Αψηφώντας τους νόμους της Φυσικής Understand article
Μετάφραση Αντώνης Γίτσας, Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων (Antonis Gitsas), Τμήμα Φυσικής. Επιστήμονες του Ινστιτούτου Laue-Langevin (ILL) και του Πανεπιστημίου Joseph Fourier στη Γκρενόμπλ…
Μια από τις πρώτες μας επαφές με τη Φυσική, είναι οι μυστηριώδεις μεταμορφώσεις του νερού: από στερεό στην κατάψυξη, σε υγρό σε θερμοκρασία δωματίου, και τελικά αέριο πάνω στο μάτι της κουζίνας. Αργότερα μαθαίνουμε ότι, αν και οι διάφορες ουσίες μπορεί να έχουν τελείως διαφορετικές θερμοκρασίες τήξης και βρασμού, όλες μπορούν να μεταβούν από τη μία φάση στην άλλη – και το κλειδί είναι η θερμοκρασία. Όμως, τι συμβαίνει με κάτι που λιώνει όταν ψύχεται και στερεοποιείται όταν θερμαίνεται;
Ησυνταγή
Για να φτιάξετε το μυστηριώδες μείγμα που ανακάλυψαν οι επιστήμονες στη Γκρενόμπλ, ανακατέψτε 200 mg α-κυκλοδεξτρίνης (H6OC36O30) με 1 ml 4-μεθυλοπυριδίνης (H7C6N) και μια πολύ μικρή ποσότητα νερού. Το μείγμα θα πρέπει να είναι υγρό σε θερμοκρασία δωματίου. Όταν θερμανθεί, θα πρέπει να στερεοποιηθεί.
Ούτε το μείγμα, ούτε τα συστατικά του δεν είναι επικίνδυνα, μόνο που η 4-μεθυλοπυριδίνη μυρίζει άσχημα.
Η Marie Plazanet, Βοηθός Ερευνήτρια στο ILL, και οι συνεργάτες της βρήκαν ένα υδατικό διάλυμα που σχηματίζει ένα γαλακτώδες στερεό αν θερμανθεί στους 60 oC περίπου, και ξαναγίνεται ένα ομογενές, διάφανο υγρό αν ψυχθεί. Το διάλυμα είναι ένα μείγμα νερού, ενός σακχάρου που ονομάζεται α-κυκλοδεξτρίνη, και μεθυλοπυριδίνης, ενός συστατικού των πλαστικών.
Για να καταλάβετε πόσο περίεργο είναι αυτό, λέει η Giovanna Cicognani, Επιστημονική Υπεύθυνος στο ILL, φανταστείτε ένα ποτήρι Coca-Cola® με παγάκια. “Όλοι ξέρουν τι θα γίνει τελικά – ο πάγος θα λιώσει και η Coca-Cola θα κρυώσει λίγο. Σε αυτήν την περίπτωση, όμως, όταν θερμάνετε το ποτήρι στους 60°C, όλο το περιεχόμενο θα στερεοποιηθεί”.
ένα όργανο ανελαστικής
σκέδασης νετρονίων
Οι επιστήμονες μελέτησαν την ουσία χρησιμοποιώντας νετρόνια που παρήχθησαν από έναν ερευνητικό πυρηνικό αντιδραστήρα του ILL. Μια αλυσιδωτή αντίδραση παράγει νετρόνια τα οποία συλλέγονται σε μια ελεγχόμενη, καλά εστιασμένη δέσμη, που οδηγείται πάνω σε κρυστάλλους ή άλλα υλικά υπό μελέτη. Τα νετρόνια της δέσμης συγκρούονται με τα νετρόνια του δείγματος, σχηματίζοντας μια εικόνα περίθλασης που μπορεί τελικά να μετατραπεί σε μια εικόνα υψηλής ανάλυσης. Αυτό μας δίνει έναν χάρτη του δείγματος άτομο προς άτομο.
“Χρησιμοποιήσαμε νετρόνια για να εξετάσουμε τις εσωτερικές ιδιότητες του μείγματός μας, δείχνοντας ότι στη στερεά φάση σχηματίζεται μια άκαμπτη και οργανωμένη δομή, ακόμα και αν ένα άλλο μέρος του μείγματος παραμένει υγρό”, εξηγεί ο Ralph Schweins, επιστήμονας του ILL και μέλος της ομάδας του πειράματος.
Οι επιστήμονες της Γκρενόμπλ πιστεύουν ότι αυτή η μεταβολή φάσης μπορεί να εξηγηθεί με το σχηματισμό και το σπάσιμο δεσμών υδρογόνου. Πάνω από τους 60°C, σχηματίζονται δεσμοί υδρογόνου είτε μεταξύ της κυκλοδεξτρίνης και της μεθυλοπυριδίνης, είτε μεταξύ της κυκλοδεξτρίνης και των μορίων νερού, διατηρώντας τη σταθερότητα του στερεού. Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, αυτοί οι δεσμοί υδρογόνου σπάζουν και σχηματίζονται νέοι δεσμοί υδρογόνου ανάμεσα στα μόρια της κυκλοδεξτρίνης, πράγμα που κάνει το στερεό να ξαναγίνεται υγρό. Η μελέτη των μοριακών κινήσεων στο διάλυμα με υπολογιστικά μοντέλα έχει επιβεβαιώσει αυτά τα αποτελέσματα.
Επομένως η ουσία αυτή δεν αψηφά στην πραγματικότητα τους νόμους της Φυσικής. Όμως δείχνει μερικές ενδιαφέρουσες πλευρές των δεσμών υδρογόνου, οι οποίοι παίζουν σημαντικό ρόλο στη ζωή μας – και όχι μόνο όταν κάνει κρύο και ευχόμαστε να χιονίσει!
Δεσμοί υδρογόνου
Το νερό είναι μέλος ενός συνόλου ουσιών που ονομάζονται υδρίδια της ομάδας VI του περιοδικού πίνακα. Πολλές από αυτές είναι δύσοσμα αέρια: υδρόθειο, υδροσελήνιο, και υδροτελλούριο – το ένα πιο βρωμερό από το άλλο. Αυτό αληθεύει για όλα τα υδρίδια της ομάδας VI; Όχι ακριβώς. Το οξείδιο του υδρογόνου αποτελεί εξαίρεση από πολλές απόψεις: Πρώτον, είναι άοσμο. Δεύτερον, είναι υγρό σε θερμοκρασία δωματίου. Επιπλέον, μπορεί να γίνει και επικίνδυνο: παρατεταμένη επαφή με στερεό οξείδιο του υδρογόνου μπορεί να προκαλέσει βλάβες στους ιστούς, και καυτοί ατμοί του να προκαλέσουν σοβαρά εγκαύματα. Παρόλα αυτά, το οξείδιο του υδρογόνου – δηλαδή το νερό – είναι επίσης απαραίτητο για τη ζωή στη Γη.
Και τι κάνει το νερό τόσο ξεχωριστό από τα υπόλοιπα υδρίδια της ομάδας VI; Κατά κύριο λόγο, οι δεσμοί υδρογόνου.
Ο δεσμός υδρογόνου είναι μια ελκτική δύναμη που υπάρχει μεταξύ πολικών μορίων αντίθετου φορτίου. Όπως υποδηλώνει το όνομά του, στη μια άκρη του δεσμού βρίσκονται άτομα υδρογόνου. Τα μόρια του νερού, για παράδειγμα, είναι πολικά μόρια τα οποία έχουν εν μέρει αρνητικό φορτίο (το άτομο του οξυγόνου) και εν μέρει θετικό φορτίο (τα άτομα του υδρογόνου). Όταν τα μόρια του νερού βρίσκονται σε κοντινή απόσταση, τα θετικά και τα αρνητικά τους φορτία έλκονται μεταξύ τους.
Οι δεσμοί υδρογόνου που σχηματίζονται μεταξύ ατόμων υδρογόνου ευθύνονται για κάποιες από τις βασικές – και μοναδικές – ιδιότητες του νερού. Το νερό διατηρείται υγρό σε ένα μεγάλο εύρος θερμοκρασιών λόγω της έλξης των δεσμών υδρογόνου. Αυτό συμβαίνει επειδή η ενέργεια που χρειάζεται για να σπάσουν πολλοί δεσμοί υδρογόνου κάνει το νερό να έχει μεγάλη θερμότητα εξάτμισης. Με άλλα λόγια, χρειάζεται μια μεγάλη ποσότητα ενέργειας για τη μετατροπή υγρού νερού, στο οποίο τα μόρια συνδέονται με δεσμούς υδρογόνου, σε αέριο νερό, όπου τα μόρια δεν συνδέονται.
- Μπορείτε να σκεφτείτε μια πρακτική εφαρμογή του καινούργιου μείγματος;
- Μπορείτε να σκεφτείτε άλλα μείγματα που να συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο;
- Εξηγήστε το δεσμό υδρογόνου με δικά σας λόγια.
- Γιατί οι δεσμοί υδρογόνου είναι τόσο ισχυροί στο νερό και όχι σε άλλα υδρίδια της ομάδας VI;
- Γνωρίζετε άλλα παραδείγματα σύνδεσης με δεσμούς υδρογόνου;
- Έχετε υπόψη σας καμία εφαρμογή της μεταβολής φάσεων;
- Τι γνωρίζετε για τη σκέδαση νετρονίων; Τι σχετικό μπορείτε να βρείτε στο Διαδίκτυο;
Resources
- Τα αποτελέσματα περιγράφονται πιο αναλυτικά στο άρθρο: Plazanet M. etal. (2004) Freezing on heating of liquid solutions. Journal of Chemical Physics 121: 5031-5034, doi: 10.1063/1.1794652
- Χάρη στη διεθνή του υποστήριξη και στην εξειδίκευση, το Ινστιτούτο Laue-Langevin (ILL) προσφέρει στους επιστήμονες και τη βιομηχανία τις καλύτερες εγκαταστάσεις του κόσμου στην επιστήμη και την τεχνολογία των νετρονίων. Στη Γκρενόμπλ, στη νοτιοανατολική Γαλλία, το Ινστιτούτο χρησιμοποιεί την πιο ισχυρή πηγή νετρονίων της Γης. Για πληροφορίες σχετικά με το ILL, την έρευνα και τις δραστηριότητές του, επισκεφτείτε το: www.ill.fr
- Πληροφορίες για το Πανεπιστήμιο Joseph Fourier της Γκρενόμπλ μπορούν να βρεθούν στο: www.ujf-grenoble.fr
Institutions
Review
Οι νόμοι της Φυσικής αψηφούνται μόνο φαινομενικά. Με γλαφυρό τρόπο, μαθαίνουμε ότι η αέρια φάση δεν ακολουθεί αναγκαστικά την υγρή καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται. Αντίθετα, ορισμένες ουσίες λιώνουν όταν ψύχονται. Αυτό το άρθρο δίνει ένα ωραίο παράδειγμα μελέτης ενός παλιού θέματος (των δεσμών υδρογόνου) υπό το φως πρόσφατων ανακαλύψεων.
Monika Musilek-Hofer, Αυστρία