Preskočiť na obsah Preskočiť na pätu (NCP VaT)
VEDA NA DOSAH – váš zdroj informácií o slovenskej vede

Prečo existuje vodná hladina a pri akej teplote má voda najväčšiu hustotu?

Andrea Fedorovičová

Voda v sebe ukrýva až 63 anomálií. Fyzik Peter Ballo hovorí viac o dvoch z nich.

Vodná hladina. Zdroj: iStockphoto.com

Ilustračný obrázok. Zdroj: iStockphoto.com

Voda je entita, ktorá v sebe skrýva množstvo anomálií. Ľudia však o nich nemajú ani potuchy, aj keď sa s vodou denne stretávajú a manipulujú s ňou. Peter Ballo z Ústavu jadrového a fyzikálneho inžinierstva na Fakulte elektrotechniky a informatiky Slovenskej technickej univerzity v Bratislave ešte začiatkom roka 2021 zverejnil video, v ktorom niektoré anomálie stručne vysvetľuje.

V prvej časti rozhovoru pre Veda na dosah si povieme, prečo je dôležité povrchové napätie vody a pri akej teplote má voda najväčšiu hustotu.

Vďaka povrchovému napätiu vody poznáme vodnú hladinu

Z vášho pohľadu je najvýznamnejšou anomáliou vody práve jej polárnosť. Prečo?

Vďaka polárnosti vody totiž vzniká povrchové napätie. Keby voda nemala povrchové napätie, nepoznali by sme voľnú hladinu vody tak, ako vyzerá dnes. Všade by bola pena. A neviem, či by si našiel v pene cestu život. No ak by v nej nejaký vôbec bol, asi by vyzeral inak ako ten dnešný.

Ako táto anomália vzniká?

Voda je v podstate maličká molekula, pozostáva len z jedného kyslíka a dvoch vodíkov, ktoré sú pripevnené kovalentnou väzbou. Pri kyslíku svojim študentom vždy hovorím: „Keď sa niekde objaví, máte problém.“ Kyslík je totiž strašný všivák. Je to odpadový plyn pri fotosyntéze. Príroda si však našla preň využitie a vytvorila cicavcov a vyššie živočíchy, ktoré ho dýchajú.

Keby voda nemala povrchové napätie, nepoznali by sme voľnú hladinu vody tak, ako vyzerá dnes. Všade by bola pena.

V čom konkrétne je taký všivák?

Kyslík má dva voľné orbitály, ktoré čakajú len na to, aby chytili nejaký elektrón. Keď sa niekde vyskytne vodík, hneď ho k sebe natiahnu. Energia vodíka sa následne zníži, preto sa hovorí, že kyslíkovo-vodíková reakcia je veľmi exotermická, čiže vydáva energiu.

Kyslík elektróny z atómov vodíka stiahne k sebe, čiže dvom atómom vodíka zostane len po jednom protóne a kyslík naraz disponuje hneď dvomi elektrónmi. Vzniká tak pozitívno-negatívna väzba, ktorej hovoríme dipól.

Takáto molekula k sebe následne priťahuje ďalšiu pozitívno-negatívnu molekulu, pripoja sa jedna k druhej a vytvoria takzvaný vodíkový mostík, pomocou ktorého na seba napoja ďalšie molekuly. Tieto molekuly sú relatívne blízko pri sebe, preto je aj voda pomerne hustá. Kyslíkovo-vodíkový mostík býva spravidla asi 0,3 nanometra dlhý.

Táto interakcia je však v skutočnosti veľmi dobre nastavená. V čom?

Je. Keby boli dve molekuly k sebe naviazané slabšie, tak by sa voda pri normálnej izbovej teplote dávno vyparila. Bod varu by mala hlboko pod nulou. Pri izbovej teplote by teda neexistovala voda v kvapalnom stave. A keby bola väzba medzi molekulami len o pár percent silnejšia, tak by sa voda pri izbovej teplote vyskytovala v tuhom stave. Tieto interakcie nám teda zabezpečujú, že je voda pri izbovej teplote tekutá.

Vnútri jej objemu sa zároveň jednotlivé interakcie na veľkú vzdialenosť rušia, striedajú sa kladné a záporné ióny. V blízkosti hladiny sa to nedeje, pretože tam z jednej strany chýbajú molekuly. Výsledkom je povrchové napätie, ktoré vytvára na hladine „tenkú blanku“. Vďaka tomuto efektu sa voda nepení, respektíve pení sa len málo.

Môžeme povrchové napätie vody zrušiť?

Veľmi ľahko. Zrušíme ho, keď pridáme do vody saponát. Ten obsahuje molekuly, ktoré sa naviažu na polárnu časť molekuly vody a efekt povrchového napätia sa razom zruší.
Vysvetlenie tohto javu je pomerne jednoduché. Voda dokáže rozpustiť len polárne substancie, napríklad kamennú soľ. V prípade nepolárnych substancií, povedzme mastnoty, sa nemá na čo zachytiť. Takže človek vymyslel saponáty, pretože tie pozostávajú z molekúl, ktoré majú dva konce. O jeden, ten polárny, sa zachytí voda a ten druhý, nepolárny, dokáže vytrhnúť mastnotu, ktorá sa odplaví preč. Voda sa však následne znehodnotí, pretože saponát v nej pomerne dobre drží, táto väzba je celkom silná. No existujú aj biosaponáty a tie fungujú trošku inak.

Polárnosť vody spôsobuje aj ďalšie veci… Povedzme si ešte pár príkladov.

Áno, napríklad obrovský index lomu, to jest rybu vidíme na inom mieste, ako v skutočnosti je. Taktiež dokáže vytrhať oxidy železa zo zhrdzavených skrutiek. Vyskúšajte to. Keď nahádžete zhrdzavené skrutky s maticami, ktoré nechcú povoliť, na noc do vody, ráno ich odskrutkujete.

Najväčšiu hustotu má voda zhruba pri štyroch stupňoch Celzia

Prečo je dôležité, že voda hustne práve pri štyroch stupňoch?

Je to nevyhnutné pre život rýb. Keby to tak nebolo, uhynuli by. Zoberme si rybník v zime. Studený vzduch naráža na hladinu a voda sa ochladzuje, je stále studenšia a studenšia… Studená voda je ťažšia ako teplá, takže klesá dolu. Logicky by mal začať takýto rybník mrznúť odspodu a premrznúť postupne až dohora. No keby to tak bolo, ryby by s tým mali problém.

Takže to funguje takto. Zo začiatku ide všetko podľa plánu, studená voda klesá dolu, teplá stúpa hore. Keď sa teplota vody zníži na 3,9 stupňa Celzia, studená voda zrazu klesať prestane, je ľahšia a drží sa hore. Preto rybník mrzne zhora. Ľad, pomerne dobrý tepelný izolant, na hladine napokon vytvorí ochrannú vrstvu.

Zamrznuté jazero. Zdroj: iStockphoto.com

Zamrznuté jazero. Zdroj: iStockphoto.com

Nenarušia tento proces rybári, ktorí vyrezávajú do rybníkov diery?

Rybári to robia údajne hlavne preto, že ryby aj v zime musia dýchať. Jedna nevýhoda povrchového ľadu na jazerách je jeho nepriedušnosť. Ryby sú v zime síce hibernované, no keď to trvá dlho, potrebujú aj ony prísun kyslíka.

A ďalšia vec je, že voda pod ľadom je stále tekutá, má dokonca 2 až 3 stupne. Keď je vonku mínus 20, zdá sa aj celkom teplá. Keď som bol v Rusku, chodili sa tam chlapi kúpať do Volgy. Nechápal som, ako sa v mínus dvadsiatich dokázali strčiť do vody, no oni sa mi smiali, že je predsa teplá. A ozaj! Z tých dier, ktoré si urobili, sa dymilo, mala asi tri stupne. Vraj je to veľmi príjemné, problém je však stadiaľ vyliezť.

V druhej časti rozhovoru, ktorý zverejníme už čoskoro, sa dozviete, prečo sa voda pri zamŕzaní rozťahuje a na koľko spôsobov dokáže zamrznúť.

Vizitka

FEI STU v Bratislave

Prof. Ing. Peter Ballo, PhD. | FEI STU v Bratislave

Absolvoval Fakultu elektrotechniky a informatiky STU v Bratislave, kde v roku 1993 získal titul PhD. v odbore Fyzika tuhých látok. Už od roku 1989 pracoval na vtedajšej Katedre fyziky ako odborný asistent a neskôr, už ako docent, aj na pozícii zástupcu vedúceho katedry. V súčasnosti je profesorom na Ústave jadrového a fyzikálneho inžinierstva a zároveň vedúcim oddelenia Fyziky. Hlavným predmetom výskumu a záujmu prof. Balla je počítačové modelovanie a simulácie, paralelné výpočty, klasická elektrodynamika, nelineárne systémy či spinovo-závislé efekty. Nezanedbateľný podiel na jeho znalostiach a skúsenostiach majú aj výskumné pobyty v Rusku, Nemecku či USA.

Operačný program MSSR

Investícia do Vašej budúcnosti
Tento projekt je podporený z Európskeho fondu regionálneho rozvoja

Táto webová stránka vznikla vďaka podpore v rámci Operačného programu Integrovaná infraštruktúra pre projekt: Podpora národného systému pre popularizáciu výskumu a vývoja
(kód ITMS: 313011T136), spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.