Fyzika a klasická energetika

Článků v rubrice: 254

30. října 2012

Pětihranný led

Kolik znáte druhů ledu? Led v lednici a led ve zmrzlině, rampouchy a led na rybníce, a taky námrazu na okně a sněhové vločky… Ale! Ve skutečnosti je tohle všechno jen jeden jediný druh ledu. S patnácti dalšími jste se zatím ještě nepotkali a jen tak na ně v přírodě nenarazíte.

Led je pevná forma sloučeniny zvané voda. Pro její všudypřítomnost máme tendenci označovat ji jako „typickou“ kapalinu, ale to je velký omyl – voda je kapalina v porovnání s podobnými sloučeninami značně netypická. Známe na 69 anomálií vody, přičemž nejznámější je fakt, že nejvyšší hustotu má při 4°C a led je tedy lehčí než kapalná voda. Čím to je?

Proč je to vůbec kapalina? Molekula vody má přece značku H₂O a je tedy tvořena dvěma atomy vodíku a jedním atomem kyslíku. S tak malou relativní molekulovou hmotností (M_r = 2x1 + 16 = 18) by to měl být plyn (jako třeba neon, M_r = 20, teplota varu ‑240 °C). Ale atomy vodíku neleží v molekulke vody s kyslíkem v jedné přímce, svírají vzájemně úhel asi 106°. Molekula vody je proto u „vystrčeného“ kyslíku nabitá kladně, u obou vodíků záporně a jako celek je tedy polární – někde kladná, jinde záporná. Molekuly vody se proto snadno na sebe „lepí“ a vytvářejí „nadmolekuly“ (H₂O)₅ a (H₂O)₆ držící navíc pohromadě “vodíkovým můstkem“ – dvě sousední molekuly spolu sdílejí jeden atom vodíku. Pak už vysoká teplota varu vody 100 °C tolik nepřekvapuje.

Pevná forma vody

Látky se vyskytují v plynné, kapalné nebo pevné podobě. Pevnou podobu vody nazýváme led. Pevné látky dále mohou být amorfní, tj. molekuly jsou v nich uspořádány náhodně, anebo krystalické, kdy jsou molekuly uspořádané do pravidelné mřížky. Stejně tak náš běžný led můžeme potkat v amorfní podobě, ale daleko častěji se bude jednat o krystal. Jeho struktura je šesterečná (hexagonální) a můžeme si ji představit jako vrstvy šestistěnů ležící jedna na druhé. Všechny jsou vzájemně provázané vodíkovými vazbami a všechny molekuly jsou od svých nejbližších sousedů stejně vzdálené. Navíc úhly mezi těmito vazbami jsou 109°, což se hodně blíží úhlu mezi vodíkovými atomy v molekule. To je také kromě jiného důvod, proč voda za normálních podmínek preferuje právě tuto strukturu. Je to struktura velmi řídká, má hustotu 0,92 gcm^{‑3 m} a malou tvrdost (1,5 na Mohsově škále). Zmíněný hexagonální led má označení Ih.

Šestnáct druhů ledu

Šesterečná struktura však není jediná krystalická mřížka, do které se mohou molekuly vody uspořádat. Za vhodných podmínek, které se poněkud liší od těch ve vašem mrazáku, utvoří voda zcela jiné krystaly s jinými vlastnostmi, než jaké má běžný led. Rozeznáváme na 16 druhů krystalického ledu (a tři druhy ledu amorfního, ale o těch někdy jindy). Na obrázku „Fázový diagram zobrazující všech 16 typů ledu“ můžete vidět jejich fázový diagram. Některé jsou schopny existovat v poměrně širokém rozpětí tlaků a teplot, jiné jsou stabilní jen za úzce vymezených podmínek. Aby to nebylo jednoduché, řada ledů dokáže být metastabilní v podmínkách, kde by se správně vyskytovat neměly. To znamená, že sice existují, ale dříve či později se na nějaký popud změní na jiný druh ledu.

Ochutnávka ledů

Jak je z fázového diagramu patrné, většina dalších typů ledu existuje za výrazně vyšších tlaků, než jaké panují v zemské atmosféře. Pojďme se namátkou na některé z nich podívat:

O ledu typu 2 se předpokládá, že by mohl tvořit velkou část ledových měsíců, například že by se mohl nacházet na Jupiterově měsíci Ganymed. Tento led je stabilní při teplotách od ‑25 °C do ‑150 °C a při tlacích 5 až 8 kbarů. Jeho krystalová mřížka je romboedrická, má hustotu 1,17 gcm^‑3. Vzniká z ledu Ih nebo ledu typu 5, ale kupodivu nikoliv z ledu typu 3, se kterým ve fázovém diagramu sousedí.

Led typu 7 je stabilní v širokém rozmezí teplot včetně těch vysoko nad 0 °C, ale potřebuje k tomu velmi vysoký tlak. Má kubický krystal, který tvoří dvě prolínající se mřížky kubického ledu Ic. Jeho hustota je 1,5 gcm^‑3. Pokud však do svého krystalu zabuduje molekuly NaCl, čili obyčejné kuchyňské soli, jeho krystalová mřížka se zmenší a hustota ledu typu 7 se zvýší.

Led typu 9 je nízkoteplotní variantou ledu typu 3, kterému se velmi podobá, a má smysl o něm hovořit jen v souvislosti s jeho literárně proslaveným názvem (o ledu typu 9 se více dozvíte na konci článku). Led typu 9 má tetragonální krystal, hustotu 1,16 gcm^‑3 a je stabilní při teplotách pod ‑100 °C a tlacích kolem 5 kbar, čili 5 000 atmosfér.

Pokud budete působit vysokým tlakem na led typu 7, dostanete led typu 10, který se vyznačuje vysokou hustotou 2,51 gcm^‑3 a bodem tání lehce nad 700 °C, ovšem za tlaku kolem 1 Mbar.

Pětihranný led

V podstatě všechny známé typy ledu už byly v laboratořích uměle vytvořeny. U některých to šlo snadno, u jiných bylo třeba kromě působení správného tlaku a teploty ještě přidávat katalytické chemikálie, použít elektrické pole nebo místo obyčejné vody vodu těžkou.

Vědci ovšem nezůstali jen u popsaných druhů ledu a s namrzáním vodních molekul za neobvyklých podmínek dále experimentovali. Tak například vznikl v laboratořích Liverpoolské univerzity pětihranný led. Vědci vzali hladkou měděnou destičku s povrchem srovnaným na výšku jednoho atomu a nechali na ni ve vakuu namrzat jednotlivé molekuly vody. Výsledek prozkoumali elektronovým mikroskopem a zjistili, že voda utvořila řetízky pravidelných pětiúhelníků (pentagonů). Vodní molekuly jim dávaly přednost před šestiúhelníky, protože musely najít optimální polohu nejen pro vazby mezi sebou, ale i s podkladovou měděnou destičkou.

Dláždění

Není však pravděpodobné, že by z tohoto experimentu mohl vzejít pětihranný led, a to i kdyby se v namrzání vody na zmíněné pentagonální řetízky pokračovalo. Příčina je jednoduchá – celý prostor není možné beze zbytku vyplnit jenom pětiúhelníky, a tedy z nich udělat krystalickou mřížku. Ovšem pokud k pětiúhelníkům přidáte kosodélníky, hvězdy a půlhvězdy, najednou z nich dlažbu, která bude beze zbytku vyplňovat libovolně velký prostor, vyskládáte. Tato dlažba bude mít jednu nesmírně zajímavou vlastnost – bude sice vypadat pravidelně, ale nebude periodická. Pokud vezmete libovolný větší kus dlažby, nikde nenajdete druhou oblast, která by vypadala zcela stejně. Krystal, který je pravidelný, ale není periodický, se nazývá kvazikrystal.

Nobelovka za kvazikrystal

Strukturu krystalů lze studovat pomocí elektronové difrakce. Na podivné difrakční vzory jisté slitiny manganu a hliníku narazil roku 1982 Dan Shechtman a přisoudil je právě kvazikrystalické struktuře. Za svůj objev dostal roku 2011 Nobelovu cenu. Známe kvazikrystaly u některých slitin hliníku a je dokonce popsán přírodně vzniklý kvazikrystal. Jmenuje se ikosahedrit (ikozaedr je pravidelný dvacetistěn s trojúhelníkovými stěnami), má vzorec Al₆₃Cu₂₄Fe₁₃ a byl objeven v úlomcích meteoru vykopaných na Čukotce.

Kvazikrystalický led

Není žádný důvod, proč by voda nemohla krystalizovat do podoby kvazikrystalu. Ve skutečnosti už vodní kvazikrystal vznikl, i když zatím jen v počítačové simulaci. Vědci z univerzity v Utahu zkoumali, do jaké struktury se uspořádají vodní molekuly, pokud je zmáčkneme mezi dvě nesmáčivé destičky. V závislosti na tlaku a teplotách, za kterých virtuální pokus probíhal, voda vytvářela nejrůznější struktury. Jednou z nich byl právě zmiňovaný kvazikrystal.

Na rozdíl od pentagonálních ledových řetízků je teoreticky možné kvazikrystalického ledu vyrobit neomezené množství. Protože existují různé způsoby, jak kvazikrystal poskládat, není vyloučeno, že by se podařilo vyrobit kvazikrystalický led, který by byl stabilní při atmosférickém tlaku a teplotě řekněme ‑20 °C. Najednou by tak mohly existovat dvě formy zmrzlé vody vedle sebe, led Ih a led kvazikrystalický. Rozdíl mezi nimi by mohl být obrovský, stejně tak, jako je velký rozdíl mezi tuhou a diamantem, což jsou jen různé krystalické formy téhož uhlíku. Jak bude asi kvazikrystalický led vypadat?

Kurt Vonnegut a led typu 9

Některé ledy naštěstí neexistují v přírodě, ale jen v představách spisovatelů. Například led typu 9, který použil Kurt Vonnegut v románu Kolíbka. Jeho speciální krystal ledu má bod tání 45,8 °C a voda, která se ho dotkne, zmrzne do ledu typu 9. Jak si snadno domyslíte, jedná se o velmi nebezpečnou substanci a nepatrný krystal ledu typu 9 odhozený do potoka by mohl způsobit celoplanetární katastrofu, se kterou by si ani globální oteplování neporadilo.

Podle jedné historky není duchovním autorem ledu typu 9 Vonnegut, ale chemik a laureát Nobelovy ceny Irving Langmuir. Vymyslel ho pro pobavení spisovatele H. G. Wellse, ale slavného autora tato fiktivní substance nijak neinspirovala.