Pixabay License. Volné pro komerční užití

Těžký led má roztáhlejší mřížku než lehký, ale to je právě divné

Když v molekule pevné látky nahradíme lehčí izotop za těžší, stane se co? Nová látka bude mít logicky o maličko větší nebo stejný objem, ne? Člověk si to představí, že jádra trochu nabobtnají a elektrony buď zůstanou na svých původních místech, nebo se také o maličko posunou (ale jen opravdu o maličko, protože hustota látky se zvětší, těžká voda je těžká).
Jenže je to jinak: VIE (volume isotope effect) funguje normálně naopak. Těžší izotopy ve skutečnosti omezují vibrace molekul v materiálu. V důsledku toho potřebují molekuly méně prostoru k pohybu a potřebný objem se zmenší (a hustota tedy vzroste tím víc; vzroste nejenom hustota hmotnostní, ale i hustota molekul).
Jenže u těžkého ledu nastává další podivnost. Deuteriový led se oproti normálnímu ledu o 0,1 % nafoukne (hmotnostní hustota stále roste, o to nic, tam bývají rozdíly až 10 %). Nový výzkum se zaměřil právě na tuto anomálii, a to konkrétně u běžného hexagonálního ledu.
Autoři nové studie analyzovali modely, které mají změnu objemu při změně izotopu popisovat, vzorce interakčního potenciálu (interaction potential formula). Pouze jeden ze studovaných správně předpověděl, k čemu u deuteriového ledu skutečně dojde.
„Analýza ukázala, že anomální objemový efekt izotopů ledu souvisí s různými způsoby, jakými mohou molekuly v krystalové struktuře vibrovat. V molekule vody mohou atomy vodíku pružit tam a zpět ve směru atomu kyslíku nebo se tam a zpět ohýbá celá molekula. V ledu tak vznikají dva vibrační módy: v jednom z nich vykazují molekuly vody jakési vnitřní vibrace. K tomu nepotřebují tolik prostoru a mohou být blízko sebe. Ve druhém ano,“ uvádí průvodní tisková zpráva. Pokud v ledu nahradíte atomy běžného vodíku deuteriem, ukáže se, že vliv druhého režimu se zvyšuje.

Podobně anomální jako led jsou v tomto ohledu i některé polovodiče. Může to mít nějaký technologický význam? (Sotva bezprostředně, ale spíše z hlediska našeho porozumění jejich fungování?)

Soroush Rasti et al, New Insights into the Volume Isotope Effect of Ice Ih from Polarizable Many-Body Potentials, The Journal of Physical Chemistry Letters (2022). DOI: 10.1021/acs.jpclett.2c03212

Poznámky PH:
U kapalné vody H2O vs. D2O je rozdíl cca 10 % (hmotnosti molekul 16 vs. 18, hustoty cca 1 a 1,1), tj. změna objemu molekuly moc roli nehraje. Možná v kapalném stavu to právě takto cca má odpovídat a odpovídá i v jiných kapalinách? (Takže u pevné látky by změna hustoty spojená se záměnou izotopů měla být větší než u kapalin?)
Výše se uváděla analogie, že druhý typ vibrace spíše rozhání molekuly vody. Souvisí to nějak s tím, že molekula vody je lomená? Se silnými vodíkovými vazbami v ní? Jak by se choval těžký sirovodík (kapalný a pevný)?
Čímž se dále dostáváme k tomu, jak by se lišily vlastnosti molekul, které by měly stejnou celkovou hmotnost, ale izotopy poskládané jinak (těžká voda s izotopem kyslíku 18; nebo ethanol C2D5OH vs …. Atd.)

Mimochodem: Když do ledově studené vody hodíte kus těžkého ledu, klesne ke dnu a netaje
Prirodovedci.cz
Zde se i uvádí, že těžká voda je jedovatá? (Respektive se tím asi nemyslí panák, ale kde je bezpečná hranice?)
Viz také: Těžká voda chutná sladce

Snad na tato témata ještě dojde na nějaké další články, ideálně formou rozhovoru s odborníky.

Vědci konečně ukázali, jak vypadá Wignerův krystal

Fyzikové z Princetonu pomocí grafenu poprvé přímo vizualizovali tzv. Wignerův krystal – zvláštní formu hmoty, …

One comment

  1. a jeste tak mit deuterium s tezsim izotopem kysliku.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Používáme soubory cookies pro přizpůsobení obsahu webu a sledování návštěvnosti. Data o používání webu sdílíme s našimi partnery pro cílení reklamy a analýzu návštěvnosti. Více informací

The cookie settings on this website are set to "allow cookies" to give you the best browsing experience possible. If you continue to use this website without changing your cookie settings or you click "Accept" below then you are consenting to this.

Close