Aktuální číslo:

2021/5

Téma měsíce:

150 let Vesmíru

Nejnovější výzkumy o vodíku a vodě

 |  3. 5. 2021
 |  Vesmír 100, 342, 2021/5

1934: Jestliže se otážeme inteligenta, který chemii buď nestudoval anebo ji od dob svých studií skoro úplně zapomněl, zná-li nějaký chemický vzorec, tu skoro jistě odpoví: ó ano, voda je hádvěó, čímž se vyrozumívá vzorec vody H2O. Tato odpověď byla správnou do nedávné doby, avšak nejnovějšími výzkumy bylo dokázáno, že složení vody není tak jednoduché, jak se od doby Cavendishovy a Wattovy (1781), tedy po 150 let, zato mělo. Roku 1932 podařilo se totiž americkým chemikům dokázati, že plynný vodík, jak jej všeobecně známe, skládá se vlastně z vodíků dvou, čili ze dvou isotopů (prvků stejných vlastností chemických, ale odlišných vlastností fysikálních). Odpařováním velkého množství zkapalněného vodíku získali američtí badatelé prchavější část, která je lehčí, a poslední, méně prchavou, která se ukázala těžší. Touto frakcionovanou destilací rozdělen byl vodík alespoň zhruba ve dva isotopické vodíky. Aby bylo možno je ve vzorcích odlišiti, označili lehčí symbolem H1 a těžší H2. Pokud je zatím známo, jest v obyčejném vodíku isotopu lehčího daleko větší množství než isotopu těžšího, ale přesná data nejsou zatím známa, pravděnejpodobněji jest 1 část H2 obsažena asi ve 30 až 40.000 částech vodíku. Obdobně jako u isotopů jiných prvků, tak i isotopy vodíku liší se vlastnostmi fysikálními, nikoliv chemickými. Z odlišných vlastností fysikálních jest to v prvé řadě atomová váha, která byla velmi přesně stanovena hmotným spektrografem Astonovým,1) a nalezeno, že lehčí vodík H1 má atomovou váhu 1,00775 a těžší H2 2,01363 a tím současně existence obou byla potvrzena. Dále se liší oba vodíky strukturou atomů: jádro atomu lehčího vodíku H1 sestává pouze z jednoho positivního elektronu čili positronu, a zevnější obal atomu tvoři jeden negativní elektron, který je valenční. Atom těžšího vodíku H2 pak má v jádře dva positrony a jeden negativní elektron a na obalu rovněž jeden negativní valenční elektron. Mají tedy oba atomy stejný počet elektronů v obalu, a proto mají také identické vlastnosti chemické.

Z tohoto epochálního objevu vyplýval pak nutně závěr: je-li vodík sám směsí vlastně vodíků dvou H1 a H2, musí také voda, sloučenina vodíku a kyslíku, býti směsí dvou vod: H1H1O a H2H2O, s molekulárními vahami 18 a 20 (okrouhle). Proto také byly nazvány vodou „lehkou“ a poslední „těžkou“. […]

Na základě předběžných pokusů se zdá, že těžká voda má také jiné vlastnosti fysiologické, neboť američtí badatelé pozorovali, že touto vodou navlhčená tabáková semena nevzklíčila, a proto ji prohlašují přímo za jedovatou. Avšak toto tvrzení nutno zatím přijímati opatrně, neboť teprve četnějšími a systematickými pokusy bude nutno o tom podati definitivní důkaz. […]

Univ. prof. dr. J. Štěrba-Böhm Vesmír 12, 137, 1934/6

1934: Ještě k otázce „těžkého vodíku“ a „těžké vody“. Ve „Vesmíru“, roč. XII., str. 137, referuje prof. dr. J. Štěrba-Böhm o nejnovějších výzkumech o těžkém vodíku a těžké vodě. […] S hlediska ryze fysikálního chci zde cit. článek doplniti.

„Těžký vodík“ je tedy isotop vodíku o atomové hmotě pravděpodobně o málo větší než 2. V souhlasu s Rutherfordem budeme pro celý atom těžkého vodíku užívati názvu diplogen, pro jádro atomu názvu diplon. Jádro atomu vodíku, jak známo, všeobecně se nyní nazývá proton. Co je diplon, jak ho máme redukovati na běžné stavební kameny hmoty, protony a elektrony? Diplon musí míti hmotu 2 a jeden kladný elektrický náboj, jakožto isotop vodíku. Mohl by býti tudíž buď kombinací dvou protonů a jednoho elektronu, anebo také kombinací jednoho protonu a jednoho neutronu. Proton, jak známo, má hmotu 1 a náboj + 1, elektron prakticky hmoty nepřidá, za to kompensuje svým - 1 nábojem + 1 náboj jednoho protonu. Neutron je pak částečkou prakticky stejně hmotnou, jako proton, avšak bez elektrického náboje. […] V citovaném článku prof. Štěrby je místo „proton“ užíváno slova „positron“, které znamená „kladný elektron“, tedy částečku hmoty elektronu záporného, opatřenou však jedním kladným nábojem. Positron tedy hmoty prakticky nepřidá, a dosud také není fysikům naprosto jasna jeho role jakožto stavebního kamenu hmoty. Čtenář nechť si tedy cit. článek v tom smyslu upraví. […]

Dr. V. Santholzer Vesmír 12, 161, 1934/7

2021: V roce 1934 byla za objev těžkého izotopu vodíku – deuteria – udělena Nobelova cena Haroldu Ureymu, který také jako první izoloval těžkou vodu.2) Ta však byla v první polovině třicátých let 20. století považována spíše za vědeckou kuriozitu než za látku s praktickým významem. Na jedné straně se vědci obávali možné toxicity těžké vody, na druhou stranu ji někteří odvážlivci ochutnávali, a spekulovalo se dokonce, že její pravidelné požívání by mohlo zpomalit biologické procesy v těle, a tak prodloužit lidský život.3) 4) Situace se dramaticky změnila těsně před druhou světovou válkou, kdy se těžká voda jako moderátor neutronů v jaderných reaktorech stala klíčovým elementem při vývoji jaderných zbraní. Byla natolik důležitá, že Spojencům stálo za to obětovat mnoho lidských životů při zničení továrny na těžkou vodu Norsk Hydro, využívané v jaderném programu nacistického Německa. Po válce pak našla těžká voda uplatnění i v mírovém výzkumu a aplikacích, a to nejen v oblasti jaderných elektráren, ale i v metodách používaných k určování struktury molekul, jako je nukleární magnetická rezonance, vibrační spektroskopie nebo neutronový rozptyl.

Vraťme se ale ještě krátce k chuti těžké vody. Především není třeba se bát těžkou vodu ochutnat, neboť o ní platí to, co se s nadsázkou v Rusku tvrdí o alkoholu, totiž že v malých dávkách neškodí v jakémkoli množství. Deuterium je stabilní izotop a tělo každého z nás obsahuje několik mililitrů vody, v jejichž molekulách je alespoň jeden vodík zaměněn za deuterium. Takové množství těžké vody je možné bez obav vypít, jak se to také dělá v klinické praxi při měřeních rychlosti lidského metabolismu.5) Toxické účinky se projeví, teprve pokud se vymění desítky procent tělní tekutiny za těžkou vodu, jak ukázaly v šedesátých letech minulého století velmi drahé a poměrně drastické experimenty na psech.6)

Těžká voda je chemicky identická s normální vodou, a měla by tedy mít stejnou neutrální chuť. To také tvrdil Harold Urey,3) na rozdíl od norského kolegy Klause Hansena, který po ochutnání prohlásil, že těžká voda je mírně nasládlá.4) Tato otázka zůstávala dlouho otevřená, dokud jsme před pár lety jedné bezesné noci při měření neutronového rozptylu na jaderném reaktoru v Grenoblu ochutnávku nezopakovali. Dnes, po sérii mnohem serióznějších experimentů na lidských subjektech, myších i buňkách transfekovaných lidským chuťovým receptorem, můžeme se slušnou dávkou jistoty prohlásit, že člověk skutečně vnímá těžkou vodu jako mírně sladkou, zhruba jako dvouprocentní roztok glukózy.7) A protože těžká voda se od té normální chemicky liší jen díky vibračním kvantovým efektům (díky nimž tvoří o trochu silnější vodíkové vazby, což vede například k mírně zvýšeným bodům tání a varu, jakož i pH), můžeme s jistou básnickou licencí prohlásit, že byť může být obtížné si na kvantové jevy sáhnout, tak je možné je ochutnat.

Poznámky

1) Viz také s. 320.

2) Urey H. C., Brickwedde F. G., Murphy G. M.: Physical Review, 1932, DOI: 10.1103/PhysRev.39.164

3) Urey H. C., Failla G.: Science, 1935, DOI: 10.1126/science.81.2098.273-a

4) Hansen K., Rustung E.: Klinische Wochenschrift, 1935, DOI: 10.1007/BF01779088

5) Speakman J. R.: Am. J. Clin. Nutr., 1998, DOI: 10.1093/ajcn/68.4.932S

6) Czajka D. M. et al.: Am. J. Physiol.-Legacy Content, 1961, DOI: 10.1152/ajplegacy.1961.201.2.357

7) Ben Abu N. et al.: Communications Biology, 2021, DOI: 10.1038/s42003-021-01964-y

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Chemie, 150 let Vesmíru
RUBRIKA: Vertikála

O autorovi

Pavel Jungwirth

Pavel Jungwirth (*1966) vystudoval Matematicko-fyzikální fakultu UK v Praze. V Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR, v. v. i. se zabývá modelováním interakcí iontů s biomolekulami v roztocích a dalšími příbuznými problémy. Od r. 2009 je členem Učené společnosti ČR.

Doporučujeme

Jaké to je být fanouškem

Jaké to je být fanouškem

Dan Bárta  |  3. 5. 2021
Jsem ročník 1969. Poprvé jsem uviděl Vesmír na stole v kuchyni u svého spolužáka z gymplu v půlce osmdesátek. Na mou nejapnou otázku, jestli „jede...
Složitá jednoduchost virů

Složitá jednoduchost virů uzamčeno

Ivan Hirsch, Pavel Plevka  |  3. 5. 2021
Místo tradičního redakčního rozhovoru tentokrát nabízíme dialog virologů dvou generací a odlišných specializací, Ivana Hirsche a Pavla Plevky.
Časy Vesmíru

Časy Vesmíru

Tomáš Hermann  |  3. 5. 2021
První číslo Vesmíru vyšlo 3. května 1871, časopis tedy letošním květnovým číslem slaví 150. narozeniny. Při cestě do jeho historie můžeme za...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

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

 

Objednat předplatné