Zdá sa, že máte zablokovanú reklamu

Fungujeme však vďaka príjmom z reklamy a predplatného. Podporte nás povolením reklamy alebo kúpou predplatného.

Ďakujeme, že pozeráte .pod lampou. Chceli by ste na ňu prispieť?

(Ne)obyčajná voda

.peter Szolcsányi .časopis .veda

Je priehľadná, bez farby, chuti a zápachu. Pijeme ju, kúpeme sa v nej, umývame ňou autá, polievame záhradu, hasíme oheň, jazdia po nej lode a žijú v nej ryby. Jednoducho úplne obyčajná voda. Čo už len na nej môže byť také zaujímavé?

Vlastne takmer všetko. Je to jediná prírodná zlúčenina, ktorá sa vyskytuje na Zemi vo všetkých troch skupenstvách súčasne. Jej tuhá forma má menšiu hustotu a je ľahšia ako jej kvapalná fáza. Dokáže prijať značné množstvo tepla bez toho, aby sa príliš zohriala. Výborne rozpúšťa „nabité“ molekuly, pričom s olejmi sa takmer nemieša. Má obdivuhodné povrchové napätie a je prakticky nestlačiteľná. Vskutku unikátne vlastnosti a navyše plno nečakaných prekvapení.

.studený ľad
Vezmime si napríklad zmrznutú vodu. Očividný fakt, že ľad pláva na hladine vody, vnímame ako úplne prirodzenú vec. Pritom je to čosi značne nenormálne. Všetky ostatné kvapaliny totiž tuhnutím zvyšujú svoju hustotu, stávajú sa tak kompaktnejšími a ťažšími. Ľudovo povedané, pri znižovaní teploty sa látky „scvrkávajú“, ako napríklad ortuť v teplomeri, keď (jej) teplota klesá.
Čiastočne sa to týka aj vody, vriaca je naozaj o niečo redšia ako tá studenšia, ale platí to len do štyroch stupňov Celzia nad nulou. V tomto bode totiž dosahuje voda maximum svojej hustoty a ďalším ochladzovaním (paradoxne) opäť redne, až kým nezamrzne. Preto je ľad ľahší ako voda.
Táto nenápadná skutočnosť má však priam existenčné dôsledky pre (pod)vodný život. Ak by to tak nebolo, počas zimy by ľad klesal ku dnu a vytláčal by teplejšiu vodu nahor. Tá by na studenom vzduchu opäť mrzla, a tak dookola, až by sa nakoniec rieky a jazerá stali mŕtvymi kusmi ľadu.
Prečo to tak nie je? Dnes sme už viac-menej presvedčení, že za životodarné a zároveň anomálne správanie vody sú zodpovedné vlastnosti jednotlivých molekúl a tzv. vodíkové väzby medzi nimi. O čo ide? V molekule vody, ktorá má tvar písmena V, je atóm kyslíka chemicky pevne viazaný s dvoma atómami vodíka. Okrem toho – a to je kľúčové – však ešte atóm kyslíka intenzívne „koketuje“ aj s ďalšími (dvoma) vodíkmi okolitých molekúl vody a naopak. Môže si to dovoliť, pretože je (čiastočne) záporne nabitý a vodík naopak (čiastočne) kladne, takže sa vzájomne priťahujú.
Touto ich interakciou sa vytvára hustá a komplexná sieť, tvorená síce slabými, ale zato mimoriadne početnými medzimolekulovými „mostíkmi“. Nuž, a vtip je v tom, že pri zamŕzaní vody dochádza k preskupeniu jednotlivých jej molekúl a zmene priestorovej štruktúry vodíkových väzieb medzi nimi. A to tak, že z pôvodne kvapalnej (ale kompaktnej) molekulárnej „tlačenice“ sa stane voľnejšia (ale usporiadaná) tuhá kryštálová mriežka ľadu. V nej už majú molekuly okolo seba viac miesta, tak sa „rozťahujú“ a ľad následne zväčší svoj priestorový objem. Preto napríklad pri (za)mrznutí roztrhne fľašu naplnenú až po okraj vodou.

.studená voda
Hádam ešte zaujímavejší ako studený ľad je voda studenšia ako ľad. Vodu je totiž možné ochladiť až na -42°C bez toho, aby stuhla. Znie to síce absurdne, ale dá sa to, ak je voda úplne čistá.
Takáto (super)podchladená voda dokonca vzniká celkom spontánne, a to v atmosfére vo forme malých kvapôčok v oblakoch. Ak takéto kvapôčky náhle skryštalizujú na ľad, prejaví sa to ako krupobitie. Ak sa niečo podobné stane pri kontakte s krídlom lietadla, vytvorí sa na ňom okamžite nebezpečná námraza, a preto musia byť stroje lietajúce v takomto prostredí vybavené „rozmrazovačom“.
Kvapalné vlastnosti podchladenej vody sú nevyhnutnou podmienkou na život pri teplotách hlboko pod nulou. Rastliny a živočíchy, ktoré obývajú extrémne mrazivé prostredie, si takúto vodu doslova „vyrábajú“, a to prostredníctvom mrazuvzdorných bielkovín.
Podľa našich súčasných predstáv však nie je najrozšírenejšou formou vody vo vesmíre ani podchladená voda, ani ľad, ale takzvaná „sklená“ voda. Tá vzniká napríklad vtedy, ak vodu ochladzujeme rýchlosťou až milión stupňov za sekundu. Za týchto extrémnych podmienok „nestihne“ voda skryštalizovať a stáva sa akýmsi tuhým sklom. „Sklená“ voda a „normálny“ ľad sú chemicky identické a majú rovnaké skupenstvo, líšia sa však štruktúrou, a teda aj fyzikálno-chemickými vlastnosťami. Spomínaná „sklená“ voda je prítomná v medzihviezdnom prachu, tvorí väčšinu hmoty komét a hrá dôležitú úlohu v planetárnej aktivite.

.horúca voda
Ale nielen studená voda skrýva rôzne prekvapenia, tá horúca nie je o nič menej zaujímavá. Už len taký bod varu, ktorý je v porovnaní s chemicky podobnými zlúčenami až abnormálne vysoký. Ak napríklad „vymeníme“ v molekule H2O atóm kyslíka za chemicky príbuznú síru, nedostaneme (pri atmosférickom tlaku) žiadnu fajnovú kvapalinu ale naopak zapáchajúci plyn (sírovodík H2S totiž vrie hlboko pod bodom mrazu vody).
Prečo sa voda aj v tom tak veľmi líši od príbuzných látok? Opäť si myslíme, že to úzko súvisí s medzimolekulovými vodíkovými väzbami. Tie, ako už vieme, vytvárajú obrovský „hydropolymér“, ktorý je, pochopiteľne, oveľa väčší, ako jednotlivé molekuly vody, z ktorých pozostáva. Nuž a čím je molekula väčšia, tým je aj ťažšia, a má teda patrične vyšší bod varu. (Hádate správne, molekuly plynného sírovodíka na rozdiel od molekúl kvapalnej vody prakticky netvoria vodíkové väzby.)
Čo však doposiaľ zostáva nejasné, je spôsob, ako presne vodíkové mostíky medzi molekulami vody vznikajú a akú majú štruktúru za rôznych okolností (napríklad v prítomnosti iných chemických zlúčenín alebo na pevných povrchoch). Problém to vôbec nie je jednoduchý, pretože vodíkové väzby sú doslova chemickými akrobatmi – veľmi dynamické a flexibilné, tvoriace reťazce s rozdielnou dĺžkou a silou. A exaktne opísať takú komplexnú šírku rôznych interakcií je zatiaľ nesmierne ťažké.
Zároveň sa však odpovede na tieto otázky priamo týkajú fundamentálnych prírodných dejov. Od vzniku života cez štruktúru bielkovín v bunkách až po zvetrávanie geologických útvarov. Je to skoro až neuveriteľné, kde všade hrá nezastupiteľnú úlohu tá (ne)obyčajná voda. A hoci si dnes myslíme, že vieme o jednej-jedinej molekule vody prakticky všetko, súčasne si uvedomujeme, ako veľmi málo rozumieme vzájomným interakciám týchto jednoduchých molekúl.

.horúci ľad
A ešte bonbónik na záver. Pri experimentoch na najväčšom röntgenovom generátore na svete („Z-Machine“) vystavili tenučkú vrstvu vody elektrickému prúdu o intenzite 20 miliónov ampérov. Dôsledkom bolo jej okamžité stlačenie pod zdrvujúcim tlakom – až stotisíckrát väčším, než je ten atmosférický. A voda v priebehu pár nanosekúnd úplne stuhla na ľad. Síce nie na taký ten obyčajný, ako na rybníku v zime, ale predsa len ľad (tento druh má číslo VII). A čo je teda na tom také vzrušujúce? Nuž dve veci. Bežne ten proces trvá asi miliónkrát dlhšie, takže toto bol jednoznačne svetový rekord v  „zamrznutí“. Úplne fascinujúce však je, že ten extrémny ľad bol horúcejší ako vriaca voda na sporáku v kuchyni.
A aké vlastnosti má takýto horúci ľad? Nuž, to je jedna z mnohých vecí, ktoré o vode nevieme. Počítačové simulácie však naznačujú, že pri extrémnych teplotách a tlakoch by voda mala mať podobné elektrické vlastnosti ako kovy. Nedávne výpočty uskutočnené práve v súvislosti s experimentmi na Z-machine dokonca ukazujú, že takáto kovová voda by sa mala nachádzať aj na planéte Neptún. Ak je to naozaj tak, malo sa to prejavovať na magnetickom poli tejto planéty. Či a ako presne sa to prejavuje, to zatiaľ nevieme. Ale isté je, že voda v sebe skrýva veľa tajomstiev a že jej ešte ani zďaleka dostatočne nerozumieme.

Autor je chemik
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.
.diskusia
.posledné
.neprehliadnite