Voda je nejhojnější kapalinou v přírodě a zároveň tou nejzáhadnější. Je to jediná látka, kterou může člověk běžně potkat v kapalném, pevném i plynném stavu. Nikde ve vesmíru pravděpodobně neexistují živí tvorové, kteří by se bez ní obešli. Za své výjimečné vlastnosti přitom vděčí jednomu drobnému jevu, který se nyní podařilo poprvé přímo pozorovat.
Voda se skládá ze dvou atomů vodíku a jednoho atomu kyslíku. Vodík je nejhojnější prvek ve vesmíru a vznikl už při velkém třesku. Je také nejjednodušší, v jádru má pouze jeden proton, který si k sobě přitahuje jeden elektron. Kyslík naopak vznikl uvnitř prvních hvězd a do vesmíru se uvolnil při jejich smrti – výbuších. Kyslík má osm kladně nabitých protonů a osm elektronů se záporným nábojem, které jsou ubytované ve dvou takzvaných energetických hladinách. Představme si je jako dvě podlaží hotelu.
Nedávno jste již předplatné aktivoval
Je nám líto, ale nabídku na váš účet v tomto případě nemůžete uplatnit.
Tento článek pro vás někdo odemknul
Obvykle jsou naše články jen pro předplatitele. Dejte nám na sebe e-mail a staňte se na den zdarma předplatitelem HN i vy!
Navíc pro vás chystáme pravidelný výběr nejlepších článků a pohled do backstage Hospodářských novin.
Zadejte e-mailovou adresu
Zadejte e-mailovou adresu. Zadaná e-mailová adresa je ve špatném formátu.
Máte již účet? Přihlaste se.
Zpracování osobních údajů a obchodní sdělení
Využitím nabídky beru na vědomí, že mé osobní údaje budou zpracovány dle Zásad ochrany osobních a dalších zpracovávaných údajů, a souhlasím se Všeobecnými obchodními podmínkami vydavatelství Economia, a.s.
Přihlaste se,
nebo si jen přečtěte odemčený článek bez přihlášení.
Zdá se, že už se známe
Pod vámi uvedenou e-mailovou adresou již evidujeme uživatelský účet.
Děkujeme, teď už si užijte váš článek zdarma
Od tohoto okamžiku můžete číst neomezeně HN na den zdarma. Začít můžete s článkem, který pro vás někdo odemknul.
V e-mailu máte odkaz k nastavení hesla a dokončení registrace. Je to jen pár kliků, po kterých můžete číst neomezeně HN na den zdarma. Ale to klidně počká, zatím si můžete přečíst článek, který pro vás někdo odemknul.
Pokračovat na článekV prvním patře je jen jeden dvoulůžkový pokoj, ve druhém jsou čtyři dvoulůžkové. Dohromady se tu proto může ubytovat deset elektronů. Jenže kyslík jich má jen osm, v prvním patře tak ubytuje dva elektrony a v druhém šest. Dvě postele tedy zbudou – a ty kyslík pronajímá. Častými nájemci jsou elektrony vodíku. Sdílením elektronů pak mezi vodíkem a kyslíkem vzniká pevná, takzvaná kovalentní vazba, která drží molekulu vody pohromadě.
Kyslík je atraktivní pronajímatel, a tak elektrony obou atomů vodíku – připomeňme si, že každý má pouhý jeden elektron – netráví moc času ve svých vlastních vodíkových pokojích, ale bydlí právě u kyslíku. Tím ovšem v molekule vody vzniká nerovnováha. Kyslík k sobě stahuje záporný náboj – má osm protonů s kladným nábojem, ubytovává ale deset záporně nabitých elektronů. Naopak pokoje vodíku zejí většinou prázdnotou, a tak si oba jeho atomy udržují kladný náboj. To vede k tomu, že se jednotlivé molekuly vody vzájemně přitahují. Vodíková kladná část se přitahuje se zápornou kyslíkovou částí jiné molekuly a naopak.
A této přitažlivosti, vazbě, se říká vodíkový můstek. Je to relativně slabá vazba, která ale zásadně ovlivňuje vlastnosti vody, včetně jejího přecházení mezi jednotlivými skupenstvími. Právě tyto vodíkové můstky se nyní poprvé podařilo napřímo pozorovat.
Čaj na Mount Everestu
Výzkumníci ze Standfordu a Stockholmské univerzity při experimentu laserovým paprskem zasáhli vazbu mezi kyslíkem a vodíkem ve vybrané molekule. Dodaná energie molekulu rozvibrovala, a v důsledku se negativně nabitý kyslík v okolních molekulách vody přiblížil k vodíkům v zasažené molekule vody. Bylo tak možné přímo pozorovat působení vodíkových můstků. Proč se to dosud nepodařilo? Protože tento jev probíhá jen extrémně krátkou dobu. Přitažení kyslíku k okolním molekulám trvá jen 0,08 pikosekundy (do jedné sekundy se vejde bilion pikosekund). A vzdálenost mezi kyslíkem a vodíkem sousedních molekul se za tuto dobu změnila o pouhé čtyři pikometry.
„Tato studie je první, která přímo prokazuje, že reakce sítě vodíkových vazeb na impulz energie závisí kriticky na postavení atomů vodíku. Dlouho se jen předpokládalo, že právě tento jev je zodpovědný za jedinečné atributy vody,“ říká Kelly Gaffneyová, vědkyně ze Stanfordovy univerzity.
Voda se od jiných látek liší například tím, že je potřeba dodat hodně energie k jejímu ohřevu. Říká se, že má vysokou tepelnou kapacitu, což znamená, že akumuluje hodně tepla, a tím pádem zároveň i pomalu chladne. Například benzinu stačí k ohřevu o jeden stupeň Celsia poloviční množství energie, olovu dokonce třicetina této energie. Přímým důsledkem je, že oceány si dokážou udržet stabilní teplotu, čímž stabilizují klima.
S vodíkovými můstky souvisí také fakt, že voda zamrzá odshora směrem dolů, což působí samozřejmě, ale ve skutečnosti je to v přírodě podivné chování. Pokrývá se vrstvou ledu, neboť led má nižší hustotu než kapalná voda. Když led taje, voda až do teploty 3,98 stupně Celsia zmenšuje svůj objem a roste její hustota. Teplejší voda se tak přirozeně drží u dna a umožňuje život pod ledem.
Kromě reakce vody na změnu teploty, tedy dodané či odebrané energie, zajímá vědce i její reakce na tlak. Třeba na Mount Everestu stačí díky nižšímu tlaku k dosažení bodu varu vodu ohřát jen na 70 stupňů Celsia. Bod varu stejně jako bod tání je totiž závislý na tlaku. Současný výzkum se zaměřuje ale hlavně na chování vody za velmi vysokých tlaků, kdy si zpravidla udržuje pevné skupenství v podobě ledu.
Voda až do korun stromů
Jenže ledu je více druhů. Liší se uspořádáním jednotlivých atomů ledu v krystalové mřížce. Nejznámější „obyčejný“ led krystalizuje v šesterečné soustavě, tvar jeho krystalku je tedy šestiúhelník v prostoru. Totéž vidíme i na sněhových vločkách. Fyzici tento led označují jako Ih, v horních vrstvách atmosféry lze ale ještě narazit na led Ic a vědci předpokládají, že přirozeně by se mohl vyskytovat ještě led XI, který se od běžného ledu liší jen uspořádanějšími vodíkovými můstky v mřížce. V laboratořích se při obřích tlacích podařilo připravit i další druhy ledu – celkově jich je už nejméně dvacet.
Některé jsou dokonce schopny vést elektrický proud a přirozeně by se mohly vyskytovat uvnitř plynných kosmických obrů, jako je Neptun nebo Uran. V této chvíli ale probíhá pouze základní výzkum ledu a pravděpodobně žádný z jeho různých druhů, alespoň v dohledné budoucnosti, nepřinese praktické využití. Nicméně umožňuje vědcům blíže pochopit chování vody a vodíkových můstků, které jsou přítomné i v různých organických sloučeninách, jako jsou bílkoviny nebo DNA.
Vodíkové můstky jsou navíc nezbytné pro život rostlin, které díky nim dokážou nasávat vodu a živiny ze země. Molekuly vody přilnou ke stěnám trubiček v pletivu rostlin a poutají se k nim právě pomocí vodíkových můstků. Hladina vody u stěn je proto výš než uprostřed trubičky, je prohnutá. Zároveň ale u stěn, kde je hladina výš, je pod ní nižší tlak, voda proto začne pletivem rostlin stoupat vzhůru. Některé stromy takto dokážou vodu dostat až do výšky desítek metrů.
Voda je pravděpodobně látka, bez které se život ve vesmíru neobejde. Nicméně někteří vědci připouští, že možnou alternativou by mohl být amoniak, který se skládá z jednoho atomu dusíku a tří atomů vodíku. I u této látky vznikají vodíkové můstky, jsou ale slabší než u vody. Dusík je horší pronajímatel než kyslík. Kvůli tomu má amoniak jiný bod tání a varu než voda. Život založený na této molekule by tak zřejmě musel fungovat mezi teplotami -70 až -30 stupňů Celsia. Takové podmínky by mohly být pod povrchem Saturnova měsíce Titanu.
Pokud se vám líbil tento článek, mohla by se vám líbit e-kniha, která nyní vychází v rámci Edice HN. Stáhnout si ji můžete ve formátu PDF, EPUB nebo MOBI. Níže je ukázka.
Je takovým pohlazením po duši s trochou nenucené vědy a spojením s jednou romancí. Je o tom, co nás všechny formuje a proč někdy tak špatně spíme.
