Sciencemag.cz
Doporučujeme
To, že led plave na vodě a voda má nejvyšší hustotu při 4 °C, je rozhodně anomální. Kapaliny obvykle takhle nefungují. Mnohé z netypických vlastností vody (třeba ve srovnání s analogickými sloučeninami typu H2S) lze vysvětlit vodíkovými vazbami. Každá molekula kapalné vody se takto přes své atomy vodíku váže k dvěma dalším molekulám a přes kyslík ke třetí.
Nová studie tvrdí, že jedna vazba přes vodík je vždy slabá a jedna silná. Vazba přes kyslík může být libovolná (síla záleží na druhé molekule, „na vodíku“). Tak jsem to celé alespoň nakonec pochopil, průvodní tisková zpráva je v tomto ohledu zmatená, ale obrázek snad názorný.
Na rozdíl od ledu se tyto vazby v kapalné vodě přerušují a znovu vytvářejí v průměru řádově bilionkrát (trillion) za sekundu, takže molekuly vody mohou být nabaleny blíže k sobě a pohybovat se velmi rychle. Vzhledem k rychlému pohybu molekul vody v kapalině by se dalo předpokládat, že síla jednotlivých vazeb k sousedním molekulám je čistě náhodná. Teď ale vědci zjistili (tvrdí, že zjistili), že vazba od jednoho vodíku je vždy velmi silná a od druhého slabá. To znamená, že jedna sousední molekula je vždy blízko a druhá podstatně dále.
Což má vést ke strukturování jinak neuspořádané kapaliny: pokud se přesuneme od jedné molekuly vody k další a další, vždy se objeví silně vázaná sousední molekula. V důsledku toho mohou v kapalině vznikat struktury, prstence nebo řetězce molekul vody. Struktura kapalné vody tedy není jen náhodným uspořádáním jednotlivých molekul, ale řídí se určitými pravidly.
Technické podrobnosti: Aby vědci získali tyto výsledky, zředili vodu rozpouštědlem, což jim umožnilo zkoumat izolované molekuly vody. Pomocí laseru rozkmitali jednotlivé atomy molekul vody a zkoumali, jak se tyto vibrace navzájem ovlivňují. To umožnilo změřit sílu jednotlivých vodíkových vazeb a zároveň sílu sousední vazby.
Určité uspořádání existující v kapalné vodě by tedy mohlo vysvětlovat některé její unikátní vlastnosti. (Poznámka PH: samotné vodíkové vazby vysvětlují bod vání/varu, nikoliv hustotní anomálii, jak to aspoň chápu. Jak tato vlastnost vodíkových vazeb souvisí s anomálií hustoty, ovšem na první pohled také není vůbec jasné. Jaké vlastnosti mají vodíkové vazby v trochu podobných sloučeninách, řekněme amoniak, ethanol…?)
Lucas Gunkel et al, Dynamic anti-correlations of water hydrogen bonds, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-54804-y
Zdroj: Max Planck Society / Phys.org
Moc tomu nerozumím. V kapalné vodě podle úvodního obrázku nejsou pravidelné šestiúhelníky vazeb vody, jak se vždy uvádělo. Dobře, kmitají vazby bilionkrát za vteřinu, snad se to tím vyrovná.
Sněhové vločky pravidelné šestiúhelníkové vazby obsahují.