Međumolekulske sile - uslov života
Piše: prof. dr Vera Dondur

Vodonične veze između molekula vode predstavljaju razlog zašto led pliva na površini vode. Struktura čvrstih supstancija je obično takva da su atomi u njima gušće pakovani nego u tečnoj fazi. Međutim, kada je voda u pitanju, to nije slučaj. Molekuli vode u ledu zahvaljujući vodoničnim vezama grade otvorenu strukturu, i zato led ima manju gustinu od vode. Dužina H-O veze je 1,0 Å (Angstrem, 10^-10 m) dok je dužina O...H 1,8 Å.

U ledu su molekuli vode uređeni tako da grade otvorenu heksagonalnu strukturu. Led pliva na površini reka jezera i okeana, što omogućava živom svetu da preživi uprkos niskim temperaturama koje vladaju tokom zime, i koje na Zemljinim polovima traju dobar deo kalendarske godine.

Tako se može reći da su međumolekulske sile, vodonična veza - uslov života.

 Vodonične veze
Piše: prof. dr Slobodan Macura

Kod molekula vode, ogoljeni atom vodonika (ogoljen jer je eletronski oblak uglavnom skoncentrisan oko atoma kiseonika) zbog svojih malih dimenzija može da priđe atomu kiseonika u susednom molekulu kada, zbog različitih naelektrisanja, dolazi do relativno jakog privlačenja među njima. Ta privlačna sila je dosta slabija od one koja nastaje u hemijskoj vezi O-H, ali je znatno jača od uobičajenog međumolekulskog privlačenja. Pošto je u najvećoj meri uslovljena dimenzijama i naeletrisanjem vodonika, ta nova međumolekulska veza se naziva vodonična veza. Još uvek se debatuje o pravom karakteru vodonične veze: da li je delimično kovalentna kao 'standardna' hemijska veza ili je čisto elektrostatička, kao druge međumolekulske sile. Taj mešoviti karakter čini je još uvek miste-rioznom kako za hemiju tako i za fiziku, ali i potpuno originalnom prirodnom pojavom koja se danas ispituje brojnim fizičkohemijskim metodama.

Molekul vode može da obrazuje četiri vodonične veze: dve kao donor (davalac) i dve kao akceptor (primalac) vodonika. Zbog karakteristične raspodele naelektrisanja oko atoma kiseonika, vodonične veze obrazuju tetraedar u čijem centru je atom kiseonika. U ledu je takav raspored očuvan kroz celu kristalnu rešetku, te u čvrstom stanju svaki molekul vode ima četiri vodonične veze.

U tečnoj fazi, međutim, zbog toplotnog kretanja, vodonične veze se stalno obrazuju i raskidaju te svaki molekul u proseku obrazuje 3,4 vodonične veze. To znači da najvećI broj molekula obrazuje četiri vodonične veze ali ima i onih sa tri (ili manje). Molekuli sa manje od četiri veze ne moraju biti u tetraedarskom rasporedu u odnosu na okolne molekule te su šupljine, nastale pravilnim tetraedarskim uređenjem, delimično popunjene. To dovodi do povećanja broja molekula po jedinici zapremine, tj. do porasta gustine tečnosti u odnosu na kristal. Dakle, anomalna promena gustine (opadanje gustine pri topljenju leda) objašnjava se smanjenjem broja vodoničnih veza u tečnosti u odnosu na kristal.  Zbog toga led pliva po površini vode a voda u prirodi mrzne od površine ka dnu. Time se i pri najvećim hladnoćama sprečava kompletno mržnjenje velikih vodenih masa (reka, jezera, mora) što omogućava opstanak vodenim biljkama i životinjama. Međutim, ista pojava, širenje vode posle prelaska iz tečne u čvrstu fazu dovodi do pucanja cevi i flaša sa vodom, havarija na brodovima okovanih ledom u severnim morima, uginuća biljaka i životinja posle zamrzavanja, itd. Dakle, vodonične veze nisu samo kuriozitet fizičke hemije već mikroskopska pojava s velikim uticajem na život na Zemlji i na civilizaciju.

Voda
Kako iz ugla fizičke hemije može da izgleda kratka priča o najsloženijoj jednostavnoj supstanciji
Piše: dr Branislav Simonović

Naizgled najjednostavnija supstancija - voda, sastavljena od dva atoma vodonika (H) i jednog atoma kiseonika (O), posmatrana okom fizikohemičara pokazuje mnoge anomalne (neuobičajene) osobine. Često se kaže da baš od tih anomalnih svojstava vode zavisi život. Poznato je da organizmi sadrže visok procenat vode i da voda ima veliki toplotni kapacitet. Otuda potiče sposobnost organizma da vrši toplotnu regulaciju i da sprečava velike lokalne promene temperature. Velika toplota isparavanja sprečava dehidrataciju (gubljenje vode) a u isto vreme doprinosi hlađenju pri isparavanju. Voda je i izvrstan rastvarač jer je polarna, ima veliku dielektričnu konstantu i male molekule. Njena jedinstvena hidrataciona svojstva kod bioloških makromolekula (posebno kod proteina i nukleinskih kiselina) određuju trodimenzionu strukturu, a time i njihove funkcije u rastvoru. Hidratacijom ovih makromolekula nastaju gelovi koji reverzibilno mogu da prelaze u solove i ovi fazni prelazi utiču na mnoge ćelijske mehanizme. Uloga vode u organizmu je višestruka. Voda prenosi, podmazuje, hemijski reaguje, stabiliše, signalizuje, učestvuje u izgradnji ili u razgradnji struktura.

Sudeći po osobinama drugih jedinjenja kiseonika i vodonika, voda bi trebalo da bude delimično isparljiv gas. Ona je tečna s 200.000 puta većom gustinom nego što se očekuje na osnovu čvrstih pravila periodnog sistema.

Vodena para igra veoma značajnu ulogu u klimatskim promenama. Oblaci su, u stvari, kapljice vode ili kristalići leda suspendovani u vazduhu. Kondenzacijom vodene pare nastaju kapljice vode (prečnika oko 0,01 mm) ili kristalići leda. Milijarde ovakvih kapljica ili kristalića vide se kao oblak. Oblaci reflektuju jednako sve talasne dužine vidljive svetlosti, pa su zbog toga beli. Magla je oblak u konaktu sa zemljom. Prema načinu na koji nastaje, razlikuje se čak 8 vrsti magle.

Zanimljiva je i značajna uloga vodene pare u nastajanju tzv. efekta staklene bašte, mada se to često previđa. Atmosfera je Zemljin vazdušni omotač, nalik na prirodni "prekrivač", koji zadržava toplotu izračenu sa zemlje. Polovina sunčevog zračenja prolazi kroz atmosferu i zagreva Zemlju a druga polovina se reflektuje nazad. Pošto je primila izvesnu količinu toplote, Zemlja se ponaša kao zagrejano telo koje zrači. Iz zakona zračenja može da se izračuna koje će talasne dužine da zrači telo (zemlja) zagrejano na +7 oC, što je prosečna zemljina temperatura. To zračenje je u oblasti talasnih dužina 500 - 1800 cm-1. U toj oblasti najvažniji "gasovi u tragovima" u atmosferi (vodena para, ugljendioksid i ozon) apsorbuju zračenje. Na osnovu sadržaja pojedinih "gasova u tragovima" može da se izračuna da oko 60% uticaja na efekat staklene bašte potiče od vodene pare, oko 20% od ugljendioksida i oko 20% od ostalih gasova (ozon, azotovi oksidi, metan, i dr.). Toliki uticaj vodene pare mogao bi da bude poguban po dalje zagrevanje zemlje. Povećanim isparavanjem vode nastaju oblaci. Oblaci, kao što je već rečeno, reflektuju najveći deo sunčevog zračenja i time smanjuju količinu toplote koja dolazi na Zemlju. Vodena para u oblacima, dakle, doprinosi i smanjenju zagrevanja Zemlje. Priroda se još jednom postarala da uravnoteži pozitivne i negativne uticaje.

Oko fizikohemičara može da vidi mnogo više i kod tako "jednostavne" supstance kao što je voda. Tako su kod vode uočena brojna anomalna svojstva, čak 41 neuobičajeno svojstvo. Od neobično visoke tačke topljenja, tačke ključanja, kritične tačke, površinskog napona, viskoznosti, toplote isparavanja, preko toga da se voda skuplja pri topljenju ili da joj gustina raste pri zagrevanju do 3,984 oC, sve do toga da su vibracije u toploj vodi duže nego u hladnoj. Radoznaliji čitaoci potražiće literaturu o svakoj od 41 anomalne osobine vode.

Priča o neobičnosti obične vode mogla bi da se nastavi i opisivanjem kapljica vode koje mogu da postoje, zajedno s kubičnim kristalima leda, čak i na temperaturi od -70 oC, a koje mogu da se dobiju iz amorfnog staklastog leda koji se javlja između -123 oC i -149 oC. Pominjanje leda, dakle vode u čvrstom stanju, uvodi nas u oblast niskih temperatura i u priču o ledu, snegu i snežnim pahuljicama. Mnogi od nas uživaju posmatrajući kako pada sneg, hvataju pahuljice i čude se raznolikosti njihovih oblika i veličina. Kao što je to još 1635. godine činio Blez Paskal: "Teško mi je da zamislim kako su nastali i kako je tako potpuno simetrično postavljeno tih šest zubaca oko svakog zrna i to usred vazduha koji se meša vrlo jakim vetrom..." Zaneti lepotom prizora nisu ni razmišljali da su neke oči fizikohemičara sve to mnogo detaljnije posmatrale i proučavale. Od kristalne strukture leda i uslova u kojima mogu da nastanu, sve do raznolikosti kristalnih oblika. Tako je nađeno da voda, kao nijedna druga supstanca, ima čak 14 različitih kristalnih oblika leda; da je najčešći oblik leda heksagonalna kristalna rešetka, pa otuda i Paskalovo zapažanje o "šest zubaca"; da snežni kristalići ne nastaju smrzavanjem kišnih kapi već vodene pare, što se dešava u oblacima. Međunarodna komisija za sneg i led ustanovila je 1951. godine 7 glavnih tipova snežnih kristala; prema drugoj klasifikaciji ima ih 41, a prema trećoj čak 80 različitih morfoloških tipova. Neki od tih kristalnih oblika (kao na slici levo) izdvajaju se svojom lepotom.

Iz navedenih primera o osobinama i ponašanju jednog naizgled jednostavnog jedinjenja kao što je voda, vidi se da se pažljivijem posmatraču ili radoznalijem čitaocu nameće još mnogo novih pitanja - zašto led pliva po vodi? zašto je voda u jezeru plava kad je u čaši bezbojna? zašto je led bele boje kad su pojedinačni kristalići snega bezbojni... I na ova pitanja fizička hemija ima odgovore. Da neko ne pomisli da fizička hemija ima odgovore na sva moguća pitanja. To bi onda bio kraj nauke! Ostalo je još mnogo otvorenih pitanja za čijim se odgovorima i dalje traga. Otuda i toliko posla i izazova za sadašnje i buduće fizikohemičare. Za prave fizikohemičare posla će uvek biti jer svaki novi odgovor uvek postavlja nova pitanja.

Fizička hemija i Nobelova nagrada
Piše: prof. dr Slobodan Macura

Alfred Nobel je u svom testamentu odredio da se godišnja nagrada dodeljuje za dostignuća u fizici, hemiji, medicini, književnosti i za doprinos miru. Nobel je discipline odredio prema svom interesu ne sluteći da će nagrada koja nosi njegovo ime dostići značaj planetarnih razmera i da će izostavljanje drugih važnih disciplina izgledati kao velika nepravda.

Za druge discipline koje nisu obuhvaćene Nobelovim testamentom postoji niz nagrada ali su one manje poznate od Nobelove. Možda je najpoznatija Abelova nagrada, ustanovljena 2002. godine u čast poznatog norveškog matematičara Nilsa Herika Abela (1802-1829) koju, za matematiku, dodeljuje Norveški kralj. Ova nagrada ustanovljena je po ugledu na Nobelovu (računajući i novčani iznos) i često se pominje kao "Nobelova nagrada za matematiku".

Fizička hemija i fizikohemičari su impresivno zastupljeni među dobitincima nagrade za hemiju mada se nigde izričito ne pominju.

Oko jedne trećine nagrada za hemiju odnosi se ili na fizičku hemiju ili na fizikohemičare. Tako su se među prvim dobitincima nagrade za hemiju našli osnivači moderne fizičke hemije, van Hof, Arenijus i Ostvald (osnovali Zeitschrift für physikalische Chemie 1887. godine što se smatra početkom moderne fizičke hemije). Prvu Nobelovu nagradu za hemiju 1901. godine dobio je van Hof za istraživanja brzina hemijske reakcije, hemijskih ravnoteža i osmotskog pritiska; već 1903. Arenijus dobija ovo veliko priznanje za otkriće elektrolitičke disocijacije, a 1909. Ostvald za istraživanja katalize, reakcionih brzina i hemijskih ravnoteža. 

Drugi poznati dobitnici su Vilijam Remzi (1904. za otkriće plemenitih gasova), Ernest Raderford (1908. za transmutaciju hemijskih elemenata), Marija Kiri (1911. za otkriće radijuma i polonijuma), Valter Nernst (1920. za radove u termohemiji), Irving Langmir (1932. za otkrića u polju površinske hemije), Frederik Žolio i Irena Kiri (1935. za sintezu novih radioaktivnih elemenata), Oto Han (1944. za otkriće fisije), Linus Poling (1954. za istrživanja o prirodi hemijske veze)...

Značajni pronalasci iz fizičke hemije za koje su dodeljene nagrade su poreklo izotopa (Frederik Sodi, 1921), otkriće izotopa (Frensis Aston, 1922), principi koloidne hemije (Ričard Zigmondi, 1925. i Teodor Svedberg, 1926.), otkriće deuterijuma (Harold Juri, 1934), dipolni momenti molekula (Peter Debaj, 1936), upotreba izotopa za ispitivanje hemijskih procesa (Džordž de Hevesi, 1943), otkriće transuranskih elemenata (Edvin Makmilan i Glen Siborg, 1951) otkriće particione hromatografije (Arčer Martin i Ričard Sajndž, 1952), otkriće polarografije (Jaroslav Hojrovski, 1959), datiranje pomoću izotopa ugljemika 14C (Vilard Libi, 1960), priroda hemijske veze pomoću molekulskih orbitala (Robert Maliken 1966)...

Interesantno je da su vremenom granice među naukama i među naučnicima sve slabije što vrlo lepo ilustruje dodela Nobelove nagrade za 2003. godinu: nagradu za hemiju podelila su dva lekara (Peter Agre i Roderik Makinon: za ispitivanje kanala u ćelijskim membranama), a za medicinu fizičar i hemičar (Peter Mensfild i Pol Lauterbur: za otkriće magnetno rezonantne tomografije).

Klatrati - između fizike i hemije
Piše: prof. dr Slobodan Macura

Klatrati su čvrste supstancije koje se obično sastoje od dve komponente (hemijska elementa ili jedinjenja) od kojih jedna gradi mrežu kaveza u kojima su zarobljeni molekuli drugog. Pošto je mreža pravilna, odnos komponenata može tačno da se definiše. Dakle, stehiometrijski gledano, klatrati mogu da se smatraju hemijskim jedinjenjima i mogli bi da se izučavaju u okviru hemije. S druge strane, među komponentama se interakcija ostvaruje pomoću međumolekulskih sila, znatno slabijih od hemijske veze, što bi spadalo u domen fizike. Međutim, osobine klatrata zavise kako od hemijskog sastava tako i od fizičkih uslova pod kojima nastaju, tako da za njihovo potpuno razumevanje treba imati u vidu i hemijski sastav i fizičke uslove, čime se upravo bavi fizička hemija.

Klatrati u kojima mrežu kaveza sačinjavaju molekuli vode (H2O) nazivaju se klatratni hidrati, a ako su u mrežu zahvaćeni molekuli nekog gasa onda gasni hidrati. Poznati su gasni hidrati vodonika, argona, metana, ugljovodonika... Recimo, idealni sastav hidrata metana je CH4ˇ 5,75 H2O a elementarni strukturni motiv sastoji se od 46 molekula vode koji obrazuju 8 šupljina u koje mogu da se smeste molekuli metana (CH4). Nekada se smatralo da hidrati metana u prirodi mogu da se nađu samo na ledenim satelitima udaljenih planeta (Saturn). Ali, otkriveno je da se ogromne količine klatrata metana nalaze na Zemlji u dubinama ledenih mora, tamo gde su u kontaktu voda i metan na niskoj temepraturi i visokom pritisku. Pretpostavlja se da klatrati metana predstavljaju najveći, još neiskorišćen, rezervoar prirodnog gasa.

Dakle, ispitivanje klatrata ima mnogo širi interes od čiste naučne radoznalosti. Pored moguće ekspolatacije metana iz klatrata sa dna polarnih mora, postoji i drugi niz vrlo praktičnih i važnih razloga za njihovo izučavanje. Na primer, postoji opasnost da u slučaju zemljotresa dođe do velikih odrona klatrata metana i naglog oslobađanja gasovitog metana, što bi moglo da izazove katastrofalni cunami talas. Pored toga, metan je poznati izazivač efekta staklene bašte te bi njegovo oslobađanje u velikim količinama imalo pogubni uticaj na klimu.

Poznato je da u polarnim predelima u gasovodima dolazi do stvaranja klatrata koji dovode do zapušavanja cevi. Upravo ta činjenica podstakla je razmišljanja o transportu prirodnog gasa u obliku klatratnih hidrata.