Čo sa stane s vodou, keď zamrzne; Veda v dialógu

Čo sa stane s vodou, keď zamrzne?

Pri zmrazovaní tvoria molekuly vody kryštály. Molekuly sú navzájom spojené takzvanými vodíkovými väzbami. Sú založené na slabých elektrostatických príťažlivých silách medzi kladne nabitými atómami vodíka a záporne nabitými atómami kyslíka molekúl vody. Tieto väzby existujú aj v kvapalnej vode. Tam sa však neustále prestavujú. Za pikosekundy sa väzby pretrhnú a vytvoria sa nové. (Pikosekunda sa rovná milióntine milióntiny sekundy.)

Ak teplota (za normálneho tlaku) klesne pod bod mrazu 0 stupňov Celzia, atraktívna interakcia medzi molekulami vody sa stane väčšou ako tepelné vzruchy. Môže sa vyvinúť kryštálová štruktúra. V kryštáli je každá molekula vody obklopená štyrmi ďalšími. Táto štruktúra sa nazýva štvorboká. Súčasne je vždy spojených šesť molekúl vody a vzniká kruh. Chemici označujú túto kryštálovú mriežku ako šesťuholníkovú.

Proces kryštalizácie uľahčujú takzvané kryštalizačné jadrá, ktoré sú tvorené poruchami vo forme prachových častíc alebo miernymi vibráciami. Bez týchto kryštalizačných jadier, teda ak je voda veľmi čistá a je to tiež malé množstvo niekoľkých mikrolitrov, je možné vodu ochladiť na mínus 38 stupňov Celzia bez toho, aby sa zmenila na ľad. Táto podchladená voda je v metastabilnom stave.

Keď voda zamrzne, rozšíri sa. Molekuly v ľadovom kryštáli zaberajú viac miesta ako vo (tekutej) vode. Ľad má teda nižšiu hustotu a môže plávať na vode. Hneď ako voda zamrzla, hustota sa už nemení. V prírodných podmienkach na Zemi sa vyskytuje iba jedna forma ľadu. Rôzne formy sa vyskytujú pri vyšších tlakoch a/alebo nižších teplotách. Doteraz je známych 14 rôznych foriem kryštalického ľadu. Líšia sa jeden od druhého vo vzdialenosti medzi atómami kyslíka, ale v podstate v rôznych polohách atómov vodíka. Okrem toho existujú amorfné formy ľadu, ktoré nemajú usporiadanú kryštalickú štruktúru. Vo vesmíre sa zatiaľ našiel iba amorfný ľad.

Na rozdiel od väčšiny ostatných kvapalín teplota topenia ľadu klesá, keď sa zvýši tlak. Voda potom zamŕza iba pri teplotách pod nulou stupňov Celzia. Chemici to označujú ako anomáliu tlaku vody. To umožňuje korčuľovanie. Tlak vyvíjaný váhou korčuliara na ľad znižuje teplotu topenia a topí hornú vrstvu ľadu. Korčuliar môže na tomto vodnom filme ľahko kĺzať.

V ľade kryštalická štruktúra pokračuje pravidelne vo všetkých smeroch. Keď však môže ľadový kryštál voľne rásť vo vesmíre, vytvára sa sneh. Skladá sa z mnohých samostatných, filigránskych rozvetvených ľadových kryštálov. Jednotlivé kryštály sú tvorené skutočnosťou, že najjemnejšie kvapky vody sa pripájajú ku kryštalizačnému jadru, napríklad prachovým časticiam, a zamrznú.

Teplota ľadu na klziskách je okolo mínus štyri stupne Celzia. Hlbšie chladenie by bolo príliš energeticky náročné. Teplota by nemala byť vyššia kvôli prestupu tepla. Vzduch v hale má výrazne vyššiu teplotu a topil by hornú vrstvu ľadu. Mínus štyri stupne studeného ľadu sa však súčasne ochladzuje zospodu, takže ľadová vrstva zostáva na povrchu dostatočne pevná. Medzitým sa úspešne vynaložilo úsilie na výrobu umelého ľadu energeticky úsporným spôsobom pri mínus dvoch stupňoch.

Na otázku odpovedal prof. Dr. Ralf Ludwig, Katedra fyzikálnej chémie na univerzite v Rostocku.