Jaké vlastnosti má těžký led?

Ampule s těžkou vodou (neboli oxidem deuteria) z továrny Norsk Hydro. Tato... | foto: Wikimedia Commons Nejspíš myslíte led, který vznikne zmrznutím takzvané těžké vody. Jeho vlastnosti jsou řekněme zvláštní – v „normální“ vodě například klesá ke dnu, místo aby spořádaně plaval. Na otázku odpověděl Mgr. Jan Kolář, Ph.D. z Přírodovědecké fakulty UK. Voda má vzorec H2O, takže její molekula se skládá ze dvou atomů vodíku a jednoho atomu kyslíku. To ví každý, kdo na základní škole v hodinách chemie nehrál karty nebo Minecraft. Jako správní přírodovědci se ovšem pojďme na vodu podívat trochu podrobněji. Kdybychom měli zázračnou lupu, s níž bychom viděli až dovnitř atomů, zjistili bychom zajímavé věci. Připomeňme, že každý atom má uprostřed jádro a kolem něj obal tvořený záporně nabitými elektrony. Jádro je pak složené z takzvaných nukleonů – kladně nabitých protonů a nenabitých neutronů. Všechny atomy jednoho chemického prvku mají stejný počet protonů (a elektronů, které vyrovnávají jejich elektrický náboj). Tak třeba v jádře kyslíku je vždycky 8 protonů. Ale pozor! Většina prvků vytváří několik izotopů, které se od sebe liší počtem neutronů. Například kyslík, který dýcháme, obsahuje izotopy s 8, 9 nebo 10 neutrony. Když potřebujeme izotopy některého prvku jednoznačně pojmenovat, aby se nám nepletly, píšeme před chemickou značku vlevo nahoru číslo udávající celkový počet nukleonů v jádře: ·         16O – kyslík; 8 protonů + 8 neutronů (= 16 nukleonů); 99,76 % kyslíku na Zemi ·         17O – kyslík; 8 protonů + 9 neutronů (= 17 nukleonů); 0,04 % kyslíku na Zemi ·         18O – kyslík; 8 protonů + 10 neutronů (= 18 nukleonů); 0,20 % kyslíku na Zemi Také vodík má několik izotopů. V přírodě najdeme tři z nich. Mají dokonce své vlastní názvy a chemické značky: ·         1H – „lehký“ vodík, někdy nazývaný protium; 1 proton; 99,98 % vodíku na Zemi ·         2H – deuterium, alternativní chemická značka D; 1 proton + 1 neutron; 0,02 % vodíku na Zemi ·         3H – tritium, alternativní chemická značka T; 1 proton + 2 neutrony; na Zemi ve stopovém množství „Lehký“ vodík a deuterium jsou stabilní. Tritium je radioaktivní s poločasem rozpadu 12,32 let (za tuto dobu se rozpadne polovina jader ve vzorku). Naší zázračnou lupou bychom viděli, že v kapce vody drtivě převažují molekuly H216O. Občas bychom ale potkali různé exoty – H218O, D217O, HD16O a další.  

Jedním z takových exotů je právě těžká voda. Ta má na rozdíl od obyčejné vody v molekule dva atomy deuteria místo dvou atomů lehkého vodíku. Její chemický vzorec je tedy D2O. Izotopy kyslíku teď nemusíme řešit, stejně se v přírodě vyskytuje skoro výhradně 16O. Z obyčejné vody, která obsahuje asi jednu molekulu s deuteriem na 3 200 molekul s lehkým vodíkem, se dá různými postupy získat čistá těžká voda. Na první pohled vypadá úplně stejně jako její „lehká“ sestřička H2O. Za pokojové teploty je to čirá kapalina bez chuti a zápachu. Svými fyzikálními a chemickými vlastnostmi se ovšem poněkud liší. Příčina je celkem zřejmá. Deuterium má oproti lehkému vodíku v jádře jeden neutron navíc, jeho jádro je tedy zhruba dvakrát těžší. Při dvou atomech deuteria na molekulu to znamená, že molární hmotnost těžké vody je 20,03 gramů na mol – oproti 18,02 g/mol u „lehké“ vody.

Takový rozdíl musí logicky změnit hustotu či jiné fyzikální parametry. Naopak chemické vlastnosti určuje v první řadě elektronový obal. Lehký vodík i deuterium mají jeden elektron, takže po chemické stránce by se měly chovat stejně. Vlastnosti elektronů a vazeb v molekulách ale částečně ovlivňuje také hmotnost jádra. Těžká voda se proto i chemicky trochu liší od vody „lehké“. Těžká voda je tedy opravdu těžká. Nejen že obsahuje „těžší“ izotop vodíku, ale může se pochlubit i vyšší hustotou. To platí jak o kapalné vodě, tak o jejím ledu. Těžký led připravený z D2O taje až při 3,8 °C a při 0 °C má hustotu asi 1,02 g/cm3 – trošku větší, než má za stejné teploty normální kapalná voda. V ledově studené obyčejné vodě díky tomu nastává zvláštní jev. Když do ní hodíte kus těžkého ledu, klesne ke dnu a netaje. Byl by to skvělý trik na silvestrovskou párty. Ale raději ho nezkoušejte, i kdyby se vám nějak podařilo sehnat těžkou vodu. Je totiž jedovatá, což souvisí s rozdíly v chemických vlastnostech mezi ní a běžnou vodou, kterou pijeme.

Zdroj: http://relax.lidovky.cz/zeptali-jsme-se-vedcu-jake-vlastnosti-ma-tezky-led-fsl-/veda.aspx?c=A170102_132611_ln_veda_ape