Co je přilnavost vody?

O neobvyklých a někdy až „magických“ vlastnostech vody se dozvídáme ve škole, na vysoké škole, ve vlacích a na webových stránkách, kde prodávají láhve „živé vody“. Vtipy stranou, nejběžnější kapalina na Zemi má ve skutečnosti dost neobvyklých vlastností, že jejich studiu byly věnovány tisíce vědeckých prací. V rámci projektu „Pět elementů“, který N+1 realizuje společně s NUST MISIS, si povíme, jak moc lze tekutý prvek zkrotit, tedy zda je možné s pomocí moderní fyziky otočit všechny neobvyklé vlastnosti vody naruby, jak to udělat, a co je nejdůležitější – proč.

Hlavní věc

Základní otázka zní: kde se látka s tak jednoduchým vzorcem (H₂Ach, jak si všichni pamatují), bere se takový soubor neobvyklých, někdy paradoxních vlastností. Ukazuje se, že je to převzato právě z tohoto vzorce. Molekuly vody jsou strukturovány jednoduše, ale velmi chytře: uprostřed pomyslného čtyřstěnu se v nich nachází atom kyslíku a v jeho vrcholech jsou umístěny dva osamocené páry elektronů a dva atomy vodíku. Tento design umožňuje představit si celý objem vody jako pole uspořádaných čtyřstěnů s atomy vodíku pohodlně vloženými mezi jejich „vlastní“ kyslík a kyslík jejich souseda. Tato dodatečná vazba mezi sousedními molekulami se nazývá vodík, a přestože je řádově slabší než intramolekulární kovalentní vazba, v měřítku celé látky je dalším vazebným faktorem. Mimochodem, když jsme řekli „soubor uspořádaných tetraedrů“, milovníci teorií o „struktuře“ a „paměti“ vody byli příliš brzy na to, aby se radovali: toto uspořádání skutečně existuje, ale díky tepelnému pohybu se síť vodíku pouta se neustále ničí a vytváří znovu, a tak si „pamatuje“ vodu nemůže nic dělat, ale nepotřebuje.
Z přítomnosti vodíkových vazeb vyplývá snad nejdůležitější vlastnost vody – obrovská energie soudržnosti molekul, která je drží pohromadě a je zodpovědná za to, že voda zůstává při pokojové teplotě kapalná. Jeho nejbližšími sousedy jsou sirovodík (H₂S), amoniak (NH₃), halogenovodíky (HF, HCl atd.) – mohou vznikat i vodíkové vazby, ale všechny tyto látky jsou při pokojové teplotě plyny, což opět potvrzuje neobvyklý stav vody. Ale to není všechno. Vybrali jsme pět charakteristických jevů spojených s vodou, které navrhujeme zvážit v pořadí.

Soudržnost: tepelná kapacita

Připomeňme si, jak se na molekulární úrovni určuje stav agregace látky: je-li energie tepelného pohybu velmi malá, atomy se seřadí v nejvýhodnější prostorové poloze, obvykle velmi symetricky. Tento stav nazýváme „pevný“. Pokud se teplota (a s ní i tepelná energie) systému zvýší, atomy a molekuly budou moci uniknout z krystalové mřížky, ale stále nebudou dostatečně rychlé, aby odletěly daleko od sebe – v tomto případě látka bude tekutá. Když je tepelná energie dostatečná k překonání všech mezimolekulárních interakcí, molekuly odletí od sebe a látka se promění v plyn.
Jak je vidět z našeho jednoduchého obrázku, jsou to mezimolekulární interakce, které určují, kolik energie je kapalina připravena absorbovat, než se vypaří. Tento parametr se nazývá tepelná kapacita a u vody je opravdu velký: ohřát kilogram vody o jeden stupeň vyžaduje 4200 joulů – čtyřikrát více než u materiálů jako dřevo, kámen a sklo a 10krát více než tepelná kapacita. kovů.
Jak „porazit“ tak vysokou tepelnou kapacitu vody? Zde nebylo možné dosáhnout významného úspěchu, ale metoda je mimořádně jasná: protože za všechno mohou uspořádané vodíkové vazby, je třeba je odstranit. K tomu stačí přinutit molekuly vody, aby se strukturovaly jiným způsobem, například aby byly přitaženy atomy kyslíku k nějakému nabitému předmětu. Proteiny plní tuto roli dobře: v dostatečně koncentrovaných roztocích se zasekávají molekulami vody, které již nemohou vytvářet vodíkové vazby. V tomto případě se tepelná kapacita sníží téměř o polovinu a stane se stejnou jako u ledu. Mimochodem, o ledu.

Koheze: krystalizace

Jak již víme, molekuly vody jsou rády uspořádané, ale vlivem tepelného pohybu se jejich struktura ukazuje jako poněkud neuspořádaná. Chlazení může přinést řád. „Pokud se teplota sníží, vodíkové vazby způsobí, že molekuly vody prakticky zamrznou v nejvýhodnější poloze. Neobvyklým faktem je, že tato poloha se vyznačuje relativně velkým počtem dutin mezi molekulami, takže led zaujímá o 9 procent větší objem než stejná masa kapalné vody,“ vysvětluje podstatu tohoto procesu profesor Jurij Nikolajevič Utkin, doktor Chemical Sciences, odborník na konferenci v NUST MISIS Centru pro energetickou účinnost. Tato vlastnost má na jednu stranu pozitivní vliv na ekosystém: na hladině plave lehčí led a nádrže nezamrzají ke dnu. Na druhé straně tvorba ledu ohrožuje život mnoha biologických systémů, protože zvýšený objem vody může nevratně poškodit buňky, které se po rozmrazení již nemohou zotavit. Z toho důvodu už mražené jídlo není tak dobré jako čerstvé – ledové krystalky poškozují vnitřní strukturu tkání.
Škodlivé účinky ledu naštěstí nebylo těžké překonat. Navíc na tomto základě uspěly jak přírodní, tak syntetické systémy. První se naučili vytvářet speciální struktury, nejčastěji proteinové, které se nazývají „nemrznoucí“. Tyto velké molekuly se chytře vážou na jádra ledových krystalků a brání jejich dalšímu růstu. Místo velkých krystalů s velkým objemem tak v systému vzniká kaše malých krystalků ledu, která prakticky nepoškozuje buňku. Živé organismy, které používají proteinové nemrznoucí směsi, přežívají při teplotách až -30 stupňů Celsia, a brouci Upis Ceramboides a dokonce odolají mrazům až do -60 stupňů díky nebílkovinné nemrznoucí směsi.
V průmyslu se zamrzání vody řeší jednodušeji přidáním tzv. kryoprotektorů do systému, které tvoří vodíkové vazby s vodou a zabraňují jejímu zamrznutí. Mezi tyto látky patří glycerin, ethanol, polyethylenglykol a další. Stejné prostředky se používají také při studiu biologických léků, které je třeba zmrazit, ale uchovávat ve formě co nejblíže „živému“ stavu. Nedávno se ukázalo, že barviva mohou sloužit i jako kryoprotektiva. Například známý safranin O je svými vlastnostmi podobný proteinovým nemrznoucím směsím, i když má výrazně menší molekulovou velikost.

Soudržnost: Viskozita

Pokračujeme v pozorování neobvyklých vlastností vyplývajících ze silné soudržnosti molekul vody, je třeba zmínit také viskozitu. Tento parametr, charakteristický pro jakékoli kapaliny a plyny, je zodpovědný za to, jak silně se o sebe vrstvy stejné látky „otřou“. Přesněji řečeno, viskozita určuje intenzitu výměny hybnosti mezi molekulami. Vysoce viskózní systémy – například med nebo kečup – tečou pomalu a neochotně, zatímco látky s nízkou viskozitou – benzín nebo aceton – se šíří rychle a s menšími vnějšími vlivy.
Významná viskozita vody je hlavním důvodem, proč je téměř nemožné vážně zrychlit pod vodou a k čerpání kapaliny potrubím jsou zapotřebí výkonná čerpadla. Nejotravnější věcí je, že není možné bojovat proti viskozitě odstraněním vodíkových vazeb: když se molekuly vody stanou uspořádanými, jejich viskozita se ještě zvýší v důsledku stejných sil, které toto uspořádání způsobují. Problém viskózního odporu byl však docela úspěšně napaden nikoli ze strany samotné vody, ale ze strany těla, které se jí pohybovalo. K tomu si připomeňme adhezi a interakci vody s jinými tělesy.

Přilnavost: lepení

Jestliže koheze je přitahování molekul vody k sobě, pak adheze je jejich přitahování k cizím tělesům, například ke stěnám krevních cév. Zde je důležité si uvědomit, že voda je navíc polární kapalina, to znamená, že každá její molekula je dipól – částice, jejíž jeden konec je nabitý trochu pozitivněji a druhý trochu negativněji. Díky této struktuře zůstává voda jako celek elektricky neutrální, ale její molekuly jsou schopny interagovat například se stěnami nádoby. To se vysvětluje tím, že většina povrchů ponořených do polární kapaliny je alespoň mírně nabitá.
Adheze molekul vody ke stěnám s sebou nese mnoho důsledků, z nichž jeden je známý jako „podmínka hydrodynamické adheze“. Vyjadřuje se tím, že když voda proudí podél většiny povrchů, vrstva nejblíže ke stěně se „přilepí“, takže rychlost v ní je nulová. Tato vrstva svou viskozitou velmi inhibuje další a tak dále. V důsledku toho bude maximální rychlost pozorována ve středu trubky nebo kanálu. Zdálo by se, že na tom není nic špatného, ​​a to platí, pokud se bavíme o velkých potrubích – například vodovodních. Pokud sestavíte zařízení s kanály o tloušťce několika mikronů, pak viskózní odpor v nich bude tak velký, že konvenční čerpadla již nebudou moci čerpat vodu přes tenké trubky. Tento problém existuje v mikrofluidice, odvětví vědy o miniaturních zařízeních pro ovládání kapalin, bublin a kapiček v mikroměřítku. Speciální mikrofluidní zařízení jsou poněkud podobná elektronickým čipům, pouze místo drátů pro elektřinu mají mnoho kanálů pro kapalinu. Tato „lab-on-a-chip“ umožňuje provádět tucet biologických testů v zařízení velikosti náramkových hodinek.
Miniaturizace v rámci mikrofluidiky samozřejmě neznamená přítomnost obrovského čerpadla pro čerpání kapaliny, takže se člověk musí vyrovnat s viskózním odporem vody. V tuto chvíli existují dva hlavní způsoby, jak toho dosáhnout: za prvé můžete eliminovat přilnavost vody ke stěně, což výrazně zvýší rychlost proudění. K tomu použijte povrch, který slabě interaguje s molekulami vody, tedy hydrofobní materiál. Úplně první experimenty však ukázaly, že běžná chemická hydrofobicita má pouze velmi slabý účinek na snížení viskózní odolnosti. Dalším krokem byl vynález superhydrofobních povrchů s neobvyklou topografií a schopností zadržovat v ní vzduchové bubliny. Protože na rozhraní kapalina-plyn není žádná adheze, voda klouže po takových površích velmi rychle. Efekt je patrný zejména v případě mikrokanálů, ale pokusy o výrobu většího zařízení se superhydrofobními stěnami (například ponorka) zatím nebyly nijak zvlášť úspěšné.
Druhým způsobem, jak eliminovat viskózní odpor, je opustit tradiční čerpadla pro čerpání kapaliny přes diferenční tlak. Místo toho můžete nechat proudit vodu pod vlivem elektrického pole, i když to vyžaduje přidání elektrolytu (například soli) do systému a nabíjení stěn. Toto proudění se nazývá elektroosmotické a je charakteristické tím, že profil rychlosti tekutiny je plochý, bez maxima ve středu kanálu. To je velmi výhodné, pokud systém vyžaduje rovnoměrné čerpání kapaliny přes mikrokanál.

Přilnavost: povrchové napětí

Protože jsme pamatovali na přilnavost k vodě a hydrofobní povrchy, nemůžeme nezmínit smáčení a vzlínavost. Tyto vlastnosti určují, jak se chová povrch kapaliny, stejně jako její kapičky a filmy na pevných látkách, uvnitř kapilár, pórů a tak dále. I zde si voda nadále drží svou značku „nejvíce“: díky obrovské energii soudržnosti je také vysoké povrchové napětí, které je například zodpovědné za tvar dešťových kapek a umožňuje běh vodních šlapaček. na vodě jako na pevném podkladu. Samotné napětí vzniká tím, že pro každou molekulu vody je výhodnější být v objemu, obklopený sousedy, takže všechny molekuly se stejně snaží opustit povrch, tedy co nejvíce zmenšit jeho plochu. Proto nevidíme kapky ve tvaru krychle: koule má při stejném objemu vždy menší plochu.
Přidáme-li k povrchovému napětí interakci s pevnými látkami, vrhneme se do bohatého světa smáčení: zde jsou dokonale kulaté kapky na lotosovém listu, stoupání vody tenkými kapilárami a impregnace porézních těles (například lufy) . Je ještě zajímavější vidět, jak lze všechny tyto efekty ovládat, protože povrchové napětí se ukázalo být jednou z „nejpoddajnějších“ vlastností vody. Nejznámějším příkladem pro domácnost je přidání povrchově aktivní látky, jako je mýdlo, do vody. V tomto případě bude povrch kapaliny stabilizován a napětí bude výrazně sníženo. Zkuste vyfouknout bublinu z čisté vody – žádné takové štěstí, ale z mýdlové vody – prosím: velká plocha již není překážkou. Můžete udělat další experiment: nasypte mletou papriku do vody a vhoďte do ní kostku ledu. Vlivem rozdílu teplot dojde k rozdílu v povrchovém napětí a zrnka pepře budou plavat směrem ke kostce.
Vraťme se opět k hydrofobním a superhydrofobním povrchům: jelikož je voda nemá příliš ráda, snaží se minimalizovat oblast kontaktu s nimi. Pokud se na takový povrch položí kapka vody, uvidíme téměř dokonalou kouli, která se povrchu sotva dotýká. Takové kuličky se velmi snadno odvalují, takže superhydrofobní povrchy mají zájem především o vytvoření vodoodpudivých a protinámrazových povlaků. Příroda je také používá odedávna: lotosový list, noha vodníka, žraločí kůže jsou jen některé příklady. Hydrofobní povrchy se také osvědčily jako úspěšné řešení starých každodenních problémů: například děravá výlevka konvice. Pokud vnějšek pokryjete hydrofobním materiálem, budou se čajové lístky vždy sypat pouze do šálku.
Existují také zcela neobvyklé účinky řízení povrchového napětí a smáčení, například kapky Leidenfrost. Vznikají, když voda spadne na velmi horký povrch: v tomto případě se mezi kapkou vody a pevným tělesem objeví vrstva páry, takže kapka volně letí nad povrchem. Mimochodem, podobný efekt je velmi škodlivý pro průmyslové ohřívače vody: pokud je jejich výkon příliš vysoký, vytvoří se na povrchu ohřívače vrstva páry, která blokuje výměnu tepla a vede k přehřátí zařízení. Mezi další příklady neobvyklých kapilárních jevů patří efekty, ke kterým dochází v nepřítomnosti gravitace (například na oběžné dráze). Vysvětlují obrovské kapky vody, které se nám ukazují ve videoreportážích o životě astronautů: bez gravitace zůstává povrchové napětí jediným faktorem určujícím tvar kapky, takže bez ohledu na objem má kapalina tendenci stát se koulí . Na Zemi je maximální velikost dokonale kulatých kapiček několik milimetrů. Pokud je velikost větší, gravitace dá kapce tvar louže.
Připomněli jsme si jen některé vlastnosti vody, se kterými se setkáváme v běžném i vědeckém životě. Existuje mnoho dalších funkcí a efektů – solvatace, dielektrická konstanta, osmotický tlak – které zůstaly v zákulisí. Voda byla a zůstává jedním z nejoblíbenějších předmětů pro studium v ​​moderní fyzikální chemii a nauce o materiálech a téměř hlavní zárukou existence živých organismů a každý z těchto vlivů v tom hraje svou roli.