Vì sao nước có thể được coi là vật chất hóa học kỳ lạ nhất trên Trái đất?

Nước có mặt gần như ở khắp nơi trên Trái đất, từ đại dương, sông hồ đến từng tế bào của cơ thể sống. Chúng ta uống nước mỗi ngày, nhìn thấy nó đóng băng, bốc hơi, tạo thành mây rồi lại rơi xuống dưới dạng mưa. Chính sự quen thuộc ấy đôi khi khiến chúng ta quên rằng nước thực sự là một chất rất khác thường.

Ảnh: nerd.wwnorton

Điểm đặc biệt bắt đầu từ cấu trúc cực nhỏ của phân tử H₂O. Phân tử nước có tính phân cực: phía oxy mang điện tích âm tương đối, còn phía hydro mang điện tích dương tương đối. Nhờ vậy, các phân tử nước có thể hút nhau thông qua những liên kết hydro, tạo thành một mạng lưới liên tục và luôn thay đổi. Chính mạng lưới này đứng sau rất nhiều tính chất bất thường của nước.

Một trong những điều kỳ lạ nhất là băng nổi trên nước. Với phần lớn vật chất, chất rắn thường đặc hơn chất lỏng và sẽ chìm xuống. Nhưng khi nước đóng băng, các phân tử sắp xếp thành một cấu trúc tương đối mở, khiến băng có mật độ thấp hơn nước lỏng khoảng 9%. Vì thế, băng nổi trên mặt hồ thay vì chìm xuống đáy.

Ảnh: amp.kompas

Điều này quan trọng đến mức sự sống trên Trái đất có thể đã rất khác nếu nước tuân theo quy luật thông thường. Khi mùa đông đến, lớp băng nổi trên mặt hồ hoạt động như một lớp cách nhiệt, giúp phần nước phía dưới không bị đóng băng hoàn toàn. Cá, thực vật thủy sinh và vô số sinh vật nhỏ bé vì thế vẫn có thể tồn tại bên dưới lớp băng.

Nước còn có một nghịch lý khác: nước lỏng đạt mật độ lớn nhất ở khoảng 4°C, chứ không phải ngay tại điểm đóng băng. Khi nước lạnh từ nhiệt độ cao xuống khoảng 4°C, nó co lại và trở nên đặc hơn. Nhưng khi tiếp tục lạnh xuống gần 0°C, cấu trúc liên kết hydro lại khiến các phân tử sắp xếp theo hướng thưa hơn, làm nước bắt đầu nở ra.

Ảnh: wasilzafar

Chưa hết, nước có khả năng hấp thụ một lượng nhiệt đáng kể mà nhiệt độ không tăng quá nhanh, đồng thời có sức căng bề mặt cao và khả năng hòa tan rất nhiều chất. Những đặc tính này giúp nước vận chuyển chất dinh dưỡng trong sinh vật, tham gia các phản ứng hóa học và góp phần điều hòa nhiệt độ của môi trường sống.

Ảnh: sandiegored

Điều đáng kinh ngạc là tất cả bắt nguồn từ một phân tử nhỏ bé đến mức không thể nhìn thấy bằng mắt thường. Chỉ ba nguyên tử đã tạo nên một chất có khả năng định hình khí hậu, địa chất và sự sống trên cả một hành tinh.

Có lẽ vì thế, khi các nhà khoa học tìm kiếm sự sống ngoài Trái đất, một trong những câu hỏi đầu tiên thường không phải là “Ở đó có sinh vật không?”, mà là một câu hỏi đơn giản hơn nhiều: “Ở đó có nước không?”

Loài hoa khổng lồ có hình dáng như vương miện từng xuất hiện từ hàng trăm triệu năm trước