Unul dintre lucrurile de bază pe care le învățăm la orele de știință la școală este că apa poate exista în trei stări diferite: gheață solidă, apă lichidă sau vapori gazoși. Dar recent, o echipă internațională de oameni de știință a găsit semne că apa lichidă poate exista de fapt în două state diferite.
În timp ce desfășurau lucrări de cercetare - rezultatele au fost publicate ulterior în Jurnalul Internațional de Nanotehnologie - oamenii de știință au descoperit în mod neașteptat că o serie de proprietăți se schimbă în apă cu o temperatură de 50 până la 60 ℃. Acest semn al existenței posibile a unei a doua stări lichide de apă a stârnit o dezbatere aprinsă în cercurile științifice. Dacă acest lucru este confirmat, atunci descoperirea va găsi aplicații în multe domenii. Dacă acest lucru este confirmat, atunci descoperirea va găsi aplicații în multe domenii, inclusiv nanotehnologia și biologia.
Stările agregate, care se mai numesc și „faze”, sunt conceptul cheie al teoriei sistemelor de atomi și molecule. Aproximativ vorbind, un sistem format din mai multe molecule poate fi organizat sub forma unui anumit număr de configurații în funcție de cantitatea sa totală de energie. La temperaturi ridicate (și, prin urmare, la un nivel de energie mai ridicat), un număr mai mare de configurații sunt disponibile pentru molecule, adică sunt mai puțin organizate rigid și se mișcă relativ liber (faza gazoasă). La temperaturi mai scăzute, moleculele au mai puține configurații și se află într-o fază mai organizată (lichidă). Dacă temperatura scade și mai scăzută, aceștia își vor asuma o configurație definitivă și vor forma un solid.
Aceasta este starea generală a moleculelor relativ simple, cum ar fi dioxidul de carbon sau metanul, care au trei stări distincte (lichid, solid și gaz). Dar moleculele mai complexe au un număr mai mare de configurații posibile, ceea ce înseamnă că numărul fazelor crește. O ilustrare excelentă a acestui fapt este comportamentul dublu al cristalelor lichide, care sunt formate din complexe de molecule organice și care pot curge ca lichide, dar care păstrează totuși o structură cristalină solidă.
Deoarece fazele unei substanțe sunt determinate de configurația sa moleculară, multe proprietăți fizice se schimbă dramatic atunci când o substanță trece de la o stare la alta. În studiul menționat anterior, oamenii de știință au măsurat mai multe proprietăți de control ale apei între 0 și 100 ℃ în condiții atmosferice normale (astfel încât apa să fie lichidă). În mod neașteptat, au descoperit variații dramatice ale proprietăților, cum ar fi tensiunea superficială a apei și indicele de refracție (indicele care reflectă modul în care lumina se deplasează prin apă) la temperaturi de aproximativ 50 ℃.
Structură specială
Cum este posibil acest lucru? Structura moleculei de apă, H₂O, este foarte interesantă și poate fi descrisă ca un fel de săgeată, în care atomul de oxigen se află în vârf, iar doi atomi de hidrogen îl „însoțesc” de pe flancuri. Electronii din molecule tind să fie distribuiți asimetric, motiv pentru care molecula primește o sarcină negativă din partea oxigenului în comparație cu partea hidrogenului. Această caracteristică structurală simplă duce la faptul că moleculele de apă încep să interacționeze între ele într-un anumit mod, sarcinile lor opuse atrag, formând așa-numita legătură de hidrogen.
Video promotional:
Acest lucru permite apei să se comporte în multe cazuri diferit de ceea ce au observat alte lichide simple. De exemplu, spre deosebire de majoritatea celorlalte substanțe, o anumită masă de apă ocupă mai mult spațiu într-o stare solidă (sub formă de gheață) decât în stare lichidă, datorită faptului că moleculele sale formează o structură regulată specifică. Un alt exemplu este tensiunea superficială a apei lichide, care este de două ori mai mare decât a altor lichide nepolare și mai simple.
Apa este destul de simplă, dar nu copleșitoare. Aceasta înseamnă că singura explicație pentru faza suplimentară a apei care s-a manifestat este că se comportă puțin ca un cristal lichid. Legăturile de hidrogen dintre molecule mențin o anumită ordine la temperaturi scăzute, dar pot ajunge și la o altă stare mai liberă odată cu creșterea temperaturii. Aceasta explică abaterile semnificative observate de oamenii de știință în timpul cercetării.
Dacă totul este confirmat, concluziile autorilor pot găsi multe utilizări. De exemplu, dacă schimbările din mediu (de exemplu, temperatura) implică modificări ale proprietăților fizice ale unei substanțe, teoretic aceasta poate fi utilizată pentru a crea echipamente de detectare. Sau o puteți aborda mai fundamental - sistemele biologice constau în principal din apă. Modul în care moleculele organice (cum ar fi proteinele) interacționează între ele depinde probabil de modul în care moleculele de apă formează faza lichidă. Dacă înțelegem cum se comportă în medie moleculele de apă la diferite temperaturi, putem clarifica modul în care acestea interacționează în sistemele biologice.
Această descoperire este o mare oportunitate pentru teoreticieni și experimentatori și, de asemenea, un exemplu excelent al faptului că chiar și cea mai familiară substanță poate ascunde secrete în sine.
