Sciencemag.cz
Doporučujeme
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.
a jeste tak mit deuterium s tezsim izotopem kysliku.