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
