Stare je Grke, u doba Aristotela i Anaksagore, mučilo jedno teško pitanje na koje nikako nisu mogli naći odgovor: „Gdje se u slanoj vodi nalazi slatka?“ Znali su naime da se na neki način (umjetnom ili prirodnom destilacijom) morska voda pretvara u pitku vodu, iz čega je proizlazilo da su te dvije vode, slana i slatka, nekako pomiješane. Samo kako?

Danas nam se to pitanje čini besmislenim. Sol se otapa u vodi, čini s njome otopinu, homogenu smjesu. A kad je nešto homogeno, to znači da se u njemu ne mogu razlikovati dijelovi, pa se stoga u slanoj vodi ne može nalaziti ni čista sol ni čista voda.

No to je tako samo na prvi pogled, onako kako to našim osjetilima (okom, jezikom) opažamo. Kada se međutim spustimo na razinu atoma i molekula stvari izgledaju malo drugačije.

Sol (NaCl) ne postoji u vodi u obliku čestica NaCl nego u obliku iona Na⁺ i Cl^-. Svaki od tih iona veže za sebe molekule otapala, pa se s njima – svojim molekulama H₂O – giba kroz otopinu. Ako se kroz otopinu narine električni napon, doći do smanjenja koncentracije električki neutralne tvari (npr. šećera) u katodnom ili anodnom prostoru ovisno o tome da li kation ili anion nosi sa sobom više molekula otapala. Stoga bismo mogli reći da se slana voda nalazi u slatkoj u obliku slanih kapljica, u čijem je središtu natrijev ili kloridni ion. Tako smo, eto, odgovorili na pitanje na koje stari Grci nisu znali odgovor.

No odgovoriti na pitanja što se događa u vodenim otopinama soli i drugih elektrolita nije uvijek tako jednostavno. Da je tome tako govori i znanstveni rad objavljen u časopisu Nature Chemistry pod naslovom „Surface stratification determines the interfacial water structure of simple electrolyte solutions“. Autori članka – pet znanstvenika iz Njemačke i Ujedinjenog Kraljevstva, a među njima i pridošlice iz Kine i Japana – kao da su se natjecali u izmišljanju čudnih termina i još čudnijih kratica. Spektroskopska metoda kojom su se služili nosi grozomorno ime „heterodyne-detected vibrational sum-frequency generation (HD-VSFG)“, no kad se pročita što su zapravo radili dolazi se do jednostavnog zaključka, a to je da su snimali vibracijski spektar (spektar u infracrvenom području elektromagnetskog zračenja) vode i jedanaest elektrolitnih otopina. Uz natrijevu lužinu (NaOH) i solnu kiselinu (HCl), tu je bilo pet soli alkalijskih metala s halogenim elementima (CsF, NaF, NaCl, NaBr, NaI), potom magnezijev klorid i sulfat te natrijev sulfat i perklorat. Mjereći refleksiju infracrvenog zračenja od površine vode pri različitim kutovima, mogli su joj analizirati strukturu po slojevima te potom vidjeti što se događa kada se u njoj otope navedeni elektroliti. I što kaže spektar?

Spektar kaže ono što bismo očekivali, a to je da iz površine H₂O vire atomi H. Oni su nevezani (vodikovim vezama) za druge molekule vode, nasuprot atomima vodika koji se nalaze dublje u tekućini. To se vidi po tome što se u vodi detektiraju tri vibracije veze O-H. Prva ima valni broj (ne frekvenciju!) oko 3700 cm^-1. Ona odgovara neometanoj vibraciji veze O-H, dakle veze bez sekundarne, vodikove veze. No ako dolazi do nastajanja vodikove veze (O-H⸳⸳⸳O) veza O-H slabi, pa valni broj poprima manje vrijednosti (3200 – 3600 cm^-1). No što se događa kada se u vodi otopi kuhinjska sol (NaCl) ili, još bolje, cezijev fluorid (CsF)?

Spektar jasno pokazuje: mijenja se intenzitet signala na 3200 i 3500 cm^-1, no intenzitet signala na 3700 cm^-1 ostaje neprimijenjen. Što to znači?

To znači da cezijev klorid, točnije ioni cezija (Cs⁺) i fluora (F^-), narušavaju unutrašnju strukturu otapala, jer ometaju stvaranje vodikovih veza između molekula H₂O, ali ne utječu na molekule vode koje se nalaze na granici vode i zraka. Kada su taj nalaz podrobnije analizirali uz pomoć metoda molekulskog modeliranja, znanstvenici su došli do neizbježnog zaključka: između otopine elektrolita (bulk) i zraka nalazi se sloj posve čiste vode. Njegova debljina nije veća od promjera molekule H₂O (0,34 nm), no ipak – to je sloj čiste, slatke vode na slanoj.

Namjena opisanog istraživanja nije bilo, razumije se, traženje odgovora na prastaro pitanje (za koje autori spomenutog rada vjerojatno nisu nikad čuli) nego razumijevanje procesa koji se događaju na granicama dviju faza, zraka i vode. Ma koliko god se to pitanje činilo akademskim, jasno je da odgovor na njega ima dalekosežne posljedice. O procesima na granici zraka i vode ovisi isparavanje, a o isparavanju ovise ne samo tehnološki procesi nego i klima na našem planetu.

Nenad Raos je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, koji je radio do umirovljenja 2016. godine u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI). Autor je i koautor oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske (računalne) kemije, kemije kompleksnih spojeva, bioanorganske kemije, povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik Prirode te urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji; član je društva ProGeo-Hrvatska i Odjela za prirodoslovlje i matematiku Matice hrvatske. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Autor je 15 znanstveno-popularnih knjiga, posljednje dvije su „Kemija – muza arhitekture“ (u koautorstvu sa Zvonkom Pađanom) i „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“.