Sciencemag.cz
Doporučujeme
Deuterium má v jádře o jeden neutron více než vodík a tudíž asi dvakrát větší hmotnost. Dalo by se tedy očekávat, že těžká voda, v níž se na atom kyslíku vážou dva dvakrát těžší atomy, se bude svými vlastnostmi od normální vody výrazně lišit. Ve skutečnosti jsou však například teploty tuhnutí obou typů vody od sebe posunuty pouze o 4 °C.
Vědcům z Institutu Maxe Plancka pro výzkum polymerů se nyní poprvé podařilo prokázat, že za to mohou dva speciální kvantově mechanické efekty – jaderné kvantové efekty (NQE), které se vzájemně kompenzují.
Podle kvantové mechaniky se atomy pohybují, a to dokonce i při absolutní nule: oscilují, mírně se ‚chvějí‘ kolem centrální polohy. Atomy vodíku v normální vodě se tedy nenacházejí v přesně definované, pevné vzdálenosti od atomu kyslíku, ale v určitém mraku, který se rozprostírá kolem průměrné vzdálenosti. Protože vodík je atom s tak malou hmotností, jsou tyto vodíkové mraky velké, NQE výrazné a vibrace mají velkou amplitudu.
Je-li vodík nahrazen těžším deuteriem, atomy vibrují méně. Střední vzdálenost se zmenší, což znamená, že atom deuteria se přiblíží k atomu kyslíku. V důsledku tohoto tzv. intramolekulárního efektu se zmenšuje prostorová roztažnost molekuly vody. Současně se zvětšuje vzdálenost k další molekule vody, což snižuje vazebnou energii. Právě vazebná energie je přitom měřítkem toho, jak snadno se od sebe mohou dvě molekuly vody oddělit – například při tání ledu na kapalnou vodu.
Zároveň však může atom deuteria kmitat nejen ve směru vazby k atomu kyslíku, ale také kolmo na ni. Při výměně vodíku za deuterium působí tento tzv. intermolekulární efekt proti efektu intramolekulárnímu: zatímco jeden snižuje vazebnou energii, druhý ji ve srovnatelné míře zvyšuje. Tedy závěr z toho všeho: teploty tuhnutí/tání normální a těžké vody se liší jen nepatrně, protože oba kvantově mechanické efekty mají opačný vliv na vazebnou energii a vzájemně se přibližně kompenzují.
K měření těchto jemných efektů použili vědci techniku spektroskopie s heterodynně detekovaným generováním součtových frekvencí (? – v originále heterodyne-detected sum-frequency generation spectroscopy, HD-SFG). Tato metoda jim umožnila studovat nejsvrchnější vrstvu vody na rozhraní vzduchu a vody, kde molekuly vody existují s „volným“ koncem, který není připojen k jiným molekulám vody. Analýzou vibračních spekter vody s různým podílem vodíku a deuteria pak byli vědci schopni odvodit a kvantifikovat jednotlivé inter- a intramolekulární složky vazebné energie.
Kuo-Yang Chiang et al, Experimental quantification of nuclear quantum effects on the hydrogen bond of liquid water, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adv7218
Zdroj: Max Planck Society / Phys.org
Poznámky PH:
V jiné molekule by mohl být rozdíl mezi lehkým vodíkem a deuteriem větší, nebo toto platí zcela obecně?
U jiných izotopů by podobný efekt třeba nebyl, jenže tam by jeden dva neutrony navíc zase nezpůsobily takový relativní rozdíl v hmotnosti. (Liší se svými vlastnostmi třeba nějak podstatněji CO2 z normálního uhlíku a z 14C, tedy kromě stability?)
a jeste to zkusit s tritiovou vodou.