Kurkime ateitį drauge!


 

Prof. habil. dr. Vida Mildažienė

 

VDU Kauno botanikos sodas, VDU Gamtos mokslų fakulteto Aplinkos tyrimų centras

 

Vanduo: PapRASTA ar NEPAPRASTA medžiaga?

 

 Kažkas yra sakęs, kad vanduo yra pati gražiausia medžiaga pasaulyje. Esame taip pripratę prie kasdien vartojamo skysčio, kad dažnai net nesusimastome, koks jis ypatingas. Tačiau pažvelkime atidžiau į nuostabius debesų kontūrus, neaprėpiamus jūros tolius, Trakų pilies ir rudens nuspalvintų medžių atspindžius lygiame ežero vandenyje, žiemą po kojomis girgždantį spindintį sniegą, žiemiškus ledo ornamentus ant lango stiklo, prisiminkime tylaus krintančių lietaus lašų garso sukeliamą ramybės jausmą – koks neįtikėtinai didelis įvairių šios medžiagos fizinių formų indėlis į mūsų gyvenimą... Jau nekalbant apie tai, kad mes patys esame didžiąja dalimi vanduo. Ir visos gyvybės formos Žemėje neabejotinai kilo „iš vandens“ ir nuo jo savybių absoliučiai priklauso jų egzistavimas.

 

1. Vanduo – standartas ar anomalija?  

Greičiausiai tai, kad vanduo yra kasdieniškai įprasta ir dažnai vartojama medžiaga, „tipiškas skystis“, lėmė jos pasirinkimą etalonu, nustatant du pagrindinius fizikinius tarptautinės SI sistemos matavimo vienetus – masės (kilogramas), temperatūros (laipsnis Kelvino) [1]. Atsižvelgiant į tai, kad vandeniui būdinga daugybė fizikinių savybių anomalijų, tai gana keistas pasirinkimas, nes vandenį derėtų vadinti mažiausiai tipišku skysčiu...

Kita vertus, šios anomalijos paskatino mokslininkus išsiaiškinti kokios svarbiausios gyvybei gamtinės medžiagos cheminės struktūros ypatybės jas lemia. Vandens anomalijoms išsamiai apibūdinti skirti interneto tinklalapiai [2,3]. Suskaičiuota net 41 vandens anomalija, kurių priežastis aiškinamos [2]:

 

Eil.

nr.

Anomalijų

 grupė

Anomalijos

1.

Fazinės

·     Neįprastai didelė lydimosi temperatūra

·     Neįprastai didelė virimo temperatūra

·     Neįprastai didelė kritinė temperatūra

·     Ledui būdingas didesnis stabilių ir metastabilių kristalinių ir amorfinių struktūrų kiekis, lyginant su kitomis medžiagomis.

·     Šiluminis vandens laidumas mažėja didinant slėgį

·     Skysto vandens struktūra kinta, esant dideliam slėgiui

·     Peršaldytas (supercooled) vanduo turi dvi fazes ir antrą kritinį tašką -91°C

·     Skystas vanduo lengvai peršaldomas, bet sunkiai stiklėja

·     Skystas vanduo egzistuoja, esant labai mažai temperatūrai ir gali kietėti šildant

·     Skystas vanduo lengvai perkaitinamas (superheated).

·     Karštas vanduo užšąla greičiau negu karštas vanduo (Mpembos efektas)

·     Šiltas vanduo vibruoja ilgiau negu šaltas vanduo

2.

Tankio

·   Ledo tankis didėja šildant (iki 70 K)

·   Lydymosi metu vanduo susitraukia

·   Spaudimas mažina lydimosi temperatūrą

·   Skysto vandens tankis didelis ir didėja šildant (iki 3.984°C)

·   Spaudimas mažina temperatūrą, kuriai esant tankis didžiausias

·   Peršaldyto (supercooled) vandens tankiui būdingas minimumas (mažiausia reikšmė)

·   Neįprastai maža terminio plėtimosi koeficiento reikšmė

·   Šiluminis plėtimasis progresyviai mažėja (ir įgauna neigiamą reikšmę), esant mažoms temperatūroms

·   Šiluminis plėtimasis progresyviai didėja, didėjant spaudimui

·   Artimiausių kaimyninių molekulių skaičius didėja lydantis

·   Artimiausių kaimyninių molekulių skaičius didėja, didėjant temperatūrai

·   Vandens suspaudžiamumas neįprastai mažas

·   Vandens suspaudžiamumas mažėja, didinant temperatūrą iki 46.5°C.

·   Vandens suspaudžiamumo priklausomybei nuo temperatūros būdingas maksimumas.

·   Garso sklidimo vandenyje greitis didėja, didėjant  temperaturai iki 74°C.

·   Garso sklidimo vandenyje greičiui būdingas minimumas

·   „Greitas garsas“ yra didelio dažnio ir jam būdingas nutrūkstamumas, esant dideliam spaudimui

·   BMR sukinio grotelių atsipalaidavimo laikas labai mažas, esant dideliai temperatūrai

·   Vandens refrakcijos indeksui būdinga didžiausia reikšmė kiek žemiau 0°C.

·   Neįprastai didelis tūrio pokytis, skysčiui virstant dujimis 

3.

Medžia-

ginės

·   Vandens tirpalai nėra idealūs

·   Fizikinės skystų D2O ir T2O savybės stipriai skiriasi nuo skysto H2O savybių.

·   Tirpiniai turi skirtingą poveikį vandens tirpalų tankiui ir klampumui

·   Nepolinių dujų tirpumas vandenyje mažėja, didėjant temperatūrai iki minimumo, o tada didėja.

·   Neįprastai didelė vandens dielektrinė konstanta

·   Dielektrinei konstantai būdingas priklausomybės nuo temperatūros maksimumas

·   Protonų ir hidroksido jonų judrumas elektriniame lauke neįprastai didelis

·   Vandens elektrinis laidumas didėja iki maksimumo ties 230°C.

·   Silpnų rūgščių rūgštingumo konstantoms būdingi priklausomybės nuo temperatūros minimumai.

·   Rentgeno spindulių difrakcija įgalina labai detaliai ištirti struktūras Esant dideliam spaudimui ir jam didėjant, atstumai tarp vandens molekulių didėja

4.

 Termodi-naminės

 

·     Vandens suliejimo šilumos priklausomybei nuo temperatūros būdingas maksimumas ties -17°C.

·     Skysto vandens specifinė šiluminė talpa yra daugiau nei 2 kartus didesnė už ledo arba garų specifinę šiluminę talpą.

·     Specifinė šiluminė talpa (CP and CV) yra neįprastai didelė.

·     Vandens specifinei šiluminei talpai CP būdingas minimumas ties 36°C.

·     Vandens specifinei šiluminei talpai CP būdingas maksimumas ties -45°C.

·     Vandens specifinės šiluminės talpos CP priklausomybei nuo spaudimo būdingas minimumas.

·     Vandens specifinei šiluminei talpai CV būdingas maksimumas.

·     Neįprastai didelė garavimo šiluma

·     Neįprastai didelė sublimacijos šiluma

·     Neįprastai didelė garavimo entropija

·     Vandens šiluminis laidumas yra didelis ir jo priklausomybei nuo temperatūros būdingas maksimumas ties 130°C.

5.

Fizikinės

·     Neįprastai didelis klampumas

·     Klampumas didėja mažinant temperatūrą

·     Esant mažesnei nei 33°C  temperatūrai, vandens klampumas mažėja, didinant spaudimą

·     Didelė difuzija mažėja mažinant temperatūrą

·     Esant mažai temperatūrai, vandens molekulių difuzija didėja, didinant tankį ir spaudimą

·     Šiluminės difuzijos priklausomybei nuo spaudimo būdingas maksimumas ties 0.8 GPa.

·     Neįprastai didelės vandens paviršiaus įtampos jėgos

·     Tam tikroms druskoms būdinga vandens paviršiaus įtampos jėgų priklausomybės nuo koncentracijos minimumas – Džonso ir Rėjaus efektas (Jones-Ray effect).

·     Tam tikros druskos slopina mažų burbulų susiliejimą

 

 

Kokie vandens molekulės struktūros ypatumai lemia tokios svarbios gamtinės medžiagos anomalijas?

Mažą V raidės formos vandens molekulę H2O sudaro centrinis didelio elektroneigiamumo deguonies atomas, dviem kovalentiniais ryšiais sujungtas su mažesnio elektroneigiamumo vandenilio atomais. Molekulė yra tik 2,75 Å dydžio. Du deguonies atomo išorinio elektronų sluoksnio sp3 hibridizacijos debesėliai sudaro elektronų poras su vandeniliu, du lieka laisvi. Kampas tarp sudaromų su vandenilio atomais ryšių tetrahedrinės struktūros atveju turėtų būti 109,47o. Tačiau dėl deguonies ir vandenilio elektroneigiamumo skirtumų elektronų tankis molekulėje persiskirsto ir susidaro daliniai krūviai, kurie veikia vienas kitą (1 pav.).

 

1 pav. Vandens molekulėje deguonies atomas įgauna dalinį  neigiamą, o vandenilio atomai – dalinį teigiamą krūvį (pavaizduota raudona ir žalia spalvomis, atitinkamai [2]).

 

Dėl tokių sąveikų vandens molekulė tampa poline, kinta ir kampas tarp kovalentinių ryšių molekulėje – jis lygus 104,5o. Svarbiausia vandens anomalijų priežastis, kurią lemia tokia cheminė molekulės struktūra yra gebėjimas sudaryti papildomus vandenilinius ryšius su kitomis artimiausiomis vandens molekulėmis (2 pav.). Susidarant vandeniliniams ryšiams, laisvos dalinį neigiamą krūvį turinčio deguonies atomo elektronų poros sąveikauja su kitų vandens molekulių vandenilio atomais, turinčiais dalinį teigiamą krūvį.    

2 pav.Vandenilinio  ryšio tarp vandens molekulių susidarymas

 

Kiekviena skysto vandens molekulė yra sudariusi vandenilinius ryšius su 4,4 kaimyninėmis molekulėmis (tarsi kristalo). Vandens molekulė keičia padėtį tokioje struktūroje kas 10-12 sek., taigi šio ,,kristalo” gardelė labai greitai juda, ryšiai jame ŷra ir vėl susidaro. Todėl ši nereguliari struktūra nėra kieta. Taikant matematinius modelius, apskaičiuota, kad skystame vandenyje tarp molekulių susidaro laikinos struktūros. Pavyzdžiui, esant 0°C temperatūrai, į laikinas, vos pikosekundes gyvuojančias sankaupas įeina apie 90 H2O molekulių. Tokias šalto vandens struktūras galima vertinti kaip nuolat kintančių ledo formų rinkinius. Vandenyje (skystoji fazė) tarp vandens molekulių yra tik 15 proc. mažiau vandenilinių ryšių nei lede. Esant 70° C, tokios sankaupas sudaro vidutiniškai ne daugiau kaip 25 vandens molekulės. Tačiau šie teoriniai vertinimai kol kas nepatvirtinti eksperimentų rezultatais.

Dėl daugelio silpnų sąveikų tarp molekulių vandens virimo temperatūra yra daug aukštesnė (3 pav.), nei turėtų būti atsižvelgiant į periodinius fizikinių savybių kitimo, didėjant elementų atominei masei dėsningumus. Jei tarp vandens molekulių nesusidarytų vandeniliniai ryšiai, esant normalioms sąlygoms vanduo turėtų būti dujomis, nes jo virimo temperatūra būtų apie -100oC.

Tokie ryšiai tarp polinių molekulių lemia artimąją vandens sudaromų struktūrų tvarką. Ledo kristale kiekviena vandens molekulė sudaro ryšius su keturiomis kitomis molekulėmis taip, kad susiformuoja erdvėje daugiau vietos užimanti gardelė, nei užima toks pats kiekis skystos fazės vandens molekulių. Todėl ledo tankis (0,92 g/ml) mažesnis nei vandens (1 g/ml) (4 pav.).

 

 

 

3 pav. Cheminių elementų hidridų virimo temperatūra

 

 

 

                                (a)                                                          (b)

4 pav. Atstumai tarp vandens molekulių kristalinėje ledo gardelėje yra didesni negu skystyje (a). Tai lemia mažesnį ledo tankį, lyginant su skystu vandeniu (b).

 

Daugiau informacijos apie skysto vandens ir ledo struktūros palyginimą galima rasti internete [4].

Vandeniliniai ryšiai tarp molekulių lemia ir didesnes paviršiaus įtampos jėgas, dėl kurių savitos kūno struktūros vabzdžiai gali išsilaikyti vandens paviršiuje (žr. straipsnį „Ėjimo vandens paviršiumi nanobiotechnologija“).

Akivaizdu, kad tik dėl tokių vandens anomalinių savybių Žemėje galėjo vystytis tokios gyvybės formos, kurios yra dabar. Ar galima būtų ląstelėms susiformuoti vandens garuose? Kaip galėtų išlikti mūsų klimatinės juostos vandens gyvūnija ir augmenija, jeigu vandens telkiniai žiemą užšaltų nuo dugno (jei ledas būtų sunkesnis už vandenį)?

Kita svarbi vandens savybė yra didelė dielektrinė konstanta. Tai reiškia, kad sąveika tarp krūvių vandens aplinkoje išlieka stipresnė nei kituose tirpikliuose. Ši savybė lemia polinių medžiagų sąveikos galimybę vandens tirpaluose (5 pav.). Vandens molekulės aktyviai sąveikauja ne tik vienos su kitomis, bet ir su jame ištirpusiomis medžiagomis, net jeigu chemiškai su jomis nereaguoja. Svarbus solvatacijos padarinys yra tokių medžiagų tirpumo didėjimas, taip pat jų cheminio aktyvumo mažėjimas.

 

 

5 pav. NaCl kristalui  tirpstant vandenyje susidaro hidratuoti Cl- (1) ir Na+(2) jonai

 

 

 

Biologiniu požiūriu, vanduo yra svarbiausias biologinis tirpiklis. Sąveikaudamas su gamtinių polinių medžiagų - jonų, kofaktorių, metabolitų - molekulėmis bei polines grupes turinčiomis makromolekulėmis, vanduo sudaro įvairaus dydžio solvatacinius (hidratacinius) apvalkalus iš keleto molekulių sluoksnių. Vandens savybės ir jo tirpale vykstančios molekulių sąveikos lemia daugelį būdingų ląstelės struktūrai bruožų, visų makromolekulių tretinę struktūrą ir biologines funkcijas.

 

Lipofiliniai junginiai ,,vengia” sąlyčio su vandens molekulėmis, ir vandeninėje terpėje sąveikauja su tik sau giminingomis molekulėmis. Ląstelėje tokios medžiagos jungiasi su savitaisiais baltyminiais nešikliais arba membranomis. Tai galioja ir nepolinėms biologiškai svarbioms dujoms – O2, CO (perneša hemoglobinas), o CO2 pernešamas vandenyje tirpaus jono HCO32- pavidalu.

Amfifiliniai junginiai vandeniniuose tirpaluose daro įtaką vandens molekulių tvarkai –  lipidų molekulės polinės galvutės pritraukia polines vandens molekules ir didina jų tankį, apie hidrofobinę jo dalį taip pat susidaro tankiau susitelkusių H2O molekulių sluoksnis. Esant didelei lipidų koncentracijai ir juos disperguojant susidaro micelės arba dvisluoksnės lipidų plėvelės (6 pav.), nes hidrofobinės jų molekulių dalys saveikauja tarpusavyje. Taip lipidų sąveika su vandeniu lemia membranų struktūrą. Išorinėje biomembranų pusėje esančios polinės lipidų galvutės pritraukia nemažai vandens molekulių, todėl apie kiekvieną membraną yra solvatacinis vandens molekulių sluoksnis (6 pav.). Dėl solvatacinių reiškinių laisvo vandens kiekis citozolyje labai sumažėja.

 

 

6 pav. Solvatacinis micelių ir membranų sluoksnis

 

 

 

Prie pat membranos esančio sluoksnio vandens savybės skiriasi nuo laisvojo vandens savybių. Sąveika su vandens molekulėmis, solvatacija ir hidrofobinės sąveikos ne mažiau svarbios ir globulinių baltymų tretinei ir ketvirtinei struktūroms. Biologinės molekulės veikdamos taip pat gali keisti vandens molekulių sudaromas struktūras (apie tai plačiau – [3]). 

 

2. Glaceologija. Ledo karalystė.

Kabėdami apie biologinius reiškinius, dažniau domimės skystu vandeniu. Tačiau svarbiems gamtiniams reiškiniams suvokti būtinos žinios apie visas vandens fazes. Pavyzdžiui, klimatiniams reiškiniams labai svarbūs vandens garai, debesys, krituliai. Kita vertus, ar teko girdėti apie tokią mineralogijos mokslo šaką kaip glaceologija - mokslą apie ledą? Juk tam tikras Žemės planetos vietas gaubia įspūdingo dydžio ledo kepurės. Jūrai užšalus, Antarktidos ledo danga yra dvigubai didesnė už jos žemės plotą ir didina kontinentą apie 14 200 000 km2. Net vasaros metu visą kontinentą dengia 1,5 km storio ledo sluoksnis [5]. Antarktidos sniego kepurę sudaro 30 mln km3 ledo –  joje sukaupta 90% pasaulio ledo ir apie and 68% pasaulio gėlo vandens. Šios kepurės svoris toks didelis, kad dėl jo žemės plutos paviršius įdumba žemiau jūros lygio. Tokių kieto vandens masių kitimai, susidarymas ar tirpimas, gali turėti labai rimtų padarinių visos planetos vyksmams, veikti tiek negyvąją, tiek gyvąją gamtą. Todėl glaceologiniai tyrimai yra labai aktualūs. Vienas iš įdomiausių dalykų kiekvienam gali būti žinios apie ledo formų įvairovę ir jas lemiančius veiksnius.   

Vandens fazinių virsmų diagrama ir galimos ledo formos labai suprantamai aprašytos [6 ir 7]. Ledo polimorfizmą lemia tai, kad kristalinių gardelių susidarymas priklauso nuo slėgio ir temperatūros. Esant normaliam slėgiui, susidaro ledas I – jis turi dvi formas: Ih ir Ic (2 lentelė). Kitos formos – ledas II-XV susidaro esant dideliam slėgiui (>2 kba). Žemėje tokie slėgiai nepasiekiami net tose vietose, kur Žemės plutą spaudžia antarktinė ledo kepurė (0,5 kba). Šioms formoms būdingas didesnis tankis.

 

 

2 Lentelė Ledo polimorfizmas*

Ledo forma, žymėjimas

Susidarymo sąlygos

Kristaline gardelė

Struktūros

aprašymas

Savybės

Įprastas ledas Ih

Esant normaliam slėgiui ir <+4° C

Heksago-

nalinė

Vandeniliniais ryšiais susiję šešianarių struktūrų sluoksniai

stabilus

Kubinis ledas

Ic

Iš garų, esant normaliam slėgiui ir <-80 ° C

Kubinė

Deguonies atomai išsidėsto analogiškai anglies atomams deimanto gardelėje

Metastabilus, lengvai virsta Ih, temperatūrai kylant virš -80 ° C, tankis panašus į Ih, sudaro aukštus debesis

Ledas II

Esant 2 kba slėgiui

Rombo-

hedrinė

Šešianarės struktūros, kurių sluoksniai išsidėstę kitaip nei Ih – trigubos simetrijos sukimosi ašis

Tankis 1,17 g/ cm3

Ledas III

Esant 2 kba slėgiui

Tetragoninė

Kubinė tetragoninės simetrijos gardelė

Tankis 1, 17 g/ cm3

Ledas IV

Metastabili forma tarp ledo V ir VI

Ledas V

 

Esant 4-7 kba slėgiui

Monokli-

ninė

Sudaro žiedai iš 4,5,6 ir 8 vandens molekulių

Tankis 1,24 g/ cm3

Ledas VI

Esant 7-22 kba slėgiui

Tetragoninė,

beveik

kubinė

Sudaro 5 vandens molekulių sankaupos (klatratai), kuriose 1 centrinę molekulę supa 4 kitos molekulės. Molekulių sluoksniai persikloja

Tankis 1,31 g/ cm3

Ledas VII

Esant >22 kba slėgiui. Teoretiniais vertinimais, struktūra stabili iki 200 kba.

Kubinė

Sudaro tarsi 2 persiklojančios Ic gardelės 

Tankis 1,66 g/ cm3

Ledas VIII

Ledo VII modifikacija, būdinga mažoms temperatūroms

Ledas IX

Metastabili ledo III modifikacija http://www.lsbu.ac.uk/water/ice_ix.html

LedasX

http://www.lsbu.ac.uk/water/ice_x.html

Ledas XI

http://www.lsbu.ac.uk/water/ice_xi.html

Ledas XII

http://www.lsbu.ac.uk/water/ice_xii.html 

Ledas XIII

http://www.lsbu.ac.uk/water/ice_xiii.html

Ledas XIV

http://www.lsbu.ac.uk/water/ice_xiv.html

Ledas XV

http://www.lsbu.ac.uk/water/ice_xv.html

 

 

 

Mokslininkai daugelį iš jų, tačiau ne visas, yra gavę dirbtinio eksperimento sąlygomis. Tam tikros iš šių ledo formų gali susidaryti kosmose, pvz., kosminių kūnų susidūrimų metu.

Skaičiusieji Kurto Voneguto „Katės lopšys“ gali prisiminti rašytojo išgalvotą ledą IX, kuris yra galingas, visoms Žemės gyvybės formoms mirtinas ginklas, nes lydosi +60° C temperatūroje. Vienas šio fantastinio ledo kristalas galėjo sustingdyti visą vandenį Žemėje. Glaceologai teigia, kad reali Ledo IX forma tikrai egzistuoja, tačiau jis lydosi esant mažesnei nei 0° C temperatūrai. Ledas VII galėtų susidaryti po 1500 km ledo sluoksniu....

 

Stiklinis vanduo.

Norint sudaryti pilną vaizdą apie vandens fazinių formų įvairovę, negalima nepaminėti stiklinio arba amorfinio vandens [8]. Stiklinis vanduo susidaro, temperatūrai labai greitai nukritus žemiau stiklinio virsmo temperatūros Tg –130K (-133,15 oC), esant 1 bar. Greitai šaldant, vandens molekulės nespėja sudaryti tvarkingų gardelių. Nors stiklinis vanduo yra kietas, tačiau jo struktūra yra netvarkinga, molekulės išsidėsčiusios panašiai kaip skysto vandens. Žinoma daugybė amorfinio vandens formų, kurios skirstomos į tris pagrindines – (1) žemo tankio stiklinio vandens egzistavimas nustatytas dar 1935 m. (P.W. Bridgman), (2) didelio tankio – 1984 m. (O. Mishima ir kt., H.K. Heide); (3) labai didelio tankio – 1994 m. (O. Mishima). Taigi, vandeniui būdingas ne tik polimorfizmas (Ledas I-XV), bet ir poliamorfizmas.

Žemo tankio stiklinis vanduo (tankis 0.94 g/cm³) susidaro labai greitai ant lygaus metalo paviršiaus šaldant vandens garus arba vandenį. Jo savybės labai panašios į Ih, tačiau šildant iki Tg tik amorfinė forma virsta labai klampiu skysčiu. Teigiama, kad šios vandens formos gali būti kosminių kūnų paviršiuje.

Didelio tankio (1.17 g/cm³) stiklinis vanduo gaunamas, spaudžiant (>15000 atm.) Ih, esant mažesnei nei 150K temperatūrai. Ši forma susidaro iš žemo tankio stiklinio vandens, esant 5000 atm. slėgiui. Jau susidariusias didelio tankio stiklinio vandens formas yra stabilios – jas galima išlaikyuti neribotą laiką, esant 1 atm. slėgiui ir 77K temperatūrai.

Labai didelio tankio stiklinis vanduo susidaro šildant didelio tankio stiklinį vandenį iki 160 K, esant dideliam slėgiui (1 and 2 Gpa). Šios formos tankis yra 1.26 g/cm³ , esant normaliam slėgiui [9].

 

Snaigių formos    

Kalbėdami apie kietąją vandens fazę, galime grįžti į kasdienybę ir panagrinėti kiek makrokristalinių formų gali sukurti įprastas ledas Ih. Vienas iš įdomių dalykų, apie kuriuos ne visi žino – nuo ko priklauso žiemą iš dangaus krintančių snaigių forma ir jų įvairovė? Šis klausimas jau labai seniai domino žmones [10]. Dar 1611 m. J. Kepleris aprašė snaigių formas ir išdėstė nuomonę apie jų simetriją lemiančias priežastis. R. Dekartas skyrė šiems reiškiniams daug dėmesio 1963 m. publikuotame veikale „Les Mẻtẻores“. Jų formas 1665 m. aprašė ir garsusis Robertas Hukas. Vilsonas Bentlejus 1931 metais išleido fotografijų knygą „Sniego kristalai“, kurioje buvo apie 5000 skirtingų formų snaigių nuotraukų. Internete yra įspūdingų augančių snaigių kristalų filmų [10]. 

Snaigės yra pavieniai ledo kristalai, susidarantys aukštesniuosiuose atmosferos sluoksniuose, debesų vandens garų sublimacijos metu [11]. Snaigės nėra sušalę vandens lašai (kaip krušos ledai), iš mažų kristalizacijos centrų užaugę kristalai. Vienos iš dažniausių jų formų pavaizduotos 7 pav.    

 

 

7 pav. Būdingos snaigių formos (nuotraukos [11] autoriaus):

1 – sudėtingos simetrijos plokščias 2.1 mm skersmens kristalas, 2 – retesnis lygus plokščias 1,4 mm skersmens kristalas (būdingas, esant mažai temperatūrai <-20 oC ir mažai drėgmei) ; 3 – paprastas heksagonalinis 0,45 mm ilgio tuščiavidurės kolonos formos kristalas, 4 – sudėtingas daugiašakis 3 mm skersmens žvaigždinis dendritinis kristalas (būdingas esant -15 oC ir didelei drėgmei); 5 –”kepurėtas” 0,6 mm ilgio tuščiavidurės kolonos formos kristalas. Jis pradeda augti kaip (3), vėliau iš abiejų pusių priauga galai; 6 – adatos formos 1,1 mm ilgio kristalai (būdingi esant -5 oC). 

 

 

 

Sningant per padidinamąjį stiklą galima įžiūrėti ir daug mažiau taisyklingų formų nei pavaizduotosios 7 pav., kurių simetrija yra mišri arba ne tokia akivaizdi. V. Bentlejaus snaigių nuotraukos paskatino japoną Ukichiro Nakaya atlikti snaigių susidarymo priklausomybės nuo oro sąlygų tyrimus. U.Nakaya neapsiribojo natūralių snaigių tyrimais, jis buvo pirmasis, auginęs dirbtines snaiges laboratorijos sąlygomis. Jis nustatė būdingas tam tikroms sąlygoms snaigių formas, esant 1 atm slėgiui. Snaigių kristalų morfologijos diagrama pavaizduota 8 pav.    

 

 

 

8 pav. Snaigių formos priklausomybė nuo oro temperatūros ir drėgmės [11].

 

 

 

Snaigių morfologijos priklausomybė nuo sąlygų yra gana sudėtinga. Maži plokšti ledo kristalai pradeda formuotis jau –2 oC temperatūroje. Jų dydis priklauso nuo drėgmės – esant mažai garų, susidaro mažos plokščios plokštelės. Jei vandens garų daugiau – plokštelės storesnės, o esant didesnei drėgmei, gali susidaryti gražūs sudėtingos simetrijos plokšti dendritai. Kiek šaltesni orai (–5 oC) jau iš dangaus pažeria tuščiavidurių kolonų arba sniego adatų formos snaiges. Esant –15 oC, vėl vyrauja plokštelės, ir kuo daugiau drėgmės, tuo jos didesnės ir sudėtingesnės. Mažesnių plokštelių ir kolonų mišinys galimas, paspaudus stipresniems šalčiams (–20-30 oC). 

Dažnai klausiama, kodėl sudėtingesnėms snaigėms būdinga šešiakampė (heksagonalinė) simetrija? Tai paaiškinama tuo, kad labiausiai paplitusiai įprastinio ledo formai Ih yra būdinga heksagonalinė kristalinė gardelė. Snaigių augimas prasideda nuo labai mažų pradmenų – heksagonalinių prizmių, kurių plokštumose kristalas auga daug lėčiau, negu kraštinėse (9 pav.). Priklausomai nuo to, kuri iš briaunų pradeda augti greičiau, iš tokios geometrijos pradmenų gali susidaryti kolonos, adatos arba plokštelės. Mažos snaigės turi būtent tokias nesudėtingas formas, o joms toliau augant, forma darosi vis sudėtingesnė, nes kristalas pradeda šakotis (10 pav.)      

 

 

 

9 pav. Mažiausių ledo kristalų formos, nuo kurių prasideda snaigių augimas [12]. 

 

 

 

 

 

10 pav. Augantis paprastos plokštelės formos kristalas pasiekus tam tikrą dydį pradeda šakotis [11].

 

 

 

 

Žmonės dažnai klausia, ar gali būti visai vienodos snaigės, kiek jos skiriasi? Žinovai teigia, kad kuo sudėtingesnis kristalas, tuo unikalesnė jo forma. Paprastos adatos, kolonos, plokštelės beveik nesiskiria. Tačiau juo ilgiau formuojasi ledo kristaliukas, juo daugiau jo forma gali priklausyti nuo įvairių veiksnių, tuo unikalesnė ji tampa. Yra ir dar „įdomesnių“ nuomonių apie veiksnius, lemiančius ledo kristalų susidarymą...

 

3. Vanduo ir pseudomokslai

Išskirtinė biologinė vandens svarba greičiausiai lemia ir ganėtinai paplitusias su vandens savybėmis susijusias mokslo mistifikacijas, įvairiausius pseudomoksliniais teiginiais pagrįstus aiškinimus apie galimą vandens įtaką sveikatai, arba atvirkščiai, apie žmogaus psichinių jėgų įtaką vandens savybėms ir sudaromoms struktūroms. 

Pavyzdžiui, Masaru Emoto publikavo kelias knygas, kuriose teigia, kad žmogaus mintys ir jausmai veikia vandens kristalų įgaunamą formą. Jeigu šalia vandens talpos ištariamos gerumo frazės, vėliau iškristalintos vandens snaigės įgauna gražias simetrines formas, o pykti žodžiai ar blogi jausmai sukelia beformių snaigių susidarymą. M. Emoto aprašė eksperimentus, kurių metu prieš vandens talpas buvo grojama įvairi muzika. Klasikinė muzika, autoriaus teigimu, lėmė taisyklingos simetrijos, rokas – bjaurius ir nesimetriškus kristalus. 

Būtina pastebėti, kad šie teiginiai nebuvo publikuoti jokiuose moksliniuose žurnaluose ir patikrinti (pakartoti) kitų tyrėjų [13].

Paplitę ir teiginiai apie gydomasias įvairiais būdais pakeistos struktūros vandens savybes. Tai gali būti „gyvasis ir negyvasis“, katodinis arba anodinis vanduo. Distiliuotas vanduo tariamai praranda struktūrą ir todėl yra nesveika jį gerti. Tariamai struktūrizuotas vanduo geriau patenka į ląsteles, nei paprastas, nes struktūrizuoto vandens sankaupas sudaro 4-8, o paprasto – 10-15 vandens molekulių. Šie ir panašūs teiginiai nepatvirtinti jokiais moksliniais faktais.

Vandens atmintis. Visuomenėje vis atnaujinamos diskusijos apie tai, ar vanduo turi atmintį. Vienas iš šiuolaikinės homeopatijos mitų teigia, kad daugybę kartų praskiedus vaistinės medžiagos tirpalą, jis išlaiko gydomąjį poveikį, nes vandens struktūra „atsimena“ informaciją apie jame ištirpintos medžiagos savybes. Šio pseudomokslinio mito ištakos susijusios su prancūzų biologo Džeko Bonvenistės (Jacques Benveniste) 1985 metais atliktais tyrimais. Jis paskelbė rezultatus, kad ląstelių imuninį atsaką gali sukelti taip stipriai praskiestas imunoglobulino antikūnų tirpalas, kad jame jau negali būti likę ištirpusių antikūnų. Jis aiškino, kad vanduo „išlaikė atmintį“ apie jame buvusias medžiagos molekules. Šie rezultatai kai kurių homeopatų buvo viešinami kaip moksliniai jų teorijos įrodymai. Faktai įgavo daugiau galios, nes straipsnis apie šiuos reiškinius buvo publikuotas žurnale „Nature“ (!). Tačiau šių tyrimų rezultatų patikimumu chemikai stipriai abejojo, nes ištirpusios medžiagos sukeliami vandens struktūros pokyčiai yra laikini ir turi išnykti per sekundės dalis dėl stipraus šiluminio vandens molekulių judėjimo. Visi bandymai pakartoti Bonvenistes ekperimentus buvo nesėkmingi, kiek vėliau paaiškėjo, kad jų rezultatai paaiškinami nepakankamai gera eksperimento sąlygų kontrole. Tačiau publikuotas straipsnis nebuvo oficialiai paneigtas, todėl nežinantiems istorijos tęsinio gali būti sudėtinga atskirti tiesą nuo mistifikacijų.

Daugybė panašių pramanų skirta mulkinti neišprususiems naivuoliams (žr.[14])!   

 

Literatūra:

[1] http://lt.wikipedia.org/wiki/SI

[2] www.chem1.com/acad/sci/aboutwater.html

[3] http://www.lsbu.ac.uk/water/anmlies.html

[4] http://www.edinformatics.com/interactive_molecules/ice.htm

[5] http://www.doc.ic.ac.uk/~kpt/terraquest/va/science/snow/snow.html

[6] http://www.uwsp.edu/geo/projects/geoweb/participants/dutch/PETROLGY/Ice%20Structure.HTM

[7] http://www.lsbu.ac.uk/water/phase.html

[8] Mishima O, Stanley HE. The relationship between liquid, supercooled and glassy water. Nature, 1998, vol. 396, p. 329-335.

[9] http://en.wikipedia.org/wiki/Amorphous_ice#Very-high-density_amorphous_ice

[10] http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/earlyobs/earlyobs.htm

[11] Libbrecht K.G. The physics of snow crystals. Rep. Prog. Phys. 2005, vol. 68, 855-895.

[12] http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/primer/primer.htm

[13] http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/myths/myths.htm

[14] http://www.chem1.com/CQ/clusqk.html#PSCI

 

 

Kiti informacijos šaltiniai:

Philip Ball.  H2O. A biography of water. Phoenix, 1999, Guernsey press Co, Ltd.

http://witcombe.sbc.edu/water/

http://www.chem1.com/acad/webtext/geochem/05txt.html

http://www.dhmo.org/

http://www.dartmouth.edu/~etrnsfer/water.htm

http://www.quantumconsciousness.org/ultimatecomputing/index.html

Snaigių tiklalapiai:

http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/primer/primer.htm

http://www.theinternetsite.com/hhp/SnowFlakes/SnowFlakes.html

http://www.norcalblogs.com/watts/2007/01/post_2.html

http://www.livescience.com/environment/060113_snowflake_stamps.html

http://www.livescience.com/environment/050630_melting_discovery.html

http://www.livescience.com/environment/050524_water_H15O.html

http://www.livescience.com/environment/041201_water_bonds.html

Snaigių nuotraukos:

Pirmasis –W.A. Bentley 1925: http://snowflakebentley.com/

Esto Hermes Sarapuu:  http://www.hot.ee/her/lumi.html

Mark Cassino, Kalamazoo: http://www.markcassino.com/galleries/snowflakes/flake_thumbs.htm

http://www.sciencephotography.com/cgi-bin/emAlbum.cgi?cmd=show_thumbs&path=snowflakes_04_05

Japono H. Uyeda:http://radar.sci.hokudai.ac.jp/crystal/gallery.html

W. Wergin nuotraukos, gautos žemų temperatūrų skenuojančių ekeltroniniu mikroskopu:

http://emu.arsusda.gov/snowsite/default.html

 

 


Naturales Scientiae Omnibus