Voda existuje jako dvě různé kapaliny  
Notorická známá sloučenina dvou vodíků a kyslíku není kapalinou se složitými vlastnostmi. Vlastně jde o dvě jednoduché kapaliny s velmi složitým vztahem. Vysvětluje to jinak dost podivné vlastnosti vody.
Voda jako dvě různé kapaliny. Kredit: Mattias Karlén / Stockholm University.
Voda jako dvě různé kapaliny. Kredit: Mattias Karlén / Stockholm University.

Vodu, tedy H2O, obvykle považujeme za kapalinu tvořenou neuspořádanými molekulami. Vědci Stockholmské univerzity ale zjistili, že kapalnou vodu za jistých okolností vlastně tvoří fáze kapaliny, které se podstatně liší strukturou a hustotou. Jejich výzkum, založený na analýze pomocí rentgenového záření, nedávno publikoval prestižní časopis Proceedings of the National Academy of Science (PNAS).


Lidé obvykle vědí, že voda je nezbytná pro život na Zemi. Méně se už ví, že voda je vlastně velmi podivná chemická látka. Má mnoho anomálních a zvláštních chemických a fyzikálních vlastností, které ji odlišují od ostatních kapalin. A shodou okolností je řada těchto vlastností příznivá pro živé organismy.

 

Anders Nilsson. Kredit: Stockholm University.
Anders Nilsson. Kredit: Stockholm University.

Anders Nilsson a jeho spolupracovníci přišli na to, že za nízkých teplot, kdy dochází k pomalé krystalizaci ledu, může voda existovat v podobě dvou různých kapalin. Vědci zkoumali vodu na dvou zařízeních, které mají k dispozici rentgenové paprsky pro analýzu materiálů. V amerických laboratořích Argonne National Laboratory poblíž Chicaga prozkoumali odlišné struktury těchto dvou fází vody. A v německých laboratořích výzkumného centra DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) v Hamburku zase analyzovali dynamiku objevených kapalin a potvrdili, že skutečně jde o dvě různé kapalné fáze vody. Nakonec dospěli k závěru, že voda může existovat jako dvě různé kapaliny. Badatelé využili toho, že je možné použít rentgenové paprsky k určení pozic molekul v různém čase. Díky tomu mohli sledovat změny ve vzorku vodu za nízkých teplot.


Většinu vodního ledu na planetě tvoří nikoliv krystalický, ale amorfní led. Přitom existují dvě formy amorfního ledu – amorfní led s nízkou hustotou a amorfní led s vysokou hustotou. Voda může mezi těmito formami ledu za jistých okolností přecházet. Odborníci se již dříve domnívali, že by se dvěma formami amorfního ledu mohly souviset dvě formy kapalné vody – jedna s nízkou hustotou a druhá s vysokou hustotou.

 

Laboratoře DESY, Hamburk. Kredit: Uvainio / Wikimedia Commons.
Laboratoře DESY, Hamburk. Kredit: Uvainio / Wikimedia Commons.

Zní to jednoduše, ale ověření tohoto na první pohled rozumného předpokladu se ukázalo být tvrdým oříškem. Švédové to ale nakonec zvládli. Nové výsledky ukazují, že voda se vlastně za pokojové teploty nemůže „rozhodnout“, ve které podobě bude existovat – zda bude mít nízkou hustotu anebo vysokou hustotu. To vede k lokálním fluktuacím mezi těmito fázemi vody. Podle autorů objevu to je docela prosté. Voda není komplikovanou kapalinou s divnými vlastnostmi. Voda vlastně je dvěma jednoduchými kapalinami s velmi komplikovaným vztahem.

 

Stockholm University.
Stockholm University.

Nové poznatky o struktuře kapalné vody teď nepochybně ovlivní náš pohled na chování vody za různých teplot a tlaků. Stejně tak se projeví v tom, jak vnímáme interakci vody se solemi anebo třeba s biomolekulami. Určitě se také vážně zamyslí inženýři, kteří vyvíjejí technologie čištění nebo odsolování vody. Vody jsou vlastně dvě, kdo by to byl řekl?

Video:  Catalysis in Real Time. Anders Nilsson.


Literatura
Stockholm University 29. 6. 2017, PNAS online 23. 6. 2017.

Autor: Stanislav Mihulka
Datum: 30.06.2017
Tisk článku

Laser game -
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 2500 Kč
cena: 2225 Kč
Laser game

Související články:

První zřetelné snímky molekuly během chemické reakce     Autor: Stanislav Mihulka (03.06.2013)
Pozorování vzniku chemické vazby v přímém přenosu     Autor: Stanislav Mihulka (14.02.2015)
Výstřel nejsilnějšího rentgenového laseru stvořil „molekulární černou díru“     Autor: Stanislav Mihulka (04.06.2017)



Diskuze:

Že by nový druh energie.

Karel Rabl,2017-07-07 12:04:10

Parní stroje už tu byly, a co takhle "krystalové" kdy voda zvětší objem při přecházení z jednoho stavu do druhého výrobou vloček(pomocí Stirlingova motoru ), tepla na rozpuštění(při smršťování) je v okolí víc než dost zejména okolo rovníku.Ale to by jsme museli řešit opačný extrém, ne oteplování ale ochlazování naší planety.

Odpovědět


Použití ledu jako "ersatzdynamite"

Josef Hrncirik,2017-07-07 13:56:43

Základní měnová jednotka při globální směně energie je 1 kg TNT, tj. 4 MJ
(při nedostižné, takřka 100% účinnosti přeměny tepla na práci).
Objemovová práce této velikosti je při nedbalém utěsnění atmosférickým tlakem vykonána nárůstem objemu zmrzlé vody o 40 m3, tj. při zmrznutí cca 442 m3 vody a účinnosti jen cca 0,027%.
Při velmi dobrém utěsnění mrznoucí vody protitlakem 20 MPa, kdy voda tuhne cca při 0°F stačí cca 2200 kg vody a účinnost je vzhledem k vyměněnému teplu již cca 0,54%.
Ve skutečně tepelném (ohňovém atmosférickém Newcombově) stroji expanzí páry proti atmosféře při n.b.v. vody je jednorázová účinnost výrazně lepších 7,7%.
Budoucnost však zcela jistě není kryogenická jako ve Verneho "Ocelovém městě" s mrazící střelou s kapalnou kyselinou uhličitou s chabým dusivým a zmrazujícím účinkem, navíc nepodporující požární bouře, ale termobarická, či ještě lépe termonukleární, kde nás neomezuje nedostatečných -434°F.
Průmysl více zajímají cyklicky pracující tepelné stroje.
Účinnost vratného cyklu nezávisí na použité pracovní látce (led, neled), ale jen na teplotě ohřívače a chladiče a je maximálně možná.

Odpovědět


Re: Použití ledu jako "ersatzdynamite"

Josef Hrncirik,2017-07-07 16:57:30

K dodání 4 MJ energie do hřídele výstupu tepelného stroje je potřeba prohnat parním strojem cca 10 kg páry patřičného tlaku (tj. teploty).
Turbíně pracující s párou vyšší teploty stačí cca 5 kg.
Spalovací motor potřebuje cca 0,6 l benzínu a 5 kg tj. cca 4,5 m3 vzduchu.

Odpovědět


Re: Re: Použití ledu jako "ersatzdynamite"

Karel Rabl,2017-07-08 02:20:18

Děkuji za odpověď účinnost přes půl procenta je sice malá ale při "carlton stirlingově" cyklu by se spotřebovávalo pouze okolní teplo při opětné přeměně vloček(ne ledu) ve vodu a tady by se uplatnila ona zvláštnost vody.Nejsem však fyzik ani chemik je to jen myšlenka.

Odpovědět


Re: Re: Re: Použití ledu jako "ersatzdynamite"

Josef Hrncirik,2017-07-08 08:19:52

Přeměna nízkopotenciálového (s malým teplotním rozdílem oproti snadno dostupnému okolí) tepla na práci má n(m)otoricky malou účinnost.
Ostatně ani s vysokopotenciálovým teplem z paliv to není nic extra slavného.
Wiky píše že tepelný motor v tropickém moři (připusťme že mezi 25 a 4°C) má účinnost jen?až! cca 3%.
Tudíž efektivně (formálně) využije jen tepelný spád cca 9K místo až 21.
Formální teplotní ztráta spojená s nutností vyvolání nevratného toku tepla, parazitními tepelnými toky či třením a víry či v pohybu odtékajících médií je pak 12K tj. řekněme 6K na straně ohřevu, stejně jako na straně chlazení.
Potom by ale účinnost tepelné elektrárny musela být bohatě nad 90%.
Technické zařízení rozumné velikosti (hustoty výkonu), robustnosti (dynamiky) rozběhu a zatěžování a odolnosti vůči kolísání okolí tedy spíše dokáže (technicky snadno? a trvale?) využít jen určitý podíl ?1/e nabízeného teplotního rozdílu !většího než 36F.
Zasněženýchladičanokotelne. Ale kdo ví jak na UK?

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Použití ledu jako "ersatzdynamite"

Karel Rabl,2017-07-11 13:37:00

No když by jsme tento motor na povrchu severního moře uložili třeba na slunci a namířili na něj několik zrcadel jistě by se dala účinnost a tepelný spád zvýšit, jen by jsme museli dát pozor abychom nepřechladili a neudělali hustý led. Nebo se pletu a špatně jsem pochopil článek, že mezi ledem a vločkami není žádný rozdíl v "hustotě".

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Použití ledu jako "ersatzdynamite"

Josef Hrncirik,2017-07-12 15:06:59

Technický tepelný stroj využívá změny objemu pracovní látky při ohřevu (tj. i ochlazení nebo skupenské změně).
Práce na okolí se koná při expanzi náplně jako tzv. objemová práce; diferenciálně:
dW=pdV; Vhodné je, aby objemová či tlaková změna z dodaného tepla byla co největší, tj. energie se předávala pokud možno jen do translačního pohybu plynu, tj. zvyšovala jeho tlak či objem.
Práce s plyny v uzavřeném oběhu v ohromném množství je problematičtější než s vodou a párou či otevřenými oběhy spalovacích strojů se vzduchem.
Úvahy o tepelných strojích umožnily vystavět termodynamiku a následně i teorii tepelných strojů na přehledný vědecký základ. Vlastně nás pálí (zajímají) ztrátové toky tzv. exergie (ztráta schopnosti systému v běžném okolí, nikoliv v Antarktidě konat užitečnou (nejen nutnou) práci).
Maximální možnou cyklickou účinnost dosahuje vratný Carnotův stroj; ú=1-T1/T2.
Nezávisí na pracovní látce, ale jen na teplotě chladiče (cca expanzí ochlazeného a ztráceného média, či média ochlazovaného při kompresi okolím před startem expanze ohřevem v dalším cyklu) a ohřívače (media vstupujícího do expanze).
Prostě komprimujeme menší objemy (protože při menší teplotě) a expandujeme větší (protože při vyšší T). Teprve rozdíl je čistý zisk. Pro velkou účinnost potřebujeme velký poměr T2/T1.
V zásadě nic lepšího než Stirling nelze vymyslet.
Ledárna by mohla v případě potřeby dodávat elektrárně (Černobyl, Fukušima...Temelín, ledové bloky či hory sněhu za příznivé ceny). Parního oběhu (Rankinova cyklu) se však nebudou chtít zbavit, pokud nebudou muset vyrábět o 107 Pu238 nebo je nebude něco velmi akutně pálit.
Led je možno klidně uložit k ledu. Velké teplotní rozdíly (správněji poměr T2/T1 a účinné chlazení) snáze dostaneme na straně paliva, tj. v dobře rozpáleném slunečném koncentráku či termobarickém nukleárním pekle.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Použití ledu jako "ersatzdynamite"

Josef Hrncirik,2017-07-12 15:22:32

Překlad určitě a článek prakticky jistě netvrdí nic prakticky využitelného ani o vodě(ev. i podchlazené) a ledu(ech) se kterými technika pracuje. Navíc již při -60°C je prý led šutr tvrdosti cca 6 Mohse. Z pohledu Hospodina a krystalografů (sub specie aeternitatis) to však možná teče lépe či srovnatelně jako ledovce. Výbůch. Ostatně i eternit je již zakázán.

Odpovědět

Slozeni vody

Marek Bohm,2017-06-30 14:58:52

Voda neni sloucenina vodiku a dvou kysliku.

Odpovědět


Re: Slozeni vody

Josef Hrncirik,2017-06-30 15:29:56

Švédští notorici to tak mohou dvojitě vidět.

Odpovědět


Re: Re: Slozeni vody

Josef Hrncirik,2017-07-02 19:31:23

Na obr.1 oba atomy kyslíku bulí, že se píše, že většinu ledu na Zemi tvoří amorfní led. Nikdo si nevšiml krásy sněhových vloček tvořících posléze firm a ledovce.
Ani v televizi není vidět zřetelně krystalická ledová tříšť unášená proudem řeky za mrazu, či jehlice ledu v kaluži.
Každý však ví, že nejvíce ledu v Kosmu je ve formě metastabilního HDA vznikající při extrémně pomalé desublimaci ledu na kometách při teplotě cca 30 K.
Když to není krystalické, tak je to amorfní, sklo.
Sklo je podchlazená kapalina, ergo to teče.
PANTA RHEI.
Trhy žádají více druhů vod a tak je mají mít.
Zřejmě za normálního tlaku a rozumné rychlosti chlazení vzniklý "amorfní" led je brzy mikrokrystalický a má tabelovanou hustotu, teplotu a teplo tání, dielektrickou konstantu, index lomu... . Jinak by správně nefungoval např. tzv. ledový kalorimetr.
Za normálního tlaku se voda nedá podchladit pod -60°C a když v ní vznikne rychle led, minimálně 1/7 zůstane jako voda 0°C a je bohatě čas na rekrystalizaci.
Běžný led je dobře definovaná látka s jasně definovaným b.t., kdy je v rovnováze s kapalnou vodou.
V kapalné vodě jsou v dynamické rovnováze vznikající a zanikající malé oblasti asociátů připomínajících led. Nedají se však zakoncentrovat, rovnováha je nesmírně dynamická.
Přestože se u HF či kyseliny octové hovoří o měřitelném podílu dimerů nejen v kapalné, ale i v plynné fázi, o vodní páře se to běžně neprohlašuje ani při nízké teplotě.
Ze 2 metastabilních ledů různé hustoty ohřevem dostanu jen 1, třeba i jiný (kubický), také metastabilní a z něj dalším ohřevem stabilní, podle tlaku a teploty třeba i běžný hexagonální h-led.
V rovnováze mohou být 2, někdy i 3 fáze.
Pokud by to měly být 2 různé kapalné vody, v dynamické rovnováze by nutně měly mít obě stejnou nejstabilnější strukturu. Jinak by jednotlivé KAPALNÉ fáze nebyly ve vnitřní rovnováze s minimem chemického potenciálu.
Pro ilustraci: Formálně by mohla existovat za naprosto exotických podmínek (např. pro jednoduchou představu) rovnováha monomomeru a dimeru s vodíkovými můstky. Ty by však kvůli stále se obnovující se rovnováze nešlo oddělit a PRODÁVAT pokud by byly rozpustné. Pokud by byly nerozpustné, pak nepatrnou změnou podmínek by méně stabilní fáze zcela zmizela.
Prostě slabost a mnohočetnost možností tvorby H můstků za přijatelných podmínek teplot a tlaků a doby koexistence nedodá dostatečně metastabilní natož stabilní odlišné fáze kapalné vody. Důvody jsou termodynamické i kinetické a především podstata struktury. rovnovážné kapaliny.
Živá voda vzniká pouze v katodovém prostoru, po vyslovení přesného zaklínadla k tomu určenou osobou.

Odpovědět

hustota?

Pavel Houdek,2017-06-30 13:46:55

Ale to by pak mělo být možné ty "vody" oddělit např. pomocí centrifugy, nebo ne?

Odpovědět


Re: hustota?

Josef Hrncirik,2017-06-30 14:20:46

Jo. Kdyby ty centrifugy Putin neustále nezavirovával.

Odpovědět


Re: hustota?

Daniel Konečný,2017-06-30 19:39:42

Nešlo, jde o jednu a tutéž vodu, oddělte zdánlivě trochu jedné fáze a zjistíte, že máte zase obě. Potenciál využití je ale velký, třeba u filtrace bych si představil, že se mohou zaměřit speciálně na míru jedné fázi, a přesto proteče všechna. No uvidíme, co se ještě vymyslí.

Odpovědět


Himaláj se před zrakem Hospodina roztéká jako Hermelín. Metastabilní vzorky ledu připravené tlakem 1,1 GPa se při 130+-10 K roztékaly viskozitou 1 MPa.s při atm. tlaku přechodem na bůchvíjaké metastabilní ledy před krystalografy.

Josef Hrncirik,2017-07-02 14:52:04

Odpovědět


Re: Himaláj se před zrakem Hospodina roztéká jako Hermelín. Metastabilní vzorky ledu připravené tlakem 1,1 GPa se při 130+-10 K roztékaly viskozitou 1 MPa.s při atm. tlaku přechodem na bůchvíjaké metastabilní ledy před krystalografy.

Josef Hrncirik,2017-07-02 15:12:16

10.1073/pnas.1705303114;
ale napřed raději www1.Isbu.ac.uk/water/amorphous_ice
Zase z té živé (lechké vody) nic nebude.
Zichrová je jen těšká, mrtvá voda 100,-/m3
Proč to neskusili překapat (přepálit)?

Odpovědět


Re: Himaláj se před zrakem Hospodina roztéká jako Hermelín. Metastabilní vzorky ledu připravené tlakem 1,1 GPa se při 130+-10 K roztékaly viskozitou 1 MPa.s při atm. tlaku přechodem na bůchvíjaké metastabilní ledy před krystalografy.

Josef Hrncirik,2017-07-02 15:21:09

Teklo to jen 2x hůře. Viskozitou 1 TPa.s.

Odpovědět


Re: Re: Himaláj se před zrakem Hospodina roztéká jako Hermelín. Metastabilní vzorky ledu připravené tlakem 1,1 GPa se při 130+-10 K roztékaly viskozitou 1 MPa.s při atm. tlaku přechodem na bůchvíjaké metastabilní ledy před krystalografy.

Josef Hrncirik,2017-07-05 07:43:58

Akbar není troškař a koná řádově řádně.
Z vonkajšku to vyzerá že sa pomýlil o 3 dB v řádu fluidity, ale ve skutečnosti to bylo jen o pouhé 0,3 B.

Odpovědět


Re: Re: hustota?

Josef Hrncirik,2017-07-03 17:14:01

Na obr.2 Anders Nilsson přilévá nesmírně pomalu superlechkou superviskózní vodu do barelu s prvním primárním alkoholem, aby oklamal hustoměry celní správy.
Je to super, je to zmrzlé jako ve s. bance.
Do likérů se běžně přidává škrobový sirob, aby likér déle vydržel na jazyku.
Inovace vody a alkoholu zaručí průnik na uvolněné Březinovy trhy.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni


Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace