Biografie van een rare stof

H2 O is waarschijnlijk de enige chemische formule die geschikt is als titel voor een populair-wetenschappelijk boek. Een prachtige titel derhalve over een stof die zo alom aanwezig is op aarde en zoveel facetten kent, dat het niet eenvoudig is daar een leesbaar, coherent boek over te schrijven....

In feite gaat het boek over alles. Wat wil je ook: het aardoppervlak bestaat voor tweederde uit water, terwijl mens en dier eveneens voor het overgrote deel uit water zijn opgebouwd. Dat gegeven levert meer dan voldoende stof op voor een flink dik boek.

Je kunt het per slot zo gek niet bedenken of water heeft een zekere functie of speelt een hoofdrol. Dat gaat van het wereldklimaat tot het drinkwater uit de kraan, van irrigatie ten behoeve van de landbouw tot tornado's, van verwoestijning in Afrika tot extreem verdunde oplossingen die in de homeopathie worden gebruikt.

Ball heeft al enkele populair-wetenschappelijke boeken op zijn naam staan, de meeste over chemische onderwerpen, waaronder een boek over de toepassing van nieuwe materialen. Zijn 'biografie' over water, door hem aangeduid als 'het blauwe goud', lijkt voorlopig zijn meest ambitieuze project.

Het boek beschrijft grootschalige fenomenen, zoals de warm- en koudwaterstromen in de oceanen, die van belang zijn voor het weer, en wat globaler geredeneerd, voor het klimaat. Wereldwijde waterstromen op grote diepte, die ook wel worden vergeleken met een enorme transportband, worden in beweging gehouden door verschillen in temperatuur en zoutgehalte.

Ball slaagt erin deze ingewikkelde natuurverschijnselen in enkele heldere alinea's neer te zetten, om vervolgens naadloos over te gaan op het fenomeen tropische orkanen, extreme stormen die zich onder meer in de Atlantische Oceaan voordoen, vooral in de maand september.

In die talrijke naadloze overgangen, meestal opgebouwd uit enkele historische gegevens en terugblikken, zit de kracht van Balls schrijfstijl. Hij slaagt er zo in ontelbare onderwerpen de revue te laten passeren, zonder dat de lezer het gevoel krijgt voortdurend hijgend achter de feiten aan te moeten lopen.

Ball beperkt zich niet tot de aarde, het hele heelal is zijn werkgebied en dus schrijft hij over de mogelijke aanwezigheid van water op de maan en op Mars, terwijl ook Europa, een van de manen bij Jupiter, aandacht krijgt. En dat gebeurt onder het motto: waar water is, is mogelijk leven. Water is per slot van rekening onontbeerlijk bij talloze biologische processen.

Is het aantal facetten van water op macroniveau al schier onuitputtelijk, op atomaire schaal is dat niet veel anders. Het watermolecuul is weliswaar slechts opgebouwd uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom, toch levert dat simpele molecuul de wetenschap nog steeds hoofdbrekens op.

Over de structuur van water, ofwel de onderlinge bewegingen van de moleculen ten opzichte van elkaar en de interactie tussen verschillende moleculen, is niet alles bekend. Niet alle fysische eigenschappen zijn sluitend te verklaren uit de bewegingen op atomaire schaal.

Honderden wetenschappers in verschillende disciplines laten zich hierdoor inspireren. Aan de hand van ingewikkelde metingen met complexe apparatuur en simulaties op supercomputers proberen ze meer details over de moleculaire structuur van water te ontdekken.

Water is een merkwaardige stof, met een abnormaal gedrag. Water dat bevriest, zet uit. Ofwel: de vaste vorm, ijs, heeft een lagere dichtheid dan de vloeibare vorm bij dezelfde temperatuur. Dit in tegenstelling tot de meeste andere materialen. En dus drijft ijs op water en treden er scheuren op in een waterleiding die bevriest, verklaart Ball. Boven vier graden celsius gedraagt water zich normaal, en neemt de dichtheid weer af met de temperatuur.

Al die curieuze eigenschappen zijn terug te voeren op het begrip waterstofbrug. In het watermolecuul zijn de waterstofatomen enigszins positief geladen, het zuurstofatoom negatief. Dat resulteert in zogeheten waterstofbruggen, interacties tussen een zuurstofatoom in het ene molecuul en waterstofatomen in een ander.

Die interacties strekken zich uit over meerdere moleculen. Het gevolg is afwijkende fysische eigenschappen, zoals een relatief hoge smelt- en kooktemperatuur en een extreem grote warmtecapaciteit, in vergelijking met andere stoffen.

Het was de beroemde Amerikaan Linus Pauling die in de jaren dertig als eerste met een theoretische onderbouwing kwam voor die ladingverdeling in moleculaire bindingen. Ball komt met nog veel meer wetenswaardigheden. Van ijs bijvoorbeeld, zijn twaalf verschillende moleculaire structuren bekend, afhankelijk van temperatuur, druk en bijvoorbeeld de manier waarop het ijs vanuit de waterfase is afgekoeld. De twaalfde structuur werd pas twee jaar geleden ontdekt.

Water speelde ook een rol bij twee wetenschappelijke incidenten in het afgelopen decennium, gevallen grenzend aan fraude. De bewering van de Franse onderzoeker Benveniste, dat een oneindig verdunde oplossing van bepaalde antilichamen in water nog werkzaam zou zijn - het water zou een soort geheugen hebben waarin die werkzaamheid is opgeslagen - wordt door Ball tot in detail beschreven.

Ook koude kernfusie passeert de revue. Twee elektrochemici, Fleischmann en Pons, beweerden in 1989 dat bij de elektrolyse van zwaar water, onder nauwkeurig gekozen omstandigheden, meer energie vrijkomt dan er in de vorm van elektriciteit wordt ingestopt. In beide gevallen is Ball, van huis uit chemicus, de scepticus. Hij sluit zich aan bij het ongeloof van de gevestigde wetenschap. Eerst zien, dan geloven.

Meer over