Vand er karakteristisk ved at trække sig sammen, når det udvider sig. 2) Denne karakteristiske egenskab for vand er en logisk konklusion af vandmolekylets struktur og den måde, som molekylerne danner bindinger og rumlige strukturer på! Alle de makroskopiske egenskaber er bestemt af egenskaberne på det mikroskopiske niveau. Vands egenskaber er ikke uforklarlige. Jeg blev præsenteret for løsningerne for mindst 30 år siden! Jeg vil i det følgende give korte forklaringer på det skjulte. Endvidere vil jeg komme med yderligere kommentarer til bogen (viden om Vand), da der er flere mærkværdige ting i de af Jens Skak-Nielsen omtalte kapitler. Vi er nogle som underviser i kemi på C niveau, hvor man ud fra vandmolekylets struktur udleder nogle konsekvenser om, hvordan vand vil opføre sig over for andre stoffer. 3) For at illustrere teorien laves flere forsøg, der viser sig at være i oversensstemmelse med teorien. Spektroskopiske undersøgelser af vandmolekylets struktur (C 2v punktgruppen) viser, at molekylet er plant, og de egenskaber, der kan beregnes heraf, er i overstemmelse med de makroskopiske data. Anvendelse af vands termodynamiske data i alle mulige sammenhænge viser heller ikke nogle uforudsete resultater. Specielt procestekniske anvendelser, nær vands kritiske punkt burde vise uventede resultater, men der er ingen! 4) Lidt teori Den termiske udvidelse. Ved opvarmning øges den gennemsnitlige afstand mellem atomerne, både inter- og intramolekylært. 5) Potentialfunktionerne, der holder molekylerne sammen, er ofte nær deres energiminimum, så en temperaturøgning vil 1) Omkring 1980 udkom to bøger, begge med titler som: Vand det mystiske stof. I 2010 er foreløbig udkommet to artikler om samme emne: New Scientist, 6. februar 2010 og Illustreret Videnskab. 2) Udtalt af professor Bjerrum (KU) ved et møde for længe siden, hvor jeg desværre ikke deltog. 3) Vand er polært og kan derfor opløse ioner/salte. Det kan upolære stoffer ikke. Polære og upolære stoffer blandes ikke. Dette kendes fra madlavningen i form af dressing. Mikrobølgeovnens funktion forudsætter, at der er flydende vand til stede. 4) Ved det kritiske punkt sker en række interessante fænomener et eksempel: Forskellen mellem gas og væske forsvinder! 5) Tænk på vand, men gælder generelt. 6 LMFK-bladet, nr. 6, november 2010

2 svække de intermolekylære kræfter. Endvidere øges den termiske varmebevægelse, hvilket vil reducere levetiden for eventuelle intermolekylære bindinger. Hydrogenbindinger mellem vandmolekylerne [ O H O ] har en optimal afstand, og de tre atomer skal ligge på linie for at have optimal struktur og energi. Temperaturstigninger vil svække hydrogenbindingen og reducere bindingens levetid. Fast vand (is) har tetraederstruktur, hvilket er den optimale struktur, når vand skal danne hydrogenbindinger til 4 naboer samtidigt. 6) Faseovergangen fra vand (s) til vand (l) bryder en brøkdel af hydrogenbindingerne, hvorved tetraederstrukturen begynder at gå i opløsning. En temperaturstigning vil yderligere reducere andelen af tetraederstrukturer. 6) Is ved 0 C er ikke et energiminimum, det ligger et andet sted. Tetraederstrukturen er den mest åbne af krystalstrukturerne. Omdannelse af en tetraederstruktur til en anden struktur, vil derfor medføre, at molekylerne får en mindre middelafstand eller tættere pakning, hvilket svarer til en højere densitet. Konklusion fra teorierne Vand har et densitetsmaksimum, fordi der sker en kollaps i vands krystalstruktur parallelt med den termiske ekspansion. En ukemisk forklaring på det mystiske. Der er tale om to modsatrettede fænomener: Kollaps af en struktur til en mere kompakt form. Øgning af middelafstanden. Rent matematisk/fysisk vil to modsatrettede kræfter have et ekstremum. Dette bestemmes ved at differentiere og sætte lig nul. LMFK-bladet, nr. 6, november

3 Der er nødvendigvis et ekstremum et eller andet sted. Det skal bare findes. Vand har et densitetsmaksimum, hvilket nok har forplumret problemet, og været med til at bevare det mystiske image. Hvis man i stedet havde studeret det omvendte af densitet, nemlig det specifikke volumen (cm 3 /g), vil jeg tro, at mystikken ville være forvandlet til indsigt for længst! Det specifikke volumen har så et minimum ved 4 C, eller molvolumen stiger, når man varmer op, og stiger ved afkøling. Det er stadig lidt underligt, men nu kan man begynde at tænke på hvilke mekanismer, der kan forklare fænomenet, i stedet for at anse det for uforklarligt. Konklusion Jeg håber at have aflivet myten om, at vand er noget mystisk! Ellers kan I henvende jer til dem med Intelligent Design. De har vist svar på alt. Der er andre måder at vise, hvad der sker, når flydende vand opvarmes fra 0 C til 4 C, nemlig molekyldynamiske 7) beregninger samt spredningseksperimenter. 8) Nogle kommentarer til FADL artiklen Man kan antage alle mulige former for vandmolekylets udseende: En kasse, uden huller i væsken En kugle, tætteste kuglepakning med de derved indbyggede huller Et fladt tetraeder, der roterer Fakta er, at vandmolekylet er plant, og først får sine 3D egenskaber, når flere molekyler bindes sammen. Følgende simple model for væskers struktur er fra Eyrings Free Volume teori: Cirka 3% af en væskes rumfang består af huller! Hullerne presses ud af væsken ved høje tryk. Hullerne bevæger sig tilfældigt rundt i væsken. Hullerne er af sammenlignelig størrelse med væskens molekyler, 9) der derved let kan skifte plads i modsætning til kasser og kugler. Ved stigende temperaturer bliver der flere huller i væsken (øget diffusion). Modellen er primitiv, men giver den korrekte formel for C v for flydende Argon. Salte binder vandmolekyler, og antallet er proportionalt med det elektrostatiske felt på ionens overflade. Al 3+ er en lille ion med en stor feltstyrke, så der bindes mange vandmolekyler, cirka 12. Jodid er en stor ion med en lav elektrisk feltstyrke, der bindes vist ingen vandmolekyler. Problemstillingen er kendt fra biologi (nerver), hvor Na + er større end K + på grund af hydratisering. Der er mange måder at bestemme antallet af bundne vandmolekyler. Den nemmeste er nok at fryse en saltopløsning og måle med NMR, hvor mange vandmolekyler, der er mobile (roterer). Molvoluminer af NaCl og vand varierer med sammensætningen af den binære opløsning (ren termodynamik). Der introduceres en fejlkilde ved at antage, at fx NaCl har et konstant molvolumen. Endvidere dannes ionpar ved høje koncentrationer: Det er let at bestemme molvoluminer i praksis. Fremstil et passende antal blandinger med kendt sammensætning, mål densiteten (det specifikke volumen). Afbild det specifikke volumen som funktion af fx molbrøken eller anden koncentrationsenhed. Tegn tangenten i punktet med den ønskede koncentration og extrapoler linien 7) Antag, at flydende vand er en blanding af kun to former (tetraeder- og oktaeder). Beregn totalvoluminet som funktion af sammensætningen. Sammenlign med det specifikke volumen. Heraf kan man finde, hvor der ikke længere er tetraederstrukturer tilbage (vist nok omkring 15 C). For at finde minimum for det specifikke volumen, skal man inkludere i beregningerne, hvordan de to strukturer pakker. Dette blev gjort i 1970 erne. Jeg kan ikke huske referencen, beklager. 8) Spredningsforsøg med vand og neutroner kan vise, hvor stor korrelationen er mellem vandmolekylerne. Den er stort set væk for afstande lidt over vands diameter. 9) Dette maximerer entropien. 8 LMFK-bladet, nr. 6, november 2010

4 til skæring med begge akser. Ved skæring med x = 0 fås det specifikke volumen for vand ved den pågældende sammensætning, skæringen ved x = 1 giver så det specifikke volumen af NaCl. Dette er meget besværligt rent eksperimentelt. Man kan i stedet finde densitetsdata for mange rene stoffer i vand i Gummibiblen. Data dækker et større koncentrationsinterval end det, som vil være eksperimentelt tilgængeligt i vores laboratorier. Negativt tryk er noget biologer har opfundet! Den rigtige forklaring er: Alle transportprocesser er styret af stoffernes kemiske potentialer! 10) Kendte transportprocesser er diffusion og osmotisk tryk. Ved diffisionsprocesser flyttes vand og alt muligt andet. Retningen bestemmes kun af gradienten i vandkoncentrationen! Retningen er således, at der flyttes vand fra siden med højere vandkoncentration til siden med lavere vandkoncentration. Dette er så årsagen til, at vand kan flyttes langt nok lodret 11) op. Ingen af de andre pseudoforklaringer er stærke nok, de er endvidere overflødige! Et godt videnskabeligt argument. Måden, som biologer udleder det negative tryk på, er: p = μ/ V dette er OK, derefter skifter de bare fortegn: p p. De differentierer selvfølgelig ikke med hensyn til voluminet af vand, istedet divideres med vands volumen ved 25 C. Denne forklaring er kendt af biologer, som underviser 12) i sådant noget, hvilket fremgår af deres lærebog. Denne forklaring fylder cirka 20 linier i en halv kolonne. De efterfølgende sider i bogen bruges til at forklare den meget omstændige (næsten uforstålige) metode, der er gældende blandt træfolket. I det følgende kommer nogle kommentarer til kapitlerne 2 og 3 i viden om Vand. Side 26 1 Forfatteren antager, at vandmolekylet er mærkeligt! 13) Side 26 4 Nu er vand jo ikke todimensionalt? Vand ER plant. Der kan senere bindes protroner til molekylet og derved opnå en 3D struktur. Side 27 6 Tomme elektronpar fylder mere end fyldte elektronpar. En begrundelse for bindingsvinkelen på 104,474. Eksempel: O 2 er et tetraeder. Når der tilføres en proton, bindes den til et af elektronparrene, som trækkes ud fra deres hidtige ligevægtsposition. De øvrige 3 par må så bevæge sig ind mod kernen for at opretholde energibalancen til kernen. Tilsvarende for den næste proton. De bindende elektroners gennemsnitsafstand er nu større end de ikke bindende elektroners, og deres elektrontæthed er mindre. De har derfor et mindre behov for at frastøde hinanden end de ikke bindende orbitaler. Herfor frastøder de ikke bindende orbitaler hinanden mere end de bindende, hvorved bindingsvinklen mellem de bindende orbitaler bliver mindre end 109,4. Side 30 5 Hver hydrogenbinding i vand lever kun 1 picosekund. Mit første indtryk var, at værdien var urealistisk, 14) enten var det værdien for vibrationsfrekvensen intramolekylært mellem to atomer i et molekyle eller relaxationstiden for vand. En mulighed var at sammenligne med den diffusionskontrollerede grænse: Hastigheden for to vandmolekyler, der mødes, er højst /(s M) Hastigheden for dimerens dissociation er /s. Så dette er måske definitionen på levetiden. Side 41 1 Man kunne opså prøve at komme en udglødet pimpsten i flasken. Skulle der sker samme reaktion, vil det så sige, at pimpsten er opløselig i vand! Et kontrolforsøg viser, at væ- 10) μ = G/ n, hvor index er udeladt. Gradienten af Gibbsenergien bestemmer nettoretningen, som stoffet diffunderer i! 11) Tyngdekraften indgår ikke i definitionen af det kemiske potential! Så der er måske ingen trykafhængighed! 12) Biologisk Institut, KU, for nogle år siden. 13) Antag, at vand er mystisk. Find ét eksempel herpå. Konkluder så, at vand er mystisk. Herved har man kun opnået at lave et cirkulært bevis. 14) Hydrogenbindinger brydes let ved, at O H... O ikke længere ligger på en fælles linie. 10 LMFK-bladet, nr. 6, november 2010

5 sken bobler, når der tilsættes en pimpsten, men stenen går ikke i opløsning. Konklusionen er rigtig. Der vil dannes bobler, men der er tale om en katalyseeffekt. Årsagen er, at det er svært at danne huller i vand pga. dets høje overfladespænding. Sukker og udglødede pimpsten har meget porøse overflader, så mikroskopiske CO 2 - bobler kan mødes og samles til til en lidt større boble i de mikroskopiske kratere. Små bobler, der rører en større, vil blive en del af den større boble. Side En forudsætning... Nu er planter tilsyneladende klogere end træforskere, træerne forstår nemlig termodynamik! De laver selvfølgelig ikke 100 meter lange rør, i stedet opdeler de røret i passende længder og forbinder dem med semipermeable membraner. Hver semipermeabel membran udgør så et ligevægtssystem. Effekten af mange små ligevægtssystemer er ikke afhængig af, hvor rent vandet er. Vandets renhed har betydning for hvor meget næringssalt, der pr. tidsenhed kan transporteres til bladene. Transporthastigheden afhænger af fordampningshastigheden. Side 54 Osmose. En semipermeabel membran kan godt tillade små opløste stoffer at passere, hvis den er konstrueret til det. En termodynamisk konklusion om vandtransporten til bladene For at flytte næringsstoffer til bladene skal der flyttes og fordampes store mængder vand. Langt mere end der skal bruges til glucosesyntesen. Planter vokser hurtigere i varme og har derfor behov for et effektivt kølesystem. De lave koncentrationer af opløst stof er nødvendige, for at transporten til bladene kan fungere. En høj stofkoncentration vil medføre: En stor forskel i det kemiske potential mellem rod og blad, og dermed en øget stoftransport. 15) Kohæsion og adhæsion blev brugt i meget gamle dage, også på dansk. 16) Naturvidenskab er som bekendt noget med at veje og måle, samt drage konklusioner heraf, eventuelt først efter nogle beregninger. Vil nedsætte vandkoncentrationen og reducere fordampningshastigheden og dermed stoftransporten. En høj stofkoncentration i bladene vil nødvendiggøre en tilsvarende høj koncentration i de omgivende væv (osmotisk trykeffekt). Dette vil kræve en tilsvarende øgning af mængden af næringsstof, der skal bindes i de levende dele af planter. Dette kan nemt blive en begrænsende faktor for vækst. Bogen bruger ord som sammenhængs- og vedhængskraft, 15) der er ord uden noget naturvidenskabeligt 16) indhold! Ordene blev brugt til at forklare at vand i et glasrør krummede opad, mens kviksølv tilsvarende krummede nedad. Hvad er der i vejen for at bruge ord som overfladespænding og hydrogenbinding, de har begge en velkendt fysisk/kemisk betydning formler og de er målbare og den slags. Hvis man har lyst til at udføre nogle semikvalitative beregninger om vands egenskaber, kan følgende måske bruges: Gør antagelser om det gennemsnitlige antal af hydrogenbindinger i flydende vand ved hhv. 0 C og 100 C. Find i Databogen hvor megen energi, der skal bruges til at hæve temperaturen fra 0 C til 100 C. Antag, at energien kun bruges til at bryde hydrogenbindinger. Sammenlign med energien for hydrogenbindingen. Hvis det ikke passer, så lav ændringer i forudsætningerne. Hvis man finder noget, der er fysisk/kemisk fornuftigt, kan man beregne de temperaturer, der svarer til et gennemsnitligt antal hydrogenbindinger på fx 2 og 3. Andre af vands makroskopiske egenskaber (dielektricitetskonstant, ε, overfladespænding, σ, og viskositet, ν) har en exponentiel variation med temperaturen. Hvorfor mon? Ved passende kombination af ε, σ og ν skulle det være muligt at opnå en næsten ret linie for flydende vand, mens upolære væsker skulle give en ret linie. Spændende ikke? LMFK-bladet, nr. 6, november