Spomínané zmeny skupenstva (odborne fázové prechody) boli pravdepodobne prvými, s ktorými sa stretlo ľudstvo aj každý z nás vo svojom detstve. Keď je niečo prvé, prirodzene sa to stáva prototypom (vzorom).
Na pohľad vyzerá voda jednoducho a celkom obyčajne. Podobnú predstavu máme aj o jej skupenských zmenách, pretože sme na ne zvyknutí. Každý z nás videl, že ľadové kryhy plávajú na vode, a zdá sa nám to úplne normálne. Zdanie však môže klamať. Normálne sa nám to zdá len preto, lebo väčšina z nás nikdy nevidela, či aj iné tuhé látky plávajú vo svojich roztopených formách. Keby sme sa lepšie rozhliadli dookola, boli by sme asi trochu prekvapení. Pri väčšine látok je to totiž práve naopak – tuhá látka klesá v kvapaline ku dnu.
Vieme, že voda mrzne pri teplote 0 °C a vrie pri 100 °C (práve na týchto teplotách je založená Celziova stupnica teploty, ktorú v našich končinách bežne používame). Aj teploty topenia a varu vody nám pripadajú normálne, lebo ich dobre poznáme z bežného života. Ale i tu porovnanie s inými látkami skrýva prekvapenia, len treba byť pri porovnávaní trochu opatrnejší, aby sme neporovnávali hrušky s pomarančmi.
Našťastie, chémia a Mendelejevova periodická tabuľka nám ukazujú, s čím má zmysel porovnávať. Prvky v stĺpcoch tabuľky majú podobné vlastnosti – kyslík je v šiestom stĺpci a pod ním sú síra, selén, telúr a polónium. Ak vo vode nahradíme kyslík týmito prvkami a do grafu nakreslíme príslušné body topenia, dostaneme takmer rovnú čiaru. Pre vodu ale tento graf predpovedá, že by mala mrznúť okolo -100 °C a bod varu pre ňu vychádza okolo -70 °C. Voda je teda asi „trochu“ iná, ako jej chemickí príbuzní.
Po chvíli uvažovania si uvedomíme, že je to tak dobre. Tieto čísla totiž nie sú nejakou drobnou kuriozitou, v skutočnosti od nich závisí samotná naša existencia. Máme vlastne veľké šťastie, že sa voda odmieta podriadiť jednoduchým princípom. Ináč by na Zemi takmer vôbec nemohla existovať v kvapalnej forme, a neboli by sme tu ani my. Ako je to možné? Možno voda naozaj nie je jednoduchou kvapalinou. Je teda v skutočnosti skôr záhadnou kvapalinou plnou anomálií? A ak áno, vieme ich vysvetliť? .voda
Na pochopenie vlastností vody a jej troch skupenstiev treba začať od molekuly.
Z chemického hľadiska má voda jednoduché zloženie a vzorec H2O si asi každý pamätá zo školy. Tento vzorec však okrem počtu atómov nehovorí nič o ich usporiadaní v priestore, teda o geometrii molekuly.
V skutočnosti má molekula vody tvar rovnoramenného trojuholníka s tupým uhlom pri vrchole, v ktorom je atóm kyslíka. Elektrický náboj v molekule je rozdelený medzi atómami nerovnomerne, a to tak, že na atóme kyslíka je viac záporného náboja. Tento prebytok, samozrejme, musí byť niečím kompenzovaný, a preto majú atómy vodíka naopak prebytok kladného náboja.
Keďže protiklady sa priťahujú, molekuly, ktoré sú blízko seba, sa navzájom natočia tak, že vodíkové atómy sa snažia dostať blízko atómu kyslíka nejakej susednej molekuly. Tejto väzbe hovoríme vodíková väzba (starší názov je vodíkový mostík, pretože atóm vodíka pôsobí ako most medzi dvoma kyslíkmi, jedným z vlastnej a jedným z cudzej molekuly). Kyslík takto môže pritiahnuť typicky dva vodíky z ďalších molekúl. Každý z dvoch vodíkov z molekuly sa však podobne naviaže na kyslík z ďalších molekúl. Výsledkom je, že jedna molekula sa obklopí štyrmi ďalšími molekulami.
Hoci je táto predstava trochu zjednodušená, dáva kľúč k pochopeniu najdôležitejších vlastností vody a ľadu. Preferované usporiadanie molekúl je také, v ktorom štyri susedné molekuly, naviazané na danú molekulu, majú kyslíky vo vrcholoch pravidelného štvorstena, v ktorého strede je kyslík pôvodnej molekuly. Samozrejme, aj susedné molekuly majú okolo seba rovnaké usporiadanie. Výsledkom je vytvorenie nekonečnej siete vodíkových väzieb v priestore.
Je zaujímavé, že táto sieť je veľmi podobná v tekutej vode aj v zamrznutom ľade. Rozdiel je v tom, že v ľade sa molekuly v sieti môžu len triasť, zatiaľ čo v kvapaline sa môžu aj pohybovať. Aj tekutá voda je vysoko organizovaná štruktúra a je len o trochu menej usporiadaná než ľad. Práve táto vlastnosť je zodpovedná za vysoký bod topenia ľadu.
Topenie je fázový prechod a dá sa chápať ako výmenný obchod – nižšia energia kryštálu sa vymení za vyššiu neusporiadanosť kvapaliny. Miere neusporiadanosti sa odborne hovorí entropia. Topenie nastáva vtedy, keď vyššia neusporiadanosť tekutiny preváži nad zvýšením energie spôsobeným roztrhaním časti vodíkových väzieb. Zvýšenie neusporiadanosti je však malé, takže ľad sa roztopí až pri dosť vysokej teplote. Pri vyparovaní vody sa molekuly musia odtrhnúť od povrchu a roztrhať všetky svoje vodíkové väzby. Na to je však potrebná pomerne vysoká teplota. Preto je bod varu vody vyšší ako u jej príbuzných a voda tak vydrží na zemskom povrchu v kvapalnej forme. .ľad
Tak ako vlastnosti vody, aj vlastnosti ľadu sa dajú pochopiť na základe siete vodíkových väzieb. Bežná forma, na ktorej sa lyžujeme, sánkujeme a korčuľujeme, sa označuje ako ľad Ih a má hexagonálnu štruktúru. Jej známym prejavom je šesťuholníková symetria snehových vločiek.
Blízkym príbuzným hexagonálneho ľadu je kubický ľad Ic, ktorý má veľmi podobné vlastnosti, pričom jeho štruktúra je podobná diamantu. Štruktúra oboch týchto ľadov je veľmi otvorená a medzi molekulami v sieti ostáva množstvo prázdneho priestoru. Pri topení ľadu sa perfektná sieť čiastočne rozruší a molekuly vyplnia aj časť pôvodne prázdneho priestoru. Hustota preto stúpne, čo je presne opačné správanie, než má väčšina látok.
Ešte zaujímavejšie je však to, že toto zahusťovanie pri zvyšovaní teploty sa neskončí roztopením ľadu, ale pokračuje až do teploty 4 °C. Pri tejto teplote hustota vody dosiahne maximum a nad 4 °C sa voda už správa ako normálna kvapalina – pri zahrievaní sa rozťahuje a jej hustota klesá. Toto je asi najznámejšia anomália tekutej vody, ktorá sa spomína vo fyzike na základnej škole. Hoci je rozdiel hustôt vody pri
0 °C a 4 °C pomerne malý, v prírode má veľký význam. Vďaka nemu jazerá a rieky zamŕzajú pri hladine, a vodné organizmy tak môžu prežiť zimu.
Menej známe a o to zaujímavejšie je to, že okrem bežného hexagonálneho ľadu existuje ešte najmenej ďalších štrnásť kryštalických foriem, z ktorých niektoré majú bizarné a veľmi komplikované usporiadanie molekúl v priestore. Pri zvyšovaní tlaku príroda najprv vyskúša rôzne komplikované riešenia v podobe sofistikovaného uloženia molekúl, ktoré efektívnejšie vypĺňajú priestor. To sú ľady II, III, IV, ..., až po XV, okrem ľadu X. Najkomplikovanejší z nich je ľad V, ktorého základná bunka, periodicky sa opakujúca v priestore, má až 28 molekúl.
Pri ďalšom zvyšovaní tlaku sa však prekvapujúco ukáže, že aj v jednoduchosti je sila a po vyčerpaní komplikovaných riešení sa príroda vráti k úplne jednoduchej myšlienke.
Ďalšie stlačenie ľadu sa uskutoční tak, že sa optimálne využije prázdny priestor.
Ľad VII pozostáva z dvoch podmriežok, z ktorých každá predstavuje už spomínaný kubický ľad Ic. Tie sú voči sebe posunuté tak, že každá vyplní prázdne miesta v tej druhej. Dalo by sa to prirovnať k reťazi, v ktorej sú články navzájom prepletené tak, že jeden prechádza otvorom v druhom. Na ilustráciu, táto situácia nastane pri tlaku, ktorý by bol na dne fiktívneho oceánu hlbokého asi 250 km.
Pri ďalšom stláčaní potom dôjde k posunutiu atómov vodíka, ktoré sa nachádzajú medzi dvoma kyslíkmi, z polohy mimo stredu spojnice kyslíkov presne do jej stredu. Môže sa zdať, že toto je málo podstatný detail, avšak v tomto momente molekuly vody definitívne strácajú svoju identitu, pretože zmizne rozdiel medzi vlastnou a cudzou molekulou. Tento unikátny ľad dostal číslo X. V skutočnosti sa podobná situácia nevyskytuje len v ľade, ale aj v mnohých iných látkach. Nie je vylúčené, že sa časom podarí nájsť aj ďalšie formy ľadu, ktoré doteraz unikli pozornosti vedcov. A aby toho nebolo málo, našli sa aj najmenej dve formy takzvaného amorfného ľadu, ktoré vôbec nemajú kryštalickú štruktúru – molekuly v nich sú neusporiadané, a pripomínajú sklo.
Spomenuli sme len malý zlomok zaujímavých a anomálnych vlastností vody a ľadu a aj to len z pohľadu fyziky. Kompletný zoznam zvláštnych vlastností vody by zabral veľa článkov tohto rozsahu, a niektorým súvislostiam ešte stále celkom nerozumieme. Nehovorili sme nič o funkcii vody v živých organizmoch. O tom vedia rozprávať biochemici. Pre fyzika je fascinujúce to, že látka zložená z malých a jednoduchých molekúl môže mať veľmi bohaté a komplikované správanie. V každom prípade je voda všetko iné, len nie obyčajná kvapalina. Autor je fyzik.
Na pohľad vyzerá voda jednoducho a celkom obyčajne. Podobnú predstavu máme aj o jej skupenských zmenách, pretože sme na ne zvyknutí. Každý z nás videl, že ľadové kryhy plávajú na vode, a zdá sa nám to úplne normálne. Zdanie však môže klamať. Normálne sa nám to zdá len preto, lebo väčšina z nás nikdy nevidela, či aj iné tuhé látky plávajú vo svojich roztopených formách. Keby sme sa lepšie rozhliadli dookola, boli by sme asi trochu prekvapení. Pri väčšine látok je to totiž práve naopak – tuhá látka klesá v kvapaline ku dnu.
Vieme, že voda mrzne pri teplote 0 °C a vrie pri 100 °C (práve na týchto teplotách je založená Celziova stupnica teploty, ktorú v našich končinách bežne používame). Aj teploty topenia a varu vody nám pripadajú normálne, lebo ich dobre poznáme z bežného života. Ale i tu porovnanie s inými látkami skrýva prekvapenia, len treba byť pri porovnávaní trochu opatrnejší, aby sme neporovnávali hrušky s pomarančmi.
Našťastie, chémia a Mendelejevova periodická tabuľka nám ukazujú, s čím má zmysel porovnávať. Prvky v stĺpcoch tabuľky majú podobné vlastnosti – kyslík je v šiestom stĺpci a pod ním sú síra, selén, telúr a polónium. Ak vo vode nahradíme kyslík týmito prvkami a do grafu nakreslíme príslušné body topenia, dostaneme takmer rovnú čiaru. Pre vodu ale tento graf predpovedá, že by mala mrznúť okolo -100 °C a bod varu pre ňu vychádza okolo -70 °C. Voda je teda asi „trochu“ iná, ako jej chemickí príbuzní.
Po chvíli uvažovania si uvedomíme, že je to tak dobre. Tieto čísla totiž nie sú nejakou drobnou kuriozitou, v skutočnosti od nich závisí samotná naša existencia. Máme vlastne veľké šťastie, že sa voda odmieta podriadiť jednoduchým princípom. Ináč by na Zemi takmer vôbec nemohla existovať v kvapalnej forme, a neboli by sme tu ani my. Ako je to možné? Možno voda naozaj nie je jednoduchou kvapalinou. Je teda v skutočnosti skôr záhadnou kvapalinou plnou anomálií? A ak áno, vieme ich vysvetliť? .voda
Na pochopenie vlastností vody a jej troch skupenstiev treba začať od molekuly.
Z chemického hľadiska má voda jednoduché zloženie a vzorec H2O si asi každý pamätá zo školy. Tento vzorec však okrem počtu atómov nehovorí nič o ich usporiadaní v priestore, teda o geometrii molekuly.
V skutočnosti má molekula vody tvar rovnoramenného trojuholníka s tupým uhlom pri vrchole, v ktorom je atóm kyslíka. Elektrický náboj v molekule je rozdelený medzi atómami nerovnomerne, a to tak, že na atóme kyslíka je viac záporného náboja. Tento prebytok, samozrejme, musí byť niečím kompenzovaný, a preto majú atómy vodíka naopak prebytok kladného náboja.
Keďže protiklady sa priťahujú, molekuly, ktoré sú blízko seba, sa navzájom natočia tak, že vodíkové atómy sa snažia dostať blízko atómu kyslíka nejakej susednej molekuly. Tejto väzbe hovoríme vodíková väzba (starší názov je vodíkový mostík, pretože atóm vodíka pôsobí ako most medzi dvoma kyslíkmi, jedným z vlastnej a jedným z cudzej molekuly). Kyslík takto môže pritiahnuť typicky dva vodíky z ďalších molekúl. Každý z dvoch vodíkov z molekuly sa však podobne naviaže na kyslík z ďalších molekúl. Výsledkom je, že jedna molekula sa obklopí štyrmi ďalšími molekulami.
Hoci je táto predstava trochu zjednodušená, dáva kľúč k pochopeniu najdôležitejších vlastností vody a ľadu. Preferované usporiadanie molekúl je také, v ktorom štyri susedné molekuly, naviazané na danú molekulu, majú kyslíky vo vrcholoch pravidelného štvorstena, v ktorého strede je kyslík pôvodnej molekuly. Samozrejme, aj susedné molekuly majú okolo seba rovnaké usporiadanie. Výsledkom je vytvorenie nekonečnej siete vodíkových väzieb v priestore.
Je zaujímavé, že táto sieť je veľmi podobná v tekutej vode aj v zamrznutom ľade. Rozdiel je v tom, že v ľade sa molekuly v sieti môžu len triasť, zatiaľ čo v kvapaline sa môžu aj pohybovať. Aj tekutá voda je vysoko organizovaná štruktúra a je len o trochu menej usporiadaná než ľad. Práve táto vlastnosť je zodpovedná za vysoký bod topenia ľadu.
Topenie je fázový prechod a dá sa chápať ako výmenný obchod – nižšia energia kryštálu sa vymení za vyššiu neusporiadanosť kvapaliny. Miere neusporiadanosti sa odborne hovorí entropia. Topenie nastáva vtedy, keď vyššia neusporiadanosť tekutiny preváži nad zvýšením energie spôsobeným roztrhaním časti vodíkových väzieb. Zvýšenie neusporiadanosti je však malé, takže ľad sa roztopí až pri dosť vysokej teplote. Pri vyparovaní vody sa molekuly musia odtrhnúť od povrchu a roztrhať všetky svoje vodíkové väzby. Na to je však potrebná pomerne vysoká teplota. Preto je bod varu vody vyšší ako u jej príbuzných a voda tak vydrží na zemskom povrchu v kvapalnej forme. .ľad
Tak ako vlastnosti vody, aj vlastnosti ľadu sa dajú pochopiť na základe siete vodíkových väzieb. Bežná forma, na ktorej sa lyžujeme, sánkujeme a korčuľujeme, sa označuje ako ľad Ih a má hexagonálnu štruktúru. Jej známym prejavom je šesťuholníková symetria snehových vločiek.
Blízkym príbuzným hexagonálneho ľadu je kubický ľad Ic, ktorý má veľmi podobné vlastnosti, pričom jeho štruktúra je podobná diamantu. Štruktúra oboch týchto ľadov je veľmi otvorená a medzi molekulami v sieti ostáva množstvo prázdneho priestoru. Pri topení ľadu sa perfektná sieť čiastočne rozruší a molekuly vyplnia aj časť pôvodne prázdneho priestoru. Hustota preto stúpne, čo je presne opačné správanie, než má väčšina látok.
Ešte zaujímavejšie je však to, že toto zahusťovanie pri zvyšovaní teploty sa neskončí roztopením ľadu, ale pokračuje až do teploty 4 °C. Pri tejto teplote hustota vody dosiahne maximum a nad 4 °C sa voda už správa ako normálna kvapalina – pri zahrievaní sa rozťahuje a jej hustota klesá. Toto je asi najznámejšia anomália tekutej vody, ktorá sa spomína vo fyzike na základnej škole. Hoci je rozdiel hustôt vody pri
0 °C a 4 °C pomerne malý, v prírode má veľký význam. Vďaka nemu jazerá a rieky zamŕzajú pri hladine, a vodné organizmy tak môžu prežiť zimu.
Menej známe a o to zaujímavejšie je to, že okrem bežného hexagonálneho ľadu existuje ešte najmenej ďalších štrnásť kryštalických foriem, z ktorých niektoré majú bizarné a veľmi komplikované usporiadanie molekúl v priestore. Pri zvyšovaní tlaku príroda najprv vyskúša rôzne komplikované riešenia v podobe sofistikovaného uloženia molekúl, ktoré efektívnejšie vypĺňajú priestor. To sú ľady II, III, IV, ..., až po XV, okrem ľadu X. Najkomplikovanejší z nich je ľad V, ktorého základná bunka, periodicky sa opakujúca v priestore, má až 28 molekúl.
Pri ďalšom zvyšovaní tlaku sa však prekvapujúco ukáže, že aj v jednoduchosti je sila a po vyčerpaní komplikovaných riešení sa príroda vráti k úplne jednoduchej myšlienke.
Ďalšie stlačenie ľadu sa uskutoční tak, že sa optimálne využije prázdny priestor.
Ľad VII pozostáva z dvoch podmriežok, z ktorých každá predstavuje už spomínaný kubický ľad Ic. Tie sú voči sebe posunuté tak, že každá vyplní prázdne miesta v tej druhej. Dalo by sa to prirovnať k reťazi, v ktorej sú články navzájom prepletené tak, že jeden prechádza otvorom v druhom. Na ilustráciu, táto situácia nastane pri tlaku, ktorý by bol na dne fiktívneho oceánu hlbokého asi 250 km.
Pri ďalšom stláčaní potom dôjde k posunutiu atómov vodíka, ktoré sa nachádzajú medzi dvoma kyslíkmi, z polohy mimo stredu spojnice kyslíkov presne do jej stredu. Môže sa zdať, že toto je málo podstatný detail, avšak v tomto momente molekuly vody definitívne strácajú svoju identitu, pretože zmizne rozdiel medzi vlastnou a cudzou molekulou. Tento unikátny ľad dostal číslo X. V skutočnosti sa podobná situácia nevyskytuje len v ľade, ale aj v mnohých iných látkach. Nie je vylúčené, že sa časom podarí nájsť aj ďalšie formy ľadu, ktoré doteraz unikli pozornosti vedcov. A aby toho nebolo málo, našli sa aj najmenej dve formy takzvaného amorfného ľadu, ktoré vôbec nemajú kryštalickú štruktúru – molekuly v nich sú neusporiadané, a pripomínajú sklo.
Spomenuli sme len malý zlomok zaujímavých a anomálnych vlastností vody a ľadu a aj to len z pohľadu fyziky. Kompletný zoznam zvláštnych vlastností vody by zabral veľa článkov tohto rozsahu, a niektorým súvislostiam ešte stále celkom nerozumieme. Nehovorili sme nič o funkcii vody v živých organizmoch. O tom vedia rozprávať biochemici. Pre fyzika je fascinujúce to, že látka zložená z malých a jednoduchých molekúl môže mať veľmi bohaté a komplikované správanie. V každom prípade je voda všetko iné, len nie obyčajná kvapalina. Autor je fyzik.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.