Kuula samal teemal:
Toomas Jüriado intervjuu keemik Hergi Karikuga
raadio KUKU 5. augusti saates LOODUSAJAKIRI
Vesi on Maal kõige levinum aine. Inimene on veega kokku puutunud alates iidsetest aegadest igal sammul. Vee valem H2O on üks esimesi valemeid, mida koolis õpetatakse ja õpitakse. Tegelikult on vesi tunduvalt keerulisem ja erakordselt ainulaadne vedelik.
Vanaaja õpetlased pidasid vett üheks algelemendiks, millest koosneb kõik, mis inimest ümbritseb. 18.-19. sajandil arvati, nagu oleks vee struktuur lihtne: vee koostiselemendid on vesinik ja hapnik, mille aatomite vahekord on 2:1. Seega on vee valem avaldatav lihtsal kujul H2O.
Tegelikult on probleem tunduvalt keerulisem. Vee struktuur on sootuks komplitseeritum ning vee omadused hoopis eripärased. Võrreldes teiste ainetega on veel enam kui 40 anomaalset, et mitte öelda ebanormaalset omadust. Näiteks tekib enamiku tahkete ainete sulatamisel vedelik, mille ruumala on suurem kui tahkel ainel. Järelikult kõrgemal temperatuuril aine tihedus väheneb. Vee puhul kehtib see vaid temperatuuripiirkonnas 0-4 °C. Temperatuuri edasisel langemisel moodustub kohev struktuur ning tekkiva jää tihedus muutub. Ühest mahuosast vedelast veest saame 1,0906 mahuosa jääd.
Et jää tihedus on väiksem kui veel, kaitseb kergem jääkiht vett põhjani külmumast ja vees säilib elu. Vee ruumala suurenemine külmumisel põhjustab looduses mitmesuguseid protsesse, näiteks kivimite lõhenemist ja murenemist.
Mpemba ja Aristotelese efekt
Loogiliselt peaks külm vesi jäätuma kiiremini kui kuum vesi. Nii arvas ka Tansaania Magamba linna koolipoiss Erasto Mpemba, kes kirjutas oma nime füüsika ajalukku lihtsa katsega. Täna tuntakse seda mitteametlikult ka „neegripoisi efekti" nime all.
Nimelt oli Aafrika kuumas kliimas kooliõpilastel tavaks keeta vahetunnis suhkruga kuuma piima, mis järgmise õppetunni ajaks külmikusse pandi ja seal jäätiseks muutus. Ühel päeval jäi Erasto jäätise valmistamisega hiljaks ning jättis oma kuumast piimast ja suhkrust valmistatud segu külmikusse vaid pooleks tunniks. Vahetunnis selgus, et Erasto jäätis oli lühema ajaga rohkem külmunud kui kärmemate õpilaste jäätised. Miks siis kuum piim jahtus kiiremini kui teised, osaliselt juba jahtunud piimad? Õpetaja nähtusele seletust anda ei osanud. Ka kooli esinema kutsutud külalisfüüsik Denis G. Osborn ei osanud nähtust seletada, kuid kontrollis õhtul hotellitoa külmikus, kuidas eri temperatuuriga veed külmuvad. Üheaegselt külmikusse asetatud klaasitäiest külmast ja kuumast veest külmus esmalt see, mis oli olnud kuum. Paradoksi püüti seletada mitmeti. Näiteks arvati, et külma vee suurem viskoossus aeglustab soojusülekannet. Pakuti ka, et kuuma vee jahtumisel esineb seoses kuuma auru lendumisega massikadu.
Antiikaja õpetlaste käsikirju uurides avastati, et Aristoteles väitis juba 4. sajandil eKr, et kuum vesi jahtub kiiremini kui külm. Ent tema väidet ei võetud tõsiselt. See ongi ka üks vee anomaaliatest, mida kaua seletada ei osatud.
Nimetame siinkohal veel vee anomaalseid omadusi. Võrreldes teiste vedelikega, näiteks atsetooni või alkoholidega, on veel umbes kaks korda suurem soojusmahtuvus, veel on suur aurustumissoojus, erakordselt suur pindpinevus ja lahustusvõime ning väga kõrge dielektriline läbitavus. Veel on anomaalselt kõrge keemis- ja sulamistemperatuur. Teoreetiliselt peaks vesi olema gaas.
Vee anomaalseid omadusi on väga põhjalikult uurinud ja põhjendanud neid vee struktuuri muutustega Londoni South Banki ülikooli professor Martin Chaplin, kes on üks nimekam vee struktuuri ja anomaaliaid uuriv teadlane. Martin Chaplin on ka Mpemba efekti seletanud vee klasterstruktuuride abil.
Vee koostis
Nii looduslik kui ka destilleeritud vesi kujutavad endast keerukat süsteemi. Õhust lahustuvad vette hapnik, väärisgaasid ja mitmesugused lisaained. Vee hea lahustusvõime tõttu imbuvad looduslikesse vetesse lisaained ka kokkupuutel tahkete ainetega ning moodustuvad mitmesugused ühendid ja ioonid.
Õhus esinevatest väärisgaasidest lahustub vette radioaktiivset radooni, mistõttu on kõik looduslikud veed radioaktiivsed. Vee keetmisel või toidu valmistamisel eraldub radoon õhku ning suurendab keskkonna - köögiõhu - radiatsioonitaset.
Universumi kõige levinum element vesinik esineb kolme isotoobina. Levinuim on prootium (H) ehk kerge vesinik, mille aatomi tuumas on vaid üks prooton. Vähesel määral esineb vesinikku isotoobina, mille tuumas on lisaks prootonile üks neutron. See on raske vesinik ehk deuteerium (D). Kolmanda vesiniku isotoobi, veelgi haruldasema triitiumi ehk üliraske vesiniku (T) tuumas on üks prooton ja kaks neutronit. Kui lihtsaima vee molekuli valem on H2O, siis raske vee valem oleks D2O ja üliraske vee valem T2O. Alati võib vee molekuli koostises olla veel üks vesiniku aatom - prootium. Nii on vee molekulide hulgas alati: H2O, HDO, D2O, T2O, HTO, DTO. Ka hapnik võib esineda kolme isotoobina: O-16, O-17 ja O-18.
Arvestades isotoopkoostist, esineb tavalises vees alati 18 eri tüüpi veemolekuli. Seejuures on deuteeriumi sisaldavad veed, nagu D2O ja HDO, juhul kui neis on deuteeriumi 20-100 protsenti, paljudele organismidele mürgised. Ülirasked veed, nagu T2O, TDO, THO, on radioaktiivsest triitiumi aatomist tingituna radioaktiivsed. Üliraske vesiniku (T) radioaktiivlagunemisel emiteerub sellest β-kiirgus (elektronide voog), misjuures moodustub triitiumist väärisgaas heelium.
Vee klasterstruktuur
Vee anomaalselt kõrge keemis- ja sulamistemperatuur on põhjus, miks vee molekulide vaheliste vesiniksidemete katkestamiseks kulub energiat. Vesiniksidemel on erakordselt suur tähtsus, sest selle puudumisel oleks vesi gaas, mitte vedelik. Veemolekul on dipool, milles kovalentne side on nihkunud suurema elektronegatiivsusega elemendi, hapniku aatomi poole. Vee koostiselemendid omandavad seejuures + ja - osalaengud. Nii moodustub vees veemolekulide vahele vesinikside (skeemidel tähistatud kolme punktiga).
Vesinikside moodustub ühe veemolekuli vesiniku (H) ja teise veemolekuli hapniku (O) aatomi vahele. Nii seotakse veemolekulid omavahel ja neist tekib klaster. Klastrite struktuur muutub ajas kiiresti ja üheaegselt esineb vees lõpmata hulk erinevaid struktuure. Mõnede klastrite eksisteerimise aega mõõdetakse pikosekundites (10-12 sekundites), mistõttu vee klasterstruktuur ongi püsivalt ja kiiresti muutuv. Joonisel (vt trükinumbris) on näiteks esitatud kolm klastrit, millest ühes on kuus veemolekuli, teises kaks ja kõige suuremas klastris 13. Klastrite vahel leidub ka üksikuid veemolekule.
Professor Martin Chaplin, India tehnoloogiainstituudi ja India Pune ülikooli teadlased on mitmesugustel temperatuuridel ja katsetingimustel avastanud veest ka kindla geomeetrilise kujuga klastreid. Nii on selgitatud pentameeri (H2O)5, prismakujuliste heksameeride (H2O)6, dekameeride (H2O)10 ja isegi ikosaeedrilise veemudeli struktuur (H2O)280. Viimasesse kuulub 280 veemolekuli.
Lisaelemente sisaldavate vete ravitoimest
Juba kreeka arst Hippokrates kasutas 4. sajandil eKr merevett selles sisalduvate ühendite tõttu raviainena ja tervendas nii mõnegi haige. 19. sajandil soovitas Haapsalu raviarst Karl Hunnius merevett sise- ja nahahaiguste raviks. Põhjavett, millel on mineraalsoolade, gaaside, mikroelementide ja muu sisalduse tõttu ravitoime, on hakatud nimetama terviseveeks. Eestis on tervisevee allikate vett kasutatud Värskas, Kärdlas, Häädemeestes, Pärnus, Iklas jm. Neist tuntuim on Värska vesi.
Müüdid jutustavad, et Herakles sai oma vägilasjõu, juues vett Kaukaasia imeallikast. Arheoloogid on Epidaurose linna lähedalt avastanud 6. sajandist pärineva vesiravila, Tiberi jõe saarel asus aga Rooma tervisejumalanna Aesculapiuse terviseallikas. Suure tuntuse on tänaseks omandanud kohanimedest või rahvuskeeltest tulenevad mineraalveenimetused, nagu Vichy, Karlovy Vary, Evian, Selters, Narzan jt.
Enamiku tervisevete koostisse kuuluvad katioonid ehk naatrium-, kaltsium- ja magneesiumioonid ning anioonid - kloriid, sulfaat ja vesinikkarbonaat. Lisaks veel arvukalt mikroelemente, nagu fluor, broom, jood, raud, koobalt, molübdeen, liitium, raadium, vask, mangaan, arseen jt. Viimastel aastakümnetel ongi meedikute tähelepanu äratanud mitmesuguseid mikroelemente sisaldavad raviveed.
Hõbedane vesi
Sajandeid teati, et hõbenõus säilib vesi kaua riknemata ja mädanevale haavale asetatud hõbeplaat soodustab kiiret paranemist, sest hõbe hävitab haiguspisikuid. Kristuse kaasaegne Plinius Vanem soovitas oma „Naturalis historia" 23. raamatus hõberäbu haavade ravil. Hõbevee lisamine toiduainetele (mahlad, piim jt) pikendab nende säilivusaega. 19. sajandil avastasid Saksa botaanikud, et hõbeplaadil hukkuvad kiiresti paljud haigusi põhjustavad mikroorganismid.
Ja veel üks näide. Möödunud sajandite Saksamaa haigusstatistika näitas, et paljud imikud kaotasid pärast sündi nägemise. Ilmnes, et sageli - 79 protsendil niisugustest juhtudest - oli põhjuseks ema põetud suguhaigus. 1884. aastal tegi Saksa sünnitusarst Carl Siegmund Franz Credé (1819-1892) tähtsa avastuse: ta tilgutas kõikidele vastsündinutele silma kaheprotsendilist hõbenitraadilahust. Pärast seda langes pimedaks jäävate laste arv vaid 0,2 protsendini. Kohe hakati seda viisi rakendama kogu maailmas ja nägemise kaotanud vastsündinute arv vähenes tunduvalt.
20. sajandil avastati mikroobide elu pärssivad või neid surmavad antibiootikumid, mida on edukalt kasutatud mikroobide tekitatud haiguste ravil. Ent antibiootikumide efektiivsus on hakanud ajapikku vähenema. Pisikud on muutunud antibiootikumide suhtes resistentseks, nende toime on nõrgenenud ega anna enam raviefekti. Seda on hakatud nimetama surmavate mikroobide „kättemaksuks". Nii on tagasi pöördutud hõbeda ja selle ühendite kasutamise juurde.
Et hõbedaühendid on inimesele ka mürgised ja põhjustavad nn argüroosi ehk nahavärvuse tumenemist, on võetud kasutusele mitte ioonilise struktuuriga hõbe, vaid hõbeda kolloidühendid, milles hõbedaosakesed on suurusjärgus 1 -1000 nanomeetrit (1 nm = 10-9 meetrit ehk miljondik millimeetrit). Hõbekolloidid on toiminud väga efektiivselt paljude mikroorganismide vastu.
Biokeemialaborites on uuritud ägedat nakkushaigust antraksit ehk Siberi katku, mida prognoositakse terroristide biorelvaks number üks. On avastatud, et kuigi Siberi katku tekitajad on väga püsivad, on need väga tundlikud kolloidhõbeda suhtes ja seda isegi madalal kontsentratsioonil. Endine USA Luure Keskagentuuri mikrobioloog Larry Harris on väitnud, et bioterrorismi ohu puhul saab joogivee hõbekolloidide lisamisel muuta joomiskõlbulikuks juba kümne minutiga. Hõbekolloidi efektiivsust iseloomustab fakt, et kui üks antibiootikum hävitab 6-7 mikroorganismi liiki, siis hõbekolloidid mõjuvad surmavalt 650 liiki mikroorganismidele juba väga lühiajalisel kokkupuutel. Kolloidhõbedaga on ravitud mitmeid vähivorme ja isegi aidsi.
Kullane vesi
Populaarsed on ka kuldkolloidid. Kuld pole bioelement, kuid Egiptuse targad ja Aleksandria õpetlased ravisid kuldanumas hoitud veega mitmesuguseid haigusi. Kuigi kulla baktereid hävitav toime on nõrgem kui hõbedal, hävitab see siiski mikroorganisme. USA meedikud Guy E. Abraham, Souhaila A. McReynolds ja Joel S. Dill avastasid 20. ja 21. sajandi vahetusel koguni, et kullaühendite manustamisega saab suurendada inimeste intelligentsitaset - intelligentsuskvooti IQ. Artiklis „Kolloidse kuldmetalli mõju tunnetuslikele funktsioonidele: pilootuuring" („Effect of Colloidal Metallic Gold on Cognitive Functions: A Pilot Study") märkisid nad tagasivaateliselt, et viiel patsiendil avastati ühe kuu möödumisel, et artriidi ravimisel kolloidkullaga tõusis nende inimeste IQ 20 protsendi võrra. 21. sajandil on soovitatud kuldkolloididega ravida artriite ja Alzheimeri tõbe ning mõningaid vähivorme. Noortega pole sellealaseid katseid tehtud. Probleem on muidugi selles, et kulla ioonilised/lahustuvad ühendid on organismile väga mürgised, manustamiseks sobivad vaid kolloidid (kolloidne kuld).
Sensatsiooniline „O-vitamiin"
1998. aastal hakkas Ühendriikide firma Rose Creek Health Products Inc tootma nn O-vitamiini, mida soovitati eriti eakatele, kes põevad südame- ja hingamisteede haigusi, vähktõbe ja astmat. Teatati, et preparaat sisaldab merevett, germaaniumiühendeid, mineraalsooli ja on elektriliselt aktiveeritud. 2000. aasta 5. mail alustas USA föderaalne kaubanduskoda kohtuprotsessi preparaadi keelustamiseks, sest firma reklaamis avastati väärinfot, ent firma tasus määratud trahvi, tegi nõutud parandused kasutusjuhendisse ning jätkab O-vitamiini tootmist toidulisandi nime all. Selle tarbijaskond on jätkuvalt lai: O-vitamiini kasutab regulaarselt rohkem kui pool miljonit ühendriiklast. Mõned teadlased peavad O-vitamiini platseeboravimiks.
Vesi on ammendamatu ja pakub meile ka edaspidi palju üllatusi.
HERGI KARIK (1929) on keemik, lõpetanud 1954. aastal Tallinna Tehnikaülikooli anorgaanilise keemia erialal. Olnud samast aastast Tallinna Pedagoogikaülikooli õppejõud, aastast 1990 professor, aastail 1992-1999 keemia õppetooli juhataja. Praegu Tallinna Ülikooli emeriitprofessor. Kirjutanud rohkesti keemiaõpikuid ja populaarteaduslikke raamatuid, näiteks 2006 „Looduslik vesi ja hämmastavad imeveed", 2007 koos kolleeg Karl Kristjan Kuivaga „Keskkond ja keemia". 2009. aastal on kirjastuselt Ilo ilmunud tema „Leiutised ja avastused keemias", mida Horisondi juulinumbris tutvustas teadusajakirjanik Tiit Kändler.
