Aktuální číslo:

2018/12

Téma měsíce:

Jednotky SI

Kdy je voda nejtěžší a kdy nejlehčí

Zajímavé vlastnosti H2O
 |  10. 4. 2008
 |  Vesmír 87, 222, 2008/4

Voda je natolik spjata s naším životem, že bývá považována za typickou kapalinu. Ve skutečnosti je ale tak málo typická, jak jen si lze představit. V důsledku unikátních vlastností vytvářených vodíkových vazeb (obrázek 1) se voda chová divně. O nejznámější podivnosti spojené s vodou jsme se učili ve škole: kapři v našich rybnících přežívají, neboť voda má maximální hustotu při teplotě 4 °C a hustota kapalné vody je vyšší nežli hustota ledu. Můžete se o tom přesvědčit doma v kuchyni. Ve velkém hrnci s vodou a kusy ledu bude u hladiny teplota lehce nad nulou, u dna 4 °C (obrázek 2). Zvyšovat se začne, až když se všechen led rozpustí.

Při teplotě 4 °C se voda rozpíná, ať už ji zahříváme (což je obvyklé), nebo ochlazujeme (což je neobvyklé, anomální). Roztahuje se ale kapalná voda při snižování teploty neustále, nebo se její hustota při určité teplotě začne zase zvyšovat? Při ochlazení na nulovou teplotu za rovnováhy přechází voda v led. Ke krystalizaci vody ovšem dochází na různých defektech, jako jsou například prachové částice. Mimořádně čistou vodu můžeme proto ochladit i na nižší teploty: ani za amatérských podmínek není těžké destilovanou vodu zchladit přibližně na –15 °C. Voda se nachází ve stavu podchlazené kapaliny a malý podnět pak vede k rychlé krystalizaci. Podchlazenou kapalinu o teplotě nižší než –38 °C se nám z vody (za normálního tlaku) připravit nepodaří. Pod touto teplotou (teplotou homogenní nukleace) vytvoříme vždy led anebo, při rychlém zchlazení, nekrystalickou pevnou vodu, „sklo“ (obrázek 3).

I podchlazená voda se chová anomálně, tedy při ochlazování se roztahuje až do bodu homogenní nukleace. Voda se dá podchladit ještě hlouběji, pokud z ní uděláme malé kapičky; mají-li mikrometrové rozměry, dají se podchladit v kapalném stavu lehce pod –40 °C. Ještě chytřejší nápad je umístit vodu do pórů o nanometrových rozměrech. Nedávno byla takto změřena hustota vody až do teploty –110 °C. Voda, přesněji těžká voda (D2O), byla umístěna do pórů o průměru 1,5 nm. Do takových skulinek se vejde jen několik desítek molekul vody. Hustota se pak dá změřit pomocí chytře provedené neutronové difrakce (kvůli které používali těžkou, a nikoliv normální vodu). Voda v nanopórech měla maximální hustotu při stejné teplotě jako běžná těžká voda. Hustotu kapalné vody je takto možné měřit i pro teploty, při kterých už makroskopická voda zamrzne. Ukázalo se, že se podchlazená voda rozpíná pouze do teploty –63 °C, a poté se začíná zase smrskávat. Voda tak má nejen hustotní maximum, ale i hustotní minimum (Proc. Nat. Acad. Sci. 104, 9570, 2007).

Voda v nanopórech není samozřejmě to samé co voda v hrnci. Nicméně závislost hus toty těchto nanokapiček vody na teplotě je v pozoruhodném souladu s předpovědí získanou pro podchlazenou vodu metodami počítačových simulací. Na počítači se voda podchladí snadno ze stejných důvodů, z jakých je to možné u vody v nanopórech; „počítačová voda“ má totiž také jen několik stovek atomů a rovněž dochází k velmi rychlému chlazení. Je tedy možné, že se voda v nanopórech od makroskopické vody příliš neliší. Chování vody v pórech je ale zajímavé samo o sobě, například v biologii. Řada organizmů je schopna přežít i velmi nízké teploty (viz Vesmír 75, 669, 1996/12) a roli může hrát i nízká ochota vody v pórech přeměňovat se v led.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Chemie

O autorovi

Petr Slavíček

Prof. RNDr. Petr Slavíček, Ph.D., (*1976) vystudoval PřF UK v Praze. V Ústavu fyzikální chemie VŠCHT v Praze se zabývá teoretickou chemií, radiační chemií a fotochemií. Od r. 2007 je členem redakční rady Vesmíru. S Ivonou Malijevskou napsal knihu „Záhady, klíče, zajímavosti očima fyzikální chemie“ (2013). Roku 2016 dostal cenu Neuron. Od r. 2017 je členem Učené společnosti ČR.
Slavíček Petr

Doporučujeme

Poprask kolem dvojčat, prvních dětí s editovaným genomem

Poprask kolem dvojčat, prvních dětí s editovaným genomem

Jaroslav Petr  |  13. 12. 2018
V čem udělali čínští soudruzi chybu? Čínský experiment odstartoval genetické vylepšování lidstva bezpříkladně zpackaným způsobem.
Tanec mezi pravděpodobnostmi

Tanec mezi pravděpodobnostmi

Ondřej Vrtiška  |  3. 12. 2018
Forenzní genetička Halina Šimková donedávna v Kriminalistickém ústavu Praha analyzovala DNA a pomáhala odhalovat vrahy, násilníky a zloděje. To ji...
Sedm základních kamenů

Sedm základních kamenů

Ivan Boháček  |  3. 12. 2018
Začalo to metrem. Ve dnech, kdy jde toto číslo Vesmíru do tiskárny, probíhá ve Versailles 26. konference pro váhy a míry (CGPM, Conférence...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné