Obyčejná zázračná voda
19. 9. 2007
Obyčejná voda? Je to zázračná kapalina. Nejen pro žíznivce. Proč mrzne právě při nule, ale proč stačí troška soli, aby mrazu odolala? Proč led plave na hladině a neklesá ke dnu? Jaké síly drží pohromadě vodík s kyslíkem?
Umíme je překonat a rozložit vodu i v domácích podmínkách? V Michaelově experimentu tentokrát pokusy s vodou.
Michael: Over two thirds of the surface of our planet is water.
Víc než dvě třetiny povrchu naší planety tvoří voda.
Tereza: Voda – neboli H2O – je nejrozšířenější molekulou na zemském povrchu.
Michael: And in today´s Michael´s experiment we should be taking a close look at water: what it is, what it does and why it does it.
A v dnešním Michaelově experimentu se na vodu podíváme zblízka. Co to je, co dělá a proč to dělá.
Michael: In my half litre glass of water I have 27.8 moles of water, which is an amazing
1.67x1025 (16 700 000 000 000 000 000 000 000) molecules of water. That’s an amazing number of molecules. Each molecule of water contains one oxygen atom, which is bond to two hydrogen atoms which are separated by angle of 104.45 degrees to give a V-shaped configuration.
V půllitru vody mám 27,8 molu vody, což je úžasných 1,67x1025 molekul vody. Je to ohromné množství. Každá molekula vody obsahuje jeden atom kyslíku, který je navázán na dva atomy vodíku. Ty od sebe dělí úhel 104,45 stupně a jsou tak uspořádány do tvaru V.
Michael: Since the oxygen atom is more electro-negative than the hydrogen atoms, electron density is drawn towards it. And we set up the dipole in our V-shaped molecule with the slightly negative oxygen end and a slightly positive hydrogen end. This charge difference means that individual molecules of water attract one another. This attraction is called hydrogen bonding. And the hydrogen bonding is a very important week force, which gives water so many of its properties.
Kyslíkový atom má zápornější náboj než atomy vodíku, a tak hustota elektronů se stahuje kolem něj. V naší molekule ve tvaru V tedy máme dipól s mírně záporným kyslíkem a mírně kladným vodíkovým koncem. Tento rozdíl v náboji způsobuje, že molekuly vody se vzájemně přitahují. Tato přitažlivost se jmenuje vodíková vazba. Je to velmi důležitá slabá síla, která vodě poskytuje mnoho jejích vlastností.
Michael: We can illustrate how the density of water changes with temperature using our fish tank …
Ukážeme, jak se podle teploty mění hustota vody, k čemuž použijeme naše akvárium …
Tereza: … kam jsme si nalili horkou vodu z kohoutku, …
Michael: … and into the hot water bath I shall be adding some water, which we’ve coloured red with a food dye and we’ve cooled down to about five degrees centigrade.
… a do této horké vodní lázně přidám trochu vody, kterou jsme obarvili potravinářským barvivem a ochladili asi na pět stupňů.
Michael: I’ll carefully and slowly add it … and we shall see the effect immediately. The cold and hot water do not mix immediately. The colder coloured water sinks to the bottom, because it‘s denser. Then it moves across and in exactly the same way, the convection currents of our oceans regulate our planet’s temperature.
Opatrně a pomaličku to tam vliji … a hned uvidíme výsledek. Studená voda se s horkou nesmíchá okamžitě. Chladnější obarvená voda klesá ke dnu, protože je hustší. Pak proudí napříč nádobou úplně stejně, jako konvekční proudy v oceánech ovlivňují teplotu naší planety.
Tereza: Viděli jsme, že čím je voda studenější, tím je její hustota vyšší. Ovšem něco podivného se začne dít, přiblíží-li se teplotě čtyř stupňů Celsia.
Michael: Below this temperature the water molecules begin to rearrange themselves into hexagonal arrays in order to minimize their internal energy. This is yet another manifestation of the hydrogen bonding between water molecules. And it is this structural change that results in ice being less dense than liquid water.
Při nižší teplotě se molekuly vody začínají přeskupovat do šestiúhelníkových polí, aby minimalizovaly svou vnitřní energii. Je to další ukázka vodíkové vazby mezi molekulami vody. A právě tato změna stavby se projeví vznikem ledu, který má menší hustotu než kapalná voda.
Tereza: To znamená, že zatímco drtivá většina látek, když se přiblíží svému bodu mrazu, zvýší svoji hustotu, voda učiní pravý opak. A to je důvod, proč led plave na vodě a nepadá ke dnu.
Michael: This unusual freezing property of water insures that it is only the surfaces of lakes and rivers that freeze. And the water underneath remains insulated from the freezing conditions.
Tato neobvyklá vlastnost při mrznutí vodě zajišťuje, že zamrzá jen povrch jezer a řek. A voda pod hladinou zůstává oddělena od mrazu.
Tereza: A díky tomu život pod vodou v zimě nezmrzne. Ale jak je to u oceánu? Tam přece voda nezamrzá tak snadno.
Michael: This is also due to the polar nature of the water molecule, which makes such an excellent solvent of ionic materials such as salt, sodium chloride.
Díky polární povaze svých molekul je voda tak výtečným rozpouštědlem iontových látek, jako je sůl – chlorid sodný.
Michael: Sodium chloride, NaCl, readily dissociates in the presence of water to form hydrated sodium and chloride ions. Each sodium positive ion is surrounded by water molecules with their negatively charged oxygen ends pointing towards it. And each chloride ion is surrounded by water molecules with their positively charged hydrogen ends pointing towards it. This interaction disrupts the usual long-range hydrogen bonding network in water. And thus reduces the freezing point of that water by about two degrees centigrade. The relatively high concentrations of salts in our oceans and seas means, that the freezing point of that water is considerably lower and that temperature, required to freeze oceans and seas, has to be colder.
Chlorid sodný – NaCl - se snadno rozkládá za přítomnosti vody a vytváří hydratované ionty sodíku a chlóru. Každý kladný sodíkový iont obklopují molekuly vody svými záporně nabitými kyslíkovými konci, směřujícími k němu. Každý iont chlóru obklopují molekuly vody svými kladně nabitými vodíkovými konci, směřujícími k němu. Tato interakce naruší obvyklou síť dlouhých vodíkových vazeb ve vodě. Sníží tak bod mrznutí vody asi o dva stupně. Koncentrace soli v našich oceánech a mořích je poměrně vysoká, a tak bod mrznutí vody je výrazně nižší a nižší je tedy i teplota, při níž zamrzají oceány a moře.
Tereza: Názorná ukázka pomocí pokusu. Do ledu nasypeme sůl, aby se nám rozpustil. Trošku tomu pomůžeme … Led se nám pomocí soli rozpustil. Michaele, změříme teplotu.
Michael: OK, so we measure the temperature of the salty water. You see, it falls down. Five degrees, … dva, … nula.
OK, změříme tedy teplotu slané vody… Vidíte, teplota klesá. Pět stupňů … Už jsme pod nulou.
Mínus dva, mínus pět … a pořád voda je kapalina … A teď když do studené slané vody přidáme v pytlíčku sladkou vodu, uvidíme, co se stane. Skoro až minus deset stupňů.
Michael: And here we can see: the extremely cold but still liquid salty water is cold enough to freeze the tap water into small blocks of ice.
Tady vidíte, velice studená ale přesto kapalná slaná voda je natolik studená, že zmrazí vodu z vodovodu na malé kousky ledu.
Michael: Indeed salty water solutions are a good conductor of electricity. And in 1800 the Englishman William Nicholson observed for the very first time the effect of passing the electric current through a water salty solution. With the aid of these two pencils we’re going to repeat the very same reaction.
Slané vodné roztoky jsou opravdu dobrými vodiči elektřiny. V roce 1800 pozoroval Angličan William Nicholson poprvé účinek elektrického proudu, procházejícího slaným vodným roztokem. Pomocí těchto dvou tužek teď tutéž reakci zopakujeme.
Tereza: K pokusu budete potřebovat dvě obyčejné tužky, ořezané na obou koncích, které vhodně umístíte například do víka od papírové krabice. Ponoříte je do solného vodného roztoku. Dále potřebujete devíti voltovou baterii, v našem případě dvě čtyři a půl voltové, a vhodné spojení. Spojíme…
Michael: Spojíme…
And at the ends of the two pencils we see formation of bubbles. That’s the water being split by the electric current into its constituents – hydrogen and oxygen gases. This is called electrolysis. And at the red cathode we have H+ ions, coming together and taking electrons to form H2 hydrogen gas. This hydrogen gas can be collected and used as a fuel, a clean fuel. So maybe our lovely blue planet will solve its own energy crisis with the most abundant molecule we have – water.
A na koncích těchto dvou tužek vidíme vznik bublinek. To se voda elektrickým proudem rozkládá na své složky – plynný vodík a kyslík. Říká se tomu elektrolýza. A na červené katodě máme kladné vodíkové ionty, které se slučují, přijímají elektrony a vytvářejí plynný vodík H2. Tento vodík můžeme zachycovat a využít jako palivo, čisté palivo. A tak naše krásná modrá planeta snad vyřeší svou vlastní energetickou krizi pomocí nejrozšířenější molekuly, jakou tu máme, vody.
Autor: Vladimír Kunz