Simon Rozendaal

Een college van professor Simon: Ode aan ijs

Door Simon Rozendaal - 17 januari 2013

Ik geloof niet dat ik in God geloof maar als ik aanwijzingen voor zijn bestaan zou zoeken, dan is het in het gedrag van H2O.

Videocollege onderaan deze weblog

De stof diwaterstofoxide (of water zoals de meeste mensen het noemen) is een van de grootste mirakels van de schepping – pardon, van de evolutie. Er is ooit een Duitse natuurfilosoof (het zal vast Justus van Liebig geweest zijn, een briljante man, die we onrecht aandoen door hem als bedenker van het bouillonblokje te eren) geweest die heeft gezegd: ohne Phosphor keine Gedanken – zonder fosfor geen ideeën. Hij bedoelde dat het lichaam niet kan zonder sommige wat minder voor de hand liggende elementen als fosfor.

Ik zou die uitspraak willen veranderen tot: zonder water geen ideeën.

Evolutie

H2O is cruciaal. Wat we nu weten van de evolutie geeft aan dat het leven ooit is ontstaan in water. Het is begonnen met virussen en bacteriën, daaruit zijn op een gegeven moment vissen gegroeid. Om een lang verhaal kort te maken, die zijn het land opgekropen en vervolgens zijn via een aap en een mensaap u en ik geboren.

Het is vermoedelijk niet voor niets dat wij ons leven in water beginnen, binnen de baarmoeder. We kunnen eerder zwemmen dan ademen, we kunnen eerder zwemmen dan praten, we kunnen eerder zwemmen dan schaatsen. Dat is een soort herhaling van hoe het leven op aarde ontstaan is.

Uniek

Diwaterstofoxide is in chemisch en fysisch opzicht uniek. Water is klein. Het molecuul bestaat uit drie atomen: één zuurstofatoom en twee waterstofatomen. Dat is weinig: de meeste moleculen in ons lichaam bestaan uit duizenden, tienduizenden en soms uit miljoenen atomen.

Er zijn meer moleculen die zo klein zijn: waterstof en zuurstof (allebei twee atomen), kooldioxide en zwaveldioxide (ook drie atomen), ammoniak (vier atomen), methaan (vijf atomen).

Al die substanties zijn gasvormig bij kamertemperatuur. Water gaat pas bij honderd graden over in gas (dat we stoom noemen). Als water zich zou gedragen als andere kleine moleculen dan zouden er op aarde geen oceanen, zeeën, rivieren, meren, singels, geen regen, geen wolken, geen bloed en geen bier zijn. Het is moeilijk voorstelbaar dat het leven zoals wij dat kennen zich had kunnen ontwikkelen zonder vloeibaar water.

Raar

Hoe komt het dat water zich zo raar gedraagt? Omdat watermoleculen aan elkaar vast plakken. De waterstofatomen in water zitten niet hecht vast en daardoor kunnen ze bindingen vormen met het zuurstofatoom in andere watermoleculen. In chemisch jargon heet dit: waterstofbruggen.

Het gevolg hiervan is dat watermoleculen een veel sterkere onderlinge affiniteit hebben als vergelijkbare kleine moleculen. Om het in menselijke termen uit te drukken: water is een sociaal molecuul.

Een gas is chaos: het is niet voor niets dat de twee woorden dezelfde etymologische basis hebben. Alle atomen bewegen langs elkaar heen en er is geen enkele interactie. Daarentegen is een vaste stof de dood in de pot: alle atomen houden elkaar zo stevig vast dat ze nauwelijks kunnen bewegen.

Dansje

Een vloeistof daarentegen is een intrigerende tussenfase. De moleculen maken een dansje. Ze houden elkaar vast en zwieren. Dat dansen is bij watermoleculen veel inniger dan bij vergelijkbare kleine moleculen. Daarom is het moeilijker om door middel van verhitting chaos in een gezelschap watermoleculen te introduceren en kookt water pas bij honderd graden.

Water bevriest bij nul graden. Dan openbaart zich een tweede unieke eigenschap van water. De vaste fase van water (die we ijs noemen) is lichter dan de vloeibare fase (die we water noemen). Dat is uitzonderlijk. Ik zit dit artikel te tikken bij een brandende kaars. Boven op die kaars drijft gesmolten stearine. Zo is het overal: de vloeibare fase is lichter dan de vaste fase.

Water is dé uitzondering. Het heeft een dichtheid van duizend kilo per kubieke meter (één liter weegt een kilo) maar ijs heeft afhankelijk van hoe het ontstaan is een dichtheid van ongeveer 900 kilo per kubieke meter.

Pijler

En dus drijft ijs in en op water. Dat kunnen we dezer dagen volop buiten zien. Als de singel bevriest, zit het ijs niet aan de bodem vast maar bevindt zich boven op het water. We zijn er zelfs zo aan gewend dat we eigenlijk niet meer in staat zijn om te observeren dat dit vreemd is.

Dat onlogische en misschien zelfs absurde gedrag van water is een andere pijler onder het leven. Het is op aarde vaak heel koud. In onze contreien vriest het gemiddeld enkele dagen tot weken per jaar, in gebieden die wat dichter bij de polen liggen vriest het enkele maanden per jaar en er zijn in de geschiedenis van de aarde perioden geweest dat het 365 dagen per jaar vroor en dat duizenden jaren achter elkaar.

Hoe is het in hemelsnaam mogelijk dat het leven overleefd heeft?

Mosselen

Dan komt weer een andere buitenissige eigenschap van water. Onder het ijs is het warm. Water van 4 graden is zwaarder dan water van 6 graden, zwaarder dan water van 2 graden en ook zwaarder dan water van 0 graden.

Met andere woorden, op de bodem van die singel en dat meertje waarop u binnen enkele dagen kunt schaatsen, is het relatief warm: vier graden boven nul. Boven het ijs mag het vriezen dat het kraakt, daaronder is het aangenaam (althans, voor koudbloedige dieren als vissen, rivierkreeftjes, watervlooien en mosselen).

Dit verklaart waarom na elke winter, wanneer het ijs dooit, het leven binnen enkele dagen weer opbloeit. Zelfs na een IJstijd, wanneer het tienduizenden jaren berenkoud is geweest. Het leven is niet kapot te krijgen.

Met dank aan een unieke chemische substantie. H2O. Water is een wonder.

Ingelogde abonnees van Elsevier Weekblad kunnen reageren.