Sciencemag.cz
Doporučujeme
Hydrát metanu nacházíme ve formě ledu podobné hmoty například na dně hlubokých či chladnějších moří.
Při nástupu zimy jsme rybník opustili v okamžiku, kdy se na zamlžené vodní hladině tvoří první led. Teplota, při které existují ve vzájemné rovnováze vodní pára, kapalná voda a led, má výsadní postavení v přírodních vědách. Označuje se jako trojný bod vody, příslušná teplota je za normálního tlaku 0,01 °C. Dalším chlazením pod tuto teplotu rybník zamrzá.
Led je třetím běžným skupenstvím, ve kterém se voda vyskytuje. Jedná se o látku krystalickou, známou v několika krystalových modifikacích. Jednotlivé modifikace se odlišující uspořádáním molekul vody v krystalu, tedy krystalovou strukturou. Nejběžnější modifikací ledu, tou, která se tvoří na rybníce, je led Ih, tzv. hexagonální neboli šesterečný. Teplota tání hexagonálního ledu, tedy teplota, při které je za normálního tlaku v rovnováze s kapalnou vodou, byla definována jako bod 0 °C stupnice Celsiovy.
Hexagonální modifikace ledu vzniká jako stabilní modifikace při teplotách nikoli nižších nežli cca –200 °C a tlaku nikoli vyšším než cca dva tisíce atmosfér. Lze jistě nahlédnout, že běžné přírodní podmínky na Zemi pohodlně těmto limitům vyhovují. Krystalová struktura hexagonálního ledu je tvořena molekulami vody, které jsou vzájemně poutány důmyslným síťovím vodíkových můstků. Struktura obsahuje poměrně velké prázdné prostory, neobsazené molekulami vody. Proto je hustota hexagonálního, přírodního ledu také nižší než hustota vody, a led tudíž na vodě plave.
Změnou teplotních/tlakových parametrů mimo výše uvedené rozmezí bylo dosaženo tvorby dalších forem ledu v odlišných krystalových modifikacích. Příkladně se jedná o led v modifikacích kubické, klencové či čtverečné. Dosud je rozpoznáno šestnáct modifikací ledu a čile přibývají další. Některé z těchto forem jsou známy jako raritní výskyty ledu z pozemské přírody (led XI z hlubokých partií antarktického ledovce, kubická forma ledu v nejsvrchnějších vrstvách atmosféry) či jsou v podezření jako možné modifikace ledu vyskytujícího se ve vesmíru. Nemají však žádný praktický význam. Spíš ukazují na bohatost a složitost všeho, co je nějak svázáno s vodou.
Krystalizace ledu nemusí probíhat pouze z vody sladké. Při dostatečném ochlazení led krystaluje i z vody mořské. Přitom dochází k vybudování struktury ledu pouze z molekul vody, a sůl kuchyňská, jež je normálně přítomna v mořské vodě, se koncentruje ve zbytkovém roztoku po krystalisaci. Protože do struktury ledu nevstupuje sůl kuchyňská, získáváme po roztavení ledu sladkou vodu vhodnou k pití. Důvodem, proč nedochází ke vstupu soli kuchyňské do struktury ledu, jsou iontové poloměry hydratovaných iontů sodných a chloridových.
Šesticípá sněhová vločka
Běžný hexagonální led Ih známe nejen ve formě kompaktní vrstvy na rybníce, ale též v podobě sněhových vloček. Sněhové vločky vždy dokázaly upoutat pozorné lidi svým pravidelným tvarem a tajemnou krásou, staly se námětem známé pohádky Hanse Christiana Andersena. Méně známá je skutečnost, že dávno před vznikem pohádky, kolem roku 1610, bylo v Praze rukou slavného astronoma Johannese Keplera, tou dobou ve službě u císaře Rudolfa II., sepsáno pojednání zabývající se tvarem, pravidelnou strukturou a souměrností sněhových vloček. Snad kdesi na Karlově mostě nastavoval za studených nocí cíp pláště, chytal vločky sněhu a prohlížel si je ve světle lucerny. Neušlo mu, že všechny vločky jsou si symetricky podobné, vykazují přítomnost šestičlenné osy souměrnosti, středu souměrnosti a mnoha rovin souměrnosti. Z pozorování vyvodil průkopnický závěr, že pravidelnost vnější pozorovatelné stavby je společná všem sněhovým vločkám a musí mít základ v pravidelnosti stavby vnitřní. Ke stejnému závěru vedla pozorování i dalších badatelů, jako byl Blaise Pascal a další. Zde se počíná krystalografie.
Sněhové vločky vznikají v atmosféře kondenzací vodních par, nikoli kapek vody. Detaily mechanismu, kterým vločka vzniká a který určuje přesný tvar, rozvětvení ramen a velikost ramen, počet a typ větvení, jsou dosud neznámé. Sníh se po dopadu na zem stává obětí klasifikace, meteorologického zpravodajství, lyžařů a silničářů.
Přírodní sníh na Zemi leží ve velkých plochách, pokrývá celé rozsáhlé oblasti, ba i kontinent. V globálním pohledu představuje významnou zásobárnu sladké vody, která je v něm v rámci koloběhu vody v přírodě vázána. Navíc díky své bílé barvě funguje jako zrcadlo, a účinně odráží sluneční záření, jež na zasněženou oblast dopadá. Díky tomu se energie záření nepředává na povrch Země a zasněžená oblast se nepřehřívá. V prostorech mezi vločkami v čerstvě napadaném sněhu zůstává přítomno poměrně velké množství vzduchu, který se oproti vzduchu atmosférickému jen nesnadno vyměňuje. Sníh má tedy tepelně izolační vlastnosti, vytvořené na stejném principu jako péřová bunda lyžaře. Sněhová vrstva chrání před promrznutím. Své o tom vědí Eskymáci, lední medvědi i zahrádkáři. Stává se, že si z hor přinesete alpínku a ona vám v Praze vymrzne, protože v horách přežije zimu pod sněhovou peřinou.
Technický sníh jest umělou náhražkou, ke které se uchylujeme u teplot blízkých bodu mrazu vody za nedostatku sněhu přírodního. Vyrábí se rozprašováním jemných kapek vody do proudu stlačeného vzduchu expandujícího úzkou tryskou. Při expanzi dochází k ochlazení proudu, a vodní kapky počínají krystalovat na sníh. Doba zdržení vodní kapky v prochlazeném proudu vzduchu je však poměrně krátká, činí přibližně 10 sekund, a proto krystalizace vločky sněhu z vodní kapky není dokonalá, na vločce zbývají ještě zřetelné zbytky kapalné vody. Technický sníh je po svém vytvoření pro obsah vody těžký, ulehlý a podobný spíše tři dny starému sněhu přírodnímu. Výroba a použití technického sněhu čelí kritice, neboť je založena na spotřebě povrchové vody a elektrické energie nutné ke stlačení vzduchu. Pro zlepšení vlastností sněhu se do vody přidávají pomocné látky, jako například močovina či dusičnan amonný. Na plochy zasněžené technickým sněhem proniká v důsledku toho daleko více živin, než by se na ně dostalo se sněhem přírodním, což vede ke změnám biologických společenstev na plochách.
Hořící led aneb plyn v ledové kleci
Zajímavá situace může nastat, pokud jsou při krystalizaci ledu ve vodě přítomny rozpuštěné plynné látky. Za splnění určitých fyzikálních (tlak, teplota), geometrických (velikost molekul rozpuštěného plynu) a chemických podmínek (způsob hydratace molekul plynu) dochází k zabudování plynu do struktury ledu. Molekuly plynu nejsou ve struktuře chemicky vázány, vyplňují pouze volné prostory a jsou fixovány jen sítí vodíkových vazeb, které spojují jednotlivé molekuly vody tvořící základní strukturu ledu. Takto vybudované látky označujeme jako klatráty, tedy látky vkladné (doslova látky v kleci). Dlouho se mělo za to, že klatráty ledu nemají praktický význam a vystupují jako kabinetní kuriozity. Ukázalo se však, že v přírodě existuje zástupce této skupiny látek, označovaný jako hydrát metanu.
Tuto látku nacházíme ve formě ledu podobné hmoty například na dně hlubokých či chladnějších moří, byla nalezena v hloubkách sedimentárních formací permafrostu severských krajů, prostě všude tam, kde existuje metan a panují teploty pod 4–6 °C, což je teplota, při které se směs vody a metanu mění na pevný klatrát. V jakém množství je v přírodě tato látka dostupná, neumíme dosud kvantifikovat, nicméně mohou být velmi značná a podle některých údajů přesahují zásoby všech fosilních paliv včetně plynu, ropy a uhlí!
Zdrojem metanu je dle dosavadních zkušeností zemní plyn vystupující podél zlomů zemské kůry nebo metan vzniklý činností bakterií. Hydrát metanu je stabilní pouze za chladu a zvýšeného tlaku. Po vnesení do pokojových podmínek se rychle rozkládá za uvolnění metanu. Pokud je zapálen, hoří metan nad hydrátem metanu, ohřívá jej a dále urychluje jeho rozklad. Tento efektní proces dal dokonce triviální jméno hydrátu metanu, jenž se ve sdělovacích prostředcích označuje jako hořící led.
O hydrátu metanu se v honbě za energetickými zdroji uvažuje jako o velmi reálném zdroji metanu a vážné konkurenční alternativě ke klasické těžbě zemního plynu. Největší zájem na těžbě má Indie a Japonsko, tedy země s omezeným přístupem k fosilním palivům. Pokusná těžba probíhá tak, že do míst na kontinentálním svahu, kde mocnost „metanové zmrzliny“ dosahuje až 20 metrů, je vháněna teplá voda z povrchu moře a uvolněný metan je jímán pomocí obrovského trychtýře.
Tento text je úryvkem z knihy
Václav Cílek, Tomáš Just, Zdenka Sůvová a kol.: Voda a krajina – kniha o životě s vodou a návratu k přirozené krajině
Dokořán 2017
O knize na stránkách vydavatele
Pěkný článek, děkuji. Jen chybička v prvním odstavci – tlak trojného bodu vody není normální, jak uvádíte, ale 611 Pa.
ano, mate pravdu, v knize je chybka.