Do nitra vody a ledu

2. červenec 2016

Proč voda teče? Čemu vděčíme za její unikátní životadárné vlastnosti? Napoví nám vnitřní struktura vody, to, z čeho je tvořena a jak drží pohromadě. Do nitra vody se ponoříme každou prázdninovou sobotu v seriálu pořadu Meteor. V prvním díle jsme se zaměřili na molekulu vody.


Příspěvky Meteoru 2. 7. 2016
01:12 Do nitra vody a ledu
09:34 Byli dinosauři známi již v předvědecké éře?
16:42 Umělý hmat
20:16 Cvrčivec aneb zvukový teploměr v přírodě.
30:00 Sherlock Holmes a případ s včelou

Jak každý ví, voda je chemická sloučenina vodíku a kyslíku. Označuje se vzorcem H2O. V přírodě se vyskytuje ve třech skupenstvích. V pevném jako led a sníh, v kapalném jako voda a v plynném jako vodní pára.

Jak vypadá molekula H2O

Molekulu H2O tvoří, jak vzorec napovídá, dva atomy vodíku a jeden atom kyslíku, uspořádané zhruba do hodně rozevřeného písmene V.

„Učebnicový pohled nám říká, že je to lomená struktura a úhel, který spolu svírají atomy H, O a H, je 104,5 stupňů. To není špatná představa, ale není úplná,“ uvedl v Meteoru Pavel Jungwirth z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd ČR.

„Ten jeden kyslík vytváří chemické vazby ke dvěma vodíkům, ale nejenom to, on má ještě další čtyři elektrony, které vytvářejí další dva elektronové páry,“ dodal Jungwirth.

Kyslík se rád bratří s vodíkem odvedle

Když se k sobě přiblíží molekuly vody, vytvářejí makroskopické struktury. „Voda je polární molekula, vždy vodík interaguje s kyslíkem,“ vysvětlil chemik a hned dodal: „Vodík má částečně kladný náboj, kyslík částečně záporný náboj. Takže logicky se vodíky budou bratřit s kyslíky dalších molekul a kyslíky s vodíky.“

Molekula vody H2O

„Molekula vody se může těmi vodíky přes dva volné elektronové páry navázat na další dvě molekuly vody. A naopak těmi svými původními vodíky může přitáhnout další dvě molekuly vody z kyslíkové strany. Takže každá molekula vody se může spárovat se čtyřmi dalšími molekulami,“ vysvětlil Jungwirth. Výsledkem je pak typická pyramidální struktura vody.

Velmi silná slabá vazba

V molekule vody má kyslík k sobě dva vodíky přichyceny velice pevně, a k tomu se ještě slabší vazbou dokáže chytnout dalších vodíků, když se přiblíží k jiné molekule vody.

„Říká se tomu vodíková vazba. Není to pravá chemická vazba, je slabší, patří mezi tzv. mezimolekulové interakce. Ale v rámci nich je to jedna z nejsilnějších. Čili může říct, že se jedná o velmi silnou slabou vazbu,“ doplnil Jungwirth.

Proč voda při pokojové teplotě teče

Právě zvláštností mezimolekulových vazeb se dá vysvětlit spousta anomálií vody. Například to, že voda teče při pokojové teplotě. Třeba molekuly etanu a metanu jsou srovnatelně těžké s molekulami vody, ale na rozdíl od ní jsou při pokojové teplotě plynné, nikoli kapalné.

„To, že voda je kapalná při pokojové teplotě, pramení právě z toho, že má mezi sebou velmi silné interakce,“ vysvětlil Jungwirth.

Proč je voda hustší než led

Vodíková vazba je lineární, můžeme si ji představit jako přímku. „Když se vytváří ideální struktura ledu, tak molekuly se na sebe navazují v perfektním čtyřstěnu. To je struktura, která nechává určité dírky, proto je led řidší než voda,“ popsal Jungwirth.

„Led má ideální strukturu z hlediska vodíkových vazeb, snaží se minimalizovat energii. Cena za to je, že tam vznikají skulinky. Ale když se led zahřeje, perfektní lineární struktura se zbortí, skulinky se zaplní a hustota se zvýší. To je vysvětlení, proč je voda hustší než led,“ dodal chemik.

Hokejový led

Není led jako led. „To, co považujeme za normální led, se nazývá hexagonální, já mu říkám hokejový led,“ řekl Jungwirth a dodal: „To je struktura, kde každá molekula vody má na sebe navázané další čtyři molekuly vody lineární vodíkovou vazbou.“

Bruslení

„Když se na ten krystal podíváme z různých směrů, bude vypadat různě. Když ho řízneme v jednom směru, uvidíme takové krásné šestiúhelníky. Vypadají jako včelí plástev, kde ale ne všechny strany jsou stejné,“ dodal chemik.

Kubický led

V přírodě se vyskytuje ještě jeden druh ledu. Také má hexagony (tedy šestiúhelníky), ale jeho strany jsou si blíž k sobě, je pravidelnější. Říká se mu kubický led.

„Ten vzniká, když je málo vody, pak se tvoří jen malé shluky. Typický příklad je ve vysokých cirrusových mracích. Počáteční ledové jádro vzniká v kubickém ledu, které ale není stabilní, takže když vody přibyde, tak se ten kubický led změní v ten normální, hexagonální čili hokejový led,“ dodal Jungwirth.

Více druhů ledu

V přírodě se tedy vyskytují dva druhu ledu, známo je jich ale 15. Ledy s jinou strukturou se dají uměle vyrobit.

„Jiné druhy ledu jsou stabilní pouze za velmi vysokých tlaků. Třeba v tisících, milionech nebo miliardách atmosfér. Pokud se na vodu tlačí milionem atmosfér, tak led může překrystalovat do čtverců nebo kosočtverců a má jinou hustotu,“ dodal Pavel Jungwirth.

Sněhové vločky nejsou jako přes kopírák

Samozřejmě se můžeme ptát, proč když má led pravidelnou strukturu, jsou vločky každá jiná.

„Sněhové vločky jako celek vypadají různě, ale při detailním pohledu vždy zachovávají určitý vzor. Vždy je tam patrná šestičetná symetrie. Každá sněhová vločka má šest ramen, nikdy ne třeba jen pět, pokud se jí tedy nějaké neulomí. Vločka navíc není jeden krystal, je to polykrystalická struktura – tedy mnoho krystalků nalepených na sebe podle toho, jak postupně vločky rostou,“ doplnil Pavel Jungwirth.

Další zajímavost z nitra vody a ledu se dozvíte každou prázdninovou sobotu v seriálu pořadu Meteor.

Tento i ostatní záznamy pořadu Meteor najdete v našem Archivu pořadů.

autoři: Petr Sobotka , Leona Matušková
Spustit audio